Albert Einstein (1879-1955)

Av Erik Tronstad

Einstein var tysk-amerikansk fysiker og regnes som en av de fremste fysikere verden har sett. Mest kjent er han nok for sin spesielle og generelle relativitetsteori.

Han ble født i Ulm, Tyskland 14. mars 1879. I 1880 flyttet familien til München, Tyskland. Etter at foreldrene i 1894 flyttet til Italia, dro Albert til Sveits og begynte på en videregående skole der. Deretter kom han inn på Den polytekniske høyskolen (Eidgenössische Technische Hochschule, ETH) i Zürich, Sveits. Han var ferdig der i 1901 og ble sveitsisk statsborger. Uten å lykkes prøvde han å få lærerstillinger. Isteden begynte han ved et patentkontor i Zürich, der han arbeidet i mange år.

Mens Albert Einstein var ved patentkontoret i Zürich, arbeidet han med å utvide sine kunnskaper i matematikk og fysikk. Han brukte mye tid på å studere disse temaene, og på selv å fundere over mange fysiske og matematiske problemer.

I 1905, 26 år gammel, trådte han frem på fysikkens verdensarena med fire helt epokegjørende vitenskapelige artikler, på forskjellige områder. Denne «debuten» som fysiker var så oppsiktsvekkende at enkelte omtaler 1905 som Einsteins annus mirabilis (mirakelår). Samtidig fullførte han sin doktoravhandling ved Universitetet i Zürich.

Den første artikkelen ga en teoretisk forklaring på den fotoelektriske effekten. Den andre artikkelen omhandlet brownske bevegelser. I den tredje artikkelen lanserte Albert Einstein det som kalles den spesielle relativitetsteorien, der han fastslo at tid og rom ikke kan skilles fra hverandre. I den fjerde artikkelen sier han at energi og masse er to sider av samme sak. Der lanserer han den berømte formelen E = mc².

Et slikt utbrudd av vitenskapelig kreativitet og intellekt har knapt sin like i vitenskapens historie. Den eneste parallellen fysikere peker på, er årene 1665-1666. Den gang raste pesten over England. Det 23 år gamle geniet Isaac Newton valgte å forlate universitetet i Cambridge og dra til sin hjembygd Woolsthorpe. Der utviklet han, i all stillhet, den matematiske analyse; han gjorde epokegjørende oppdagelser om lysets natur og farger og han startet på veien som mange år senere førte ham frem til sin gravitasjonsteori («tyngdelov»).

Det som i dag kalles den fotoelektriske effekt, ble oppdaget i 1888. Man fant at når lys faller på et metall som er negativt elektrisk ladet, blir det i mange tilfeller utladet. Er metallet positivet ladet, skjer ingen utlading. Senere oppdaget man at bølgelengden på lyset må være kortere enn en viss verdi, for at det skal skje en utlading.

Sentralt i Einsteins teori om den fotoelektriske effekt er at han betrakter lysstråling som partikler, ikke som bølger. Energien til en lyspartikkel er proporsjonal med frekvensen og omvendt proporsjonal med bølgelengden. At bare lys med bølgelengde kortere enn en gitt bølgelengde gir fotoelektrisk effekt, tilsvarer at lyspartiklene må ha en energi større enn en viss minimumsenergi.

Den fotoelektriske effekten anses som et viktig bevis for at lyset også har en partikkelnatur, i tillegg til bølgenatur.

Den fotoelektriske effekten er grunnprinsippet bak for eksempel fotoceller og instrumenter for lysforsterking.

I årene som fulgte ga Einstein ut flere arbeider omkring den fotoelektriske effekt.

I 1905 publiserte, som nevnt, Einstein en ny og komplett teori om brownske bevegelser. Brownske bevegelser er stadige, uregelmessige bevegelser av små partikler i væsker eller gasser. Bevegelsene skyldes kollisjoner med atomene eller molekylene i mediet som partiklene er i. Dette arbeidet viser at varme skyldes molekylers bevegelser. Einsteins arbeid om brownske bevegelser har senere fått stor betydning på mange andre områder i fysikken.

Det arbeidet fra 1905 som Albert Einstein uten tvil er mest kjent for, er det som i ettertid er blitt kjent som den spesielle relativitetsteorien. Teorien beskriver hvordan naturlovene observeres å være like for alle observatører som beveger seg rettlinjet og med konstante (men forskjellige) hastigheter i forhold til hverandre.

Gjennom denne teorien viser Einstein blant annet at det er en sterk sammenheng mellom tid og rom, likeledes at det ikke eksisterer noe absolutt koordinatsystem, som bevegelse kan måles i forhold til. All bevegelse er relativ. Videre viser han at lyshastigheten i vakuum er konstant, uansett hvor fort en observatør beveger seg i forhold til lyskilden. De to kanskje mest kjente resultatene av den spesielle relativitetsteorien er at intet legeme kan bevege seg raskere enn lyshastigheten i vakuum, og at masse og energi er to sider av samme sak, og knyttet til hverandre gjennom formelen E = mc².

