Annus mirabilis van Einstein

Men had experimenteel vastgesteld dat licht elektronen kan vrijmaken uit metalen. Klassiek is het niet makkelijk te begrijpen waarom dit foto-elektrisch effect optreedt. Het werd nog veel moeilijker, toen bleek dat dit effect voor een bepaald metaal alleen optreedt bij voldoende grote frequenties (kleur in de richting van blauw), ongeacht de intensiteit van het licht. Einstein slaagde erin dit fenomeen te verklaren door aan te nemen dat licht bestaat uit kleine pakketjes. Deze lichtkwanta hadden zekere gelijkenissen met de kwanta die Max Planck vijf jaar eerder had voorgesteld om het spectrum van een zwarte straler te kunnen verklaren. Op die manier werd een tweede belangrijke empirische verklaring gegeven met een nieuw soort fysica, die uiteindelijk zou uitgroeien tot de kwantummechanica.

Rond 1900 heerste er geen consensus over het al dan niet correct zijn van de atoomtheorie. Hoewel de theorie in wezen tot een van de oudste natuurkundige theorieën gerekend kan worden (met antiek-Griekse oorsprong), bleven veel natuurkundigen sceptisch over het al dan niet reëel zijn van deze ondeelbare, kleinste bouwstenen van de materie. Einstein slaagde er echter in een goede kwantitatieve verklaring te geven voor de (tot dan niet begrepen) brownse beweging, steunend op de atoomtheorie. Daarmee leverde hij overtuigend bewijs voor het echt zijn van atomen.

De wetten van Maxwell, die enkele decennia voor Einstein alle fenomenen van het elektromagnetisme op een unificerende manier verklaarden, leken te suggereren dat licht eigenlijk een elektromagnetische golf is. Maxwell kon inderdaad ook de snelheid van deze golven afleiden, die goed met de lichtsnelheid overeenkwam. Er heerste echter lange tijd de vraag: 'in welke stof beweegt licht'? Veel fysici waren van mening dat er een soort achtergrond (ether) moest zijn ten opzichte waarvan licht beweegt. Een waarnemer die in beweging zou zijn ten opzichte van de ether, zou dan een hogere of lagere lichtsnelheid meten, afhankelijk van zijn bewegingsrichting ten opzichte van het licht. Het Michelson-Morley-experiment toonde echter aan dat dit niét zo was: de lichtsnelheid bleef (ongeacht de snelheid van de meter) altijd gelijk.

Dit was erg moeilijk te begrijpen met de klassieke natuurkunde. Einsteins oplossing voor dit probleem betekende een nieuwe kijk op ruimte en tijd, die voortbouwde op werk van Hendrik Lorentz en Henri Poincaré. De speciale relativiteitstheorie was geboren en maakte voorgoed een einde aan het begrip van een absolute tijd. Einsteins leermeester Hermann Minkowski breidde Einsteins theorie uit en beschreef ruimte en tijd als één geheel, de ruimtetijd met tijd als een vierde dimensie. Later zou Einstein deze theorie verder uitbreiden tot de algemene relativiteitstheorie, die (buiten het incorporeren van de speciale relativiteitstheorie in een meer algemeen kader) op een natuurlijke manier de zwaartekracht beschrijft.

Uit de speciale relativiteitstheorie, oorspronkelijk bedoeld om het probleem van de lichtsnelheid te verklaren, kon Einstein echter nog een andere conclusie trekken. Voor wiskundige consistentie blijkt het nodig dat de massa van een voorwerp direct gerelateerd is aan zijn rustenergie. Einstein maakte dit concreet met zijn massa-energierelatie E = mc², die inhoudt dat massa (m) en energie (E) in elkaar omgerekend kunnen worden door de massa te vermenigvuldigen met het kwadraat van de lichtsnelheid (c).