Lichtgolven

Reeds in 1901 was Einstein, nog werkzaam op het patentbureau, begonnen wetenschappelijke artikelen te publiceren. Einstein zocht in die tijd onder andere naar een methode waarmee men het bestaan van atomen van een gegeven vaste omvang kon bewijzen. Zo verscheen, na een aantal artikelen over thermodynamische onderwerpen, in 1905 Einsteins bekende artikel over de Brownse beweging. Dit leidde niet alleen tot het signaleren van een specifiek door atomen veroorzaakt effect, maar bovendien tot een diffusierelatie in het afwijkende gedrag van een bepaald deeltje in een vloeistof. Dit artikel was, doordat het aan een bestaande opvatting een hechtere basis gaf, voor de fysica van groot nut. De drie overige artikelen die Einstein datzelfde jaar deed verschijnen, veroorzaakten echter een complete omwenteling in de natuurkunde, gaven de filosofie nieuwe inspiratiebronnen en vormden de aankondiging van het atoomtijdperk. Als eerste verscheen het artikel over de quantisatie van lichtgolven. Einstein gaf de nog prille quantentheorie van Max Planck (1858-1947) uitbreiding door zijn ontdekking van het foton of lichtdeeltje. Volgens Einstein bestond elektromagnetische straling, zoals bijvoorbeeld licht, zelf ook uit energiepakketjes. De kwantummechanica, die men uit de ideeën van Planck en Einstein heeft kunnen ontwikkelen, is voor het begrijpen van vele natuurkundige processen dikwijls belangrijker dan de relativiteitstheorie. De overige twee in 1905 verschenen artikelen maakten echter de grootste indruk. Hierin behandelde Einstein de basisideeën van de speciale relativiteitstheorie. Stel dat twee waarnemers een ster zien, dan is deze waarneming op enig moment gelijk. Een minuut later echter is deze ster roder, dan beweegt de ster van de waarnemers af, is deze blauwer dan beweegt het brandende hemellichaam naar hen toe. Er blijkt een verschil te bestaan in de realiteit. De ster kan zelfs gedoofd zijn. Dit verschil noemt men de relativiteitstheorie. Op grond van een aantal simpele, moeilijk te accepteren uitgangspunten slaagde ook Einstein erin te voorspellen dat een stilstaande waarnemer afwijkingen waarneemt in een ten opzichte van hem eenparig bewegend systeem en dat deze afwijkingen des te groter zijn naarmate het systeem zich sneller ten opzichte van hem beweegt. Bijvoorbeeld een fotofinish benodigd bij drie winnende wielrenners, omdat de realiteit niet meer door de waarnemer waargenomen wordt. Het zou nog moeilijker worden als de waarnemer helemaal achteraan staat en de wielrenners erg snel fietsen. Einstein meent dat de afwijkingen pas merkbaar zijn wanneer de snelheid van het systeem vergelijkbaar is met die van de lichtsnelheid, zodat het niet verwonderlijk is dat men er doorgaans niets van merkt. Deze theorie trok, door haar moeilijk aanvaardbare consequenties als de ontkenning van het bestaan van een in die tijd noodzakelijk geacht etherfluïdum, en de voorspelling dat in een voorbij vliegend systeem de tijd achterloopt, overal grote aandacht. De luchtweerstand verschilt dan bij elke wielrenner en de waarnemer heeft een horloge dat achter loopt. Tegenwoordig is het model, dat de ontwikkeling van alle wisselwerkingen tussen geladen deeltjes onder uitwisseling van fotonen volledig en met zeer grote nauwkeurigheid beschrijft en voorspelt, volledig. Het vormt een synthese van de relativistische versie van de Maxwellvergelijkingen met de kwantummechanica.