Albert Einstein
Einsteins zoektocht naar een verenigde theorie
Nadat hij beroemd was geworden door een aantal briljante doorbraken in de natuurkunde, waaronder de Brownse beweging, het foto-elektrisch effect en de speciale en algemene relativiteitstheorieën, besteedde Albert Einstein de laatste dertig jaar van zijn leven aan een vruchteloze zoektocht naar een manier om de zwaartekracht en het elektromagnetisme in één elegante theorie te verenigen.
Einstein werd gemotiveerd door een intellectuele behoefte om de krachten van de natuur te verenigen. Hij was ervan overtuigd dat de hele natuur door één theorie beschreven moest worden. “Het intellect dat op zoek is naar een geïntegreerde theorie kan geen genoegen nemen met de veronderstelling dat er twee verschillende velden bestaan die door hun aard totaal onafhankelijk van elkaar zijn,” zei Einstein in zijn Nobel-lezing in 1923.
Daarnaast geloofde hij dat er een verband bestond tussen de noodzaak om schijnbare paradoxen van de kwantummechanica op te lossen en de noodzaak om elektromagnetisme en zwaartekracht te verenigen. Einstein heeft er altijd op aangedrongen dat de kwantummechanica kon worden afgeleid uit een completere theorie. Voor Einstein, die nooit tevreden was met de vreemdheid en willekeur die inherent waren aan de kwantumtheorie, moest elke aanvaardbare verenigde veldtheorie kwantummechanica als consequentie hebben.
In de jaren twintig, toen Einstein met zijn werk aan een verenigde veldtheorie begon, waren elektromagnetisme en zwaartekracht de enige bekende krachten, en waren het elektron en het proton de enige bekende subatomaire deeltjes. De meeste natuurkundigen uit die tijd waren enthousiast over de pas ontdekte kwantumtheorie, en besteedden hun tijd aan het onderzoeken van de bizarre en interessante gevolgen ervan. Zij zagen geen grote noodzaak voor een theorie die elektromagnetisme en zwaartekracht verenigde.
Maar Einstein, en verscheidene andere wetenschappers, werkten wel aan het probleem van de eenwording. In 1918 stelde Hermann Weyl een unificatietheorie voor die gebaseerd was op een veralgemening van de Riemannse meetkunde. Geïnspireerd door het werk van Weyl, toonde Theodor Kaluza aan dat door de ruimte-tijd uit te breiden tot vijf dimensies, men de Einstein vergelijkingen in vier dimensies zou kunnen produceren, plus een extra stel vergelijkingen die equivalent is aan de vergelijkingen van Maxwell voor elektromagnetisme. De vijfde dimensie zou compact zijn, zo klein opgekruld dat we het niet kunnen waarnemen. Oskar Klein verfijnde dit idee later.
Einsteins laatste schoolbord, Institute for Advanced Study (1955).
Einstein hield van de vijfdimensionale benadering. In 1919 schreef hij aan Kaluza: “Het idee om eenwording te bereiken door middel van een vijfdimensionale cilinderwereld zou nooit bij mij zijn opgekomen…Op het eerste gezicht vind ik uw idee enorm goed.” Kaluza publiceerde zijn artikel in 1921, en Einstein publiceerde zijn eerste artikel over de verenigde veldtheorie, met Jacob Grommer, volgens een soortgelijke benadering, in 1922.
Een andere benadering die Einstein probeerde betrof de uitbreiding van de algemene relativiteit met de vergelijkingen van het elektromagnetisme door de metrische tensor te veralgemenen met behoud van de 4-dimensionale geometrie.
Einstein werkte de laatste dertig jaar van zijn leven hardnekkig aan deze twee basisbenaderingen, maar geen van beide methoden leidde ooit tot de volledige verenigde theorie waarnaar hij op zoek was.
Hij vervolgde en verwierp vervolgens al snel idee na idee. “De meeste van mijn intellectuele nakomelingen eindigen heel jong op het kerkhof van teleurgestelde hoop,” schreef Einstein in een brief in 1938.
Maar hij gaf zijn zoektocht naar een verenigde theorie nooit op. Zelfs toen hij op zijn sterfbed lag, ging hij door met zijn werk. De dag voordat hij stierf, vroeg hij om zijn laatste aantekeningen naar hem toe te brengen.
Een van de redenen waarom Einstein er niet in slaagde een verenigde theorie te ontdekken, kan zijn afwijzing van de kwantummechanica zijn, waardoor hij nieuwe ontwikkelingen in de natuurkunde negeerde en zich distantieerde van de rest van de natuurkundige gemeenschap. Einstein was zich bewust van zijn positie en merkte in 1954 op dat “ik moet lijken op een struisvogel die voor altijd zijn kop in het relativistische zand steekt om de kwade quanta niet onder ogen te hoeven zien”. Maar hoe meer hij werkte aan de eenwording, hoe verder Einstein afdreef van de rest van de natuurkundige gemeenschap.
Hij ging ook steeds meer op in formele wiskundige argumenten, in plaats van de natuurkundige intuïtie te volgen die hem in zijn jeugd naar zijn grote ontdekkingen had geleid.
Velen zeggen dat Einstein faalde omdat hij eenvoudig zijn tijd vooruit was. De kennis en gereedschappen die nodig waren om een unificatietheorie te voltooien waren eenvoudigweg nog niet ontwikkeld voordat Einstein in 1955 stierf.
Heden ten dage zijn er veel natuurkundigen die zijn zoektocht oppakken. De meest veelbelovende benadering lijkt de snaartheorie te zijn, die 10 of meer dimensies vereist en alle elementaire deeltjes beschrijft als vibrerende snaren, waarbij verschillende trillingswijzen verschillende deeltjes voortbrengen.
Snaartheorie heeft nog geen testbare voorspellingen gedaan, en sommige wetenschappers zijn bang dat snaartheoretici, net als Einstein in zijn latere jaren, te ver van de fysische werkelijkheid zijn afgedwaald in hun obsessie met mooie wiskunde. Maar veel anderen geloven dat de snaartheorie wel degelijk de sleutel bevat tot de voltooiing van Einsteins zoektocht, en onderzoekers hopen manieren te vinden om enkele voorspellingen van de snaartheorie te testen.
Hoewel zijn eigen werk nooit een bruikbare natuurkundige theorie heeft opgeleverd, heeft Einstein de eenwording tot een belangrijk doel van de natuurkunde gemaakt. Een theorie van alles wordt ook wel de “heilige graal” van de moderne natuurkunde genoemd. Einstein zou waarschijnlijk blij zijn geweest dat zoveel natuurkundigen hun carrière met enthousiasme wijden aan het najagen van zijn droom.
Ed. Opmerking: Nu het Wereldjaar van de Natuurkunde ten einde loopt, beëindigen wij onze reeks historische columns over Einstein. We veranderen ook van auteur. Vijf jaar lang is “Deze maand in de geschiedenis van de fysica” geschreven door associate editor Jennifer Ouellette; de komende columns (en ook deze) zullen het werk zijn van wetenschapsschrijver Ernie Tretkoff.