Denne likningen var av den største viktighet, mente Einstein. Den viser nemlig at en partikkel har en energi, en «hvileenergi», som er helt forskjellige fra de klassiske og velkjente størrelsene potensiell og kinetisk energi. For de fleste fysikere forble imidlertid denne sammenhengen en kuriositet til i 1930-årene. Da var likningen helt sentral for å forstå prosesser i atomer og atomkjerner.

De fleste fysikere vil i dag være enige i at hver av de tre første artiklene i seg selv er en nobelpris verdig. Arbeidene representerte fundamentale og banebrytende løsninger på problemer fysikerne lenge hadde slitt med.

Etter at Einstein hadde løst problemene for det spesielle tilfellet med legemer i konstante, rettlinjede bevegelser, gikk han løs på problemene i det helt generelle tilfellet, der legemer er i akselererte bevegelser i forhold til hverandre. Dette arbeidet opptok mye av hans tid de neste ti årene. At arbeidet tok så lang tid for mannen som kanskje er den fremste matematiske fysiker verden har sett, sier mye om kompleksiteten i det. Arbeidet ledet frem til hans generelle relativitetsteori, som er en teori om akselererte systemer og gravitasjon.

Utover i november 1915 holdt Einstein en serie forelesninger i Det prøyssiske vitenskapsakademi. Der beskrev han for første gang det som nå kalles for den generelle relativitetsteori. I den siste forelesningen endte han opp med å presentere en helt ny likning for gravitasjon, som erstattet Newtons enkle likning. Einstein publiserte teorien i 1916.

I generell relativitetsteori er gravitasjon ikke lenger en kraft, slik den er i Newtons teori. Gravitasjon er isteden en følge av at romtiden er krum.

En vitenskapelig teori fremsettes normalt for å forklare fenomener som ingen eksisterende teori kan forklare. Normalt har ett eller flere eksperimenter vist noe som ikke kan forstås med eksisterende teorier eller som bryter med dem. Derfor kommer et behov for å finne en teori, som kan forklare det som er observert, og helst forutsi nye fenomener, som så må observeres.

Slik var det ikke med den generelle relativitetsteorien. Einstein utviklet den ikke for å gi svar på konkrete, uforklarte observasjoner. Et helt unikt særtrekk ved denne teorien er at han utledet den ved ren og pur matematisk tenkning og rasjonell og logisk analyse. Dette er bortimot enestående i naturvitenskapenes historie.

Selv om teorien var et rent tankemessig og matematisk byggverk, kan det utledes noen klare fysiske konsekvenser av den. En av dem er at lys ikke alltid følger en helt rettlinjet bevegelse. Lys som passerer gjennom gravitasjonsfeltet til et legeme, vil avbøyes av dette. Årsaken er krumningen av romtiden.

I 1919 utrustet den fremragende britiske astrofysikeren Arthur Eddington en ekspedisjon, for å observere en solformørkelse det året. Ekspedisjonsmedlemmene observerte posisjonene av stjerner nær Solen under formørkelsen. Posisjonene ble sammenliknet med observasjoner gjort av de samme stjernene, når Solen ikke var i nærheten av dem. Observasjonene viste at stjernenes posisjoner endret seg litt. Årsaken var at når de stod nær Solen på himmelen, ble lyset fra stjernene litt avbøyd av Solens gravitasjonsfelt. Lyset fra dem måtte jo passere nær Solen for å nå teleskopene under solformørkelsen.

Resultatet av observasjonene var historisk. Det viste at Solens gravitasjonsfelt avbøyde lyset fra stjernene like mye som forutsagt av Einsteins generelle relativitetsteori.

Da det resultatet ble kjent for offentligheten, ble Albert Einstein en berømthet, nærmest over natten. Han ble Einstein, ikke bare en kjent person, men et begrep. Dette var helt uvanlig for en forsker. Einstein ble etter hvert mer berømt enn noen annen forsker i historien.

Selv ble for øvrig Einstein aldri helt fortrolig med navnet «relativitetsteori». Han foretrakk å betegnelsen «teorien om invarianter».

For sine store bidrag til teoretisk fysikk, ble Einstein i 1921 tildelt nobelprisen i fysikk. Spesielt fikk han den for den teoretiske beskrivelsen av den fotoelektriske effekt. Hans generelle relativitetsteori, som han i ettertid kanskje er mest berømt for, var i 1921 ennå for omstridt til at den kunne brukes som en direkte begrunnelse for nobelprisen.

I årene 1914-1932 var Einstein direktør for og professor i fysikk ved Kaiser Wilhelm-Institut für Physik i Berlin. Mens han var der, ble han på nytt tysk statsborger.

Den største forandringen som skjedde innen fysikk på 1900-tallet, var utviklingen av kvantefysikken.

Et fundamentalt trekk ved kvantefysikken er at kvantefysiske prosesser skjer helt tilfeldig, uten noen foranliggende årsak. De representerer et totalt brudd med kausalitetsprinsippet i klassisk fysikk; at enhver virkning har en årsak.

Akkurat dette var noe Einstein aldri ble fortrolig med og aldri greide å godta. Han var overbevist om at samtidens eksperimenter og teorier innen kvantefysikk bare viste overflatefenomener. Under disse lå det fenomener som var styrt av årsak-virkning-prinsippet. Flere og flere fysikere i hans samtid gikk imot ham på dette punktet. Ettertiden har vist at Einstein her tok feil.

