Lichtdeeltjes? Een belachelijk idee

Honderd jaar geleden publiceerde Albert Einstein enkele artikelen waarin hij afrekende met ons klassieke, intuïtieve wereldbeeld. Onbegrijpelijke natuurkunde? In een serie artikelen proberen we het u uit te leggen. Vandaag: Nobelprijs voor een revolutionair artikel.

In het voorjaar van 1905 schreef Albert Einstein een brief aan zijn vriend Konrad Habicht, een wiskundige, en vroeg hem op plagerige toon wanneer diens proefschrift af zou zijn. ,,Jij ellendeling, waarom heb je me nog steeds je dissertatie niet gezonden? Ik beloof je daarvoor in ruil vier artikelen, waarvan het eerste erg revolutionair is.''

Het wonderjaar 1905 kon beginnen. In nog geen vier maanden tijd publiceerde Einstein artikelen die stuk voor stuk zo fundamenteel waren dat elke andere fysicus zijn carrière al geslaagd zou vinden als hij er één van dat kaliber zou afscheiden. Einstein bedacht dat licht uit deeltjes bestond, ontwikkelde een methode om de grootte van moleculen te meten, verklaarde hun vreemde bewegingen en stelde de speciale relativiteitstheorie op. Als toegift leidde hij in het najaar af dat energie en massa gelijkwaardig zijn.

Maar wat was nu zo revolutionair? De relativiteitstheorie? Nee, Einstein zelf vond zijn lichttheorie pas echt vernieuwend. En terecht, schreef John Rigden vorige maand in Physics World. Een revolutionair artikel moet aan vier voorwaarden voldoen, vond hij. Het moet een groots idee bevatten, het moet ingaan tegen bestaande opvattingen, collega-wetenschappers wijzen het af totdat ze niet anders kunnen en uiteindelijk moet het artikel deel gaan uitmaken van de standaardtheorie.

Alleen de lichttheorie voldeed aan alle voorwaarden. Bij de andere artikelen lag er een probleem op tafel dat om een oplossing vroeg, maar in 1905 werd aan de toen gangbare theorie van het licht al een eeuw niet getwijfeld. Kennelijk was er een Albert Einstein voor nodig om het probleem te zien waar in de hele negentiende eeuw iedereen aan voorbij was gelopen: licht en materie passen niet bij elkaar.

Licht was een vloeiende golfbeweging; dat had Thomas Young in 1802 overtuigend aangetoond. Materie bestond uit discrete atomen; daar raakte men in 1905 steeds meer van overtuigd. Hoe moest dat dan, vroeg Einstein zich af, als die twee samen kwamen? Hoe kon verhit ijzer gaan stralen, hoe moest licht zijn energie afstaan aan materialen? Dat kon volgens Einstein maar op én manier: ook een lichtbundel moest uit pakketjes bestaan, uit lichtquanta.

De quanta had hij overgenomen van Max Planck, die het begrip in 1900 had geïntroduceerd om te verklaren waarom een stuk metaal als het werd verwarmd, licht in allerlei kleuren ging uitzenden. Voor Planck was het quantum een wiskundige truc waarvan hij zeker wist dat hij hem ooit nog eens uit zijn formule zou weten te werken. Einstein zag zijn lichtquanta als reëel.

Dat was vloeken in de kerk. Planck, die de geschiedenis in is gegaan als de vader van de quantum theorie, vond het lichtquantum een belachelijk idee. Toen hij Einstein in 1913 nomineerde voor de Pruisische academie van wetenschap -vanwege de relativiteitstheorie- verontschuldigde hij zich voor diens jeugdzonde: men moest zo'n stoutmoedige denker niet verwijten dat hij er soms een keer naast zat.

Planck was niet de enige. Robert Millikan, een vooraanstaand experimentator uit die tijd, probeerde tien jaar lang Einsteins lichtdeeltjes uit de wereld te helpen. Toen hij in 1916 moest erkennen dat het hem niet was gelukt, kon hij toch niet over zijn hart verkrijgen om Einstein gelijk te geven.

Einstein had zich degelijk op dergelijke aanvallen voorbereid. Hoewel hij het bestaan van de lichtquanta al redenerend had afgeleid, besloot hij zijn artikel met experimentele toetsen. De bekendste daarvan is het foto-elektrisch effect. De Duitser Philipp Lenard had in 1899 laten zien dat je met een lichtbundel elektronen uit een stuk metaal kon schieten. Daarbij was het hem opgevallen dat de energie van de elektronen niet afhing van de intensiteit van de bundel, maar alleen van de frequentie (zeg maar: de kleur) van het licht. Dat was met de klassieke theorie niet te verklaren, maar met Einsteins lichtquanta lukte het perfect.

Precies voor deze verklaring kreeg Einstein in 1921 de Nobelprijs. Dat was een beetje flauw van het Zweedse comité. Zoals eerder vermeld vond men de relativiteitstheorie niet rijp voor een prijs, maar kennelijk was het ook voor de theorie van de lichtquanta nog te prematuur. Het gevolg was dat slechts de toets voor het revolutionaire idee werd gehonoreerd.

Maar Niels Bohr, die andere founding father van de quantumtheorie, maakte het nog bonter. Toen hij een jaar na Einstein de Nobelprijs in ontvangst mocht nemen, kon hij het niet nalaten om de lichtquanta in twijfel te trekken: met 'Einsteins hypothese' kon je het golfkarakter van licht niet verklaren, zei hij in Stockholm. Bohr was een van de laatsten: in 1925 gooide hij nog liever de wet van behoud van energie overboord dan dat hij de lichtquanta aanvaardde.

Een jaar later was het pleit beslecht. Het lichtquantum kreeg ook een naam -het foton- en Einsteins gelijk werd niet meer betwist. Maar hij zou met Bohr nog een stevige discussie over de quantumtheorie voeren.