Nettopp denne motstanden hos Einstein, mot å godta dette for ham dramatiske bruddet med kausalitetsprinsippet, gjorde at han i stor grad både direkte og indirekte bidro til utviklingen av kvantefysikken.

Hans indirekte bidrag kom gjennom en rekke tankeeksperimenter. Der gjorde han nettopp det han gir uttrykk for gjennom sitatet ovenfor: han sluttet aldri å stille spørsmål. Hans ofte meget finurlige og dype problemstillinger tvang andre fysikere, fremst av dem danske Niels Bohr, til å skjerpe og videreutvikle sine begreper om og innen kvantefysikken.

De siste årene av livet sitt brukte Albert Einstein på å arbeide med en enhetlig feltteori. Det skulle være en teori som forente teoriene om elektromagnetisme og gravitasjon i én teori. Han ble etter hvert mer og mer isolert i dette arbeidet og nådde aldri frem til målet.

I ettertid er det lett å se at han i utgangspunktet var sjanseløs i dette arbeidet. Først omkring 1970, 15 år etter Einsteins død, fikk for eksempel fysikerne noen særlig forståelse av det som kalles de svake og sterke vekselvirkningene. Senere er det utarbeidet en teori som forener den svake vekselvirkningen og elektromagnetisme.

Et stort mål for fysikken er fortsatt å komme frem til en enhetlig teori for alle de fire fundamentale vekselvirkningene, en teori som gjerne omtales som «Theory of Everything». Ennå ser imidlertid den teorien til å være et godt stykke unna.

I 1932-1933 var Einstein på et forskningsopphold i California, USA. På vei hjem stoppet han i Belgia, på grunn av jødeforfølgelsene Adolf Hitlers naziregime hadde startet i Tyskland. Einstein var selv jøde. Etter et kort opphold i England, reiste han tilbake til USA i 1933. Der ble han boende resten av livet, og arbeidet hele tiden som professor ved Institute for Advanced Study i Princeton. Han ble amerikansk statsborger i 1940.

Ved begynnelsen av den andre verdenskrig, mot slutten av 1930-årene, var mange fysikere klar over at det var teoretisk mulig å lage kjernefysiske våpen. Fysikerkolleger øvde påtrykk på Einstein, for at han skulle gjøre USAs president Franklin Roosevelt på dette.

Fysikeren Leó Szilárd formulerte et brev til president Roosevelt, som Albert Einstein signerte. Der skrives det om mulighetene for å lage kjernefysiske våpen og hvilke konsekvenser det kunne ha om Tyskland utviklet slike våpen. De ba presidenten sette i verk tiltak som kunne forhindre at dette skjedde. Brevet var den direkte foranledning til USAs gigantiske Manhattan-prosjekt, der formålet var å utvikle en kjernefysisk bombe.

Einstein var selv ikke direkte involvert i Manhattan-prosjektet. Da andre verdenskrig var over, engasjerte Einstein seg sterkt i arbeidet for å forby videre utvikling av og prøver med kjernefysiske våpen. Det var et engasjement han delte med svært mange andre fysikere og andre forskere.

Albert Einstein døde 18. april 1955, på et sykehus i Princeton, New Jersey, USA. Den eneste som satt ved hans dødsleie, var en sykepleier. Hun fortalte at like før Einstein døde, mumlet han noen ord på tysk, et språk sykepleieren ikke forstod. Hva som var Einsteins siste ord, vet derfor ingen i dag.

Helt i samsvar med Einsteins eget ønske, ble han samme dag kremert i Trenton, New Jersey. Asken ble spredt på et ukjent sted.

Bakgrunnsbildet

Bildet er et utsnitt av et bilde av en av de største og mest massive galaksehoper astronomene kjenner, Abell 1689. Galaksehopen ligger omtrent 2,2 milliarder lysår fra Jorden. Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori kan et legeme avbøye lys. Slik kan for eksempel en galakse fungere som en slags gigantisk, kosmisk linse som avbøyer lys. Analogt med at en glasslinse avbøyer lys, kan også avbøying av lys rundt for eksempel galakser, lage bilder. Det ser vi eksempler på her.

Bilde: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), ACS Science Team og ESA)

Lys fra bakenforliggende objekter avbøyes rundt objekter nærmere oss, og danner bilder av de fjerntliggende objektene. Bildene som slik dannes, gir ofte helt forvrengte bilder av det opprinnelige objektet. Objektene som danner slike bilder, kalles gravitasjonslinser.

Eksempler på dette er de smale, langstrakte buene i bildet. De er galakser som ligger langt borte. Lyset fra dem avbøyes rundt objekter nærmere oss, og danner de helt forvrengte bildene vi ser av dem.

Du kan lese mer om dette bildet i Enorm galaksehop observert med Hubble-romteleskopet (eRomfart 2003-006). Der finner du også originalbildet, som bakgrunnsbildet ovenfor er et utsnitt av.

Publiseringsdato: 28.06.2003