Ehrenfest and Einstein met just before Ehrenfest became professor at Leiden University. They had much in common and became best friends. Ehrenfest shed light on some problematic aspects of Einstein’s work and during the years acted as an important sparring partner for Einstein. Ehrenfest also explained difficult aspects of Einstein’s work to the physics community. He set others on the track of working on general relativity and made Leiden an international centre for these developments during the years 1912–1920. Ehrenfest made sure Einstein was appointed part-time professor at Leiden, from which Leiden physics profited. He also aided Bohr and Einstein during their notorious debates. Ehrenfest struggled with depression his whole life. The rapid developments and mathematicising of quantum physics, Hitler’s appointment as Reichs Chancellor, money and marriage problems worsened his depressions. In 1933 Ehrenfest committed suicide, and Einstein moved to the United States and away from the study on quantum physics.
Op 23 februari 1912 vond een bijzondere ontmoeting plaats op het station van Praag. Paul Ehrenfest, een gerenommeerde maar werkloze Oostenrijkse fysicus, werd door Albert Einstein van de trein gehaald. De twee ontmoetten elkaar die dag voor het eerst. Vrijwel vanaf het eerste moment dat ze met elkaar spraken vormde zich een warme band tussen de twee. Ze vulden de dagen van Ehrenfests bezoek met gezamenlijk musiceren, lange wandelingen en even zo lange gesprekken en geanimeerde discussies over de brandende kwesties in de natuurkunde. Einstein vond in Ehrenfest een waardige sparringpartner voor zijn ideeën. Hij zou over hun ontmoeting schrijven: ‘Nach wenigen Stunden waren wir wirkliche Freunde – Menschen, die durch ihr Streben und Sehnen wie für einander geschaffen waren’.
Later datzelfde jaar werd Ehrenfest als hoogleraar aangesteld in Leiden (
Paul Ehrenfest in Leiden, staand voor een katheder en ontspannend achter de vleugel. Informele schetsen, in 1920 gemaakt door Harm Kamerlingh Onnes, een neef van de fysicus Heike Kamerlingh Onnes. (Museum Boerhaave, Leiden)
Paul Ehrenfest werd op 18 januari 1880 geboren te Wenen – toen nog onderdeel van de Oostenrijks-Hongaarse dubbelmonarchie.
Zijn moeder overleed toen hij nog maar tien jaar oud was, zijn vader toen hij zestien jaar oud was. Het lijkt erop dat Ehrenfest al na het overlijden van zijn moeder depressieve trekken begon te vertonen. Ehrenfests biograaf Martin Klein schrijft: ‘He was often miserable, deeply depressed and at odds with himself and the world’.
In 1899 begon Ehrenfest zijn studie aan de
Inmiddels had Einstein in 1905 een belangrijke ontdekking gedaan, al was dit nog niet tot de doorgedrongen tot de natuurkundige gemeenschap. Einstein had net als Ehrenfest een voorliefde voor de grondslagen van de natuurkunde. Door na te denken over de grondslagen van de bestaande elektromagnetische theorie kon Einstein laten zien dat deze tot een vreemde asymmetrie leidde in de beschrijving van bewegende magneten en geleiders. Volgens de toen geldende theorie geeft een bewegende magneet aanleiding tot een elektrisch veld in de buurt van de magneet. Indien zich in dit elektrische veld een geleider bevindt gaat er in die geleider een stroom lopen. Is de magneet in rust en wordt de geleider door het magneetveld bewogen dan ontstaat er volgens de gangbare theorie geen elektrisch veld maar wel een stroom in de geleider. Dezelfde verschijnselen worden dus anders beschreven. Op basis van deze inzichten publiceerde Einstein in 1905 zijn speciale relativiteitstheorie. Het was niet meteen duidelijk of en in hoeverre deze theorie verschilde van Lorentz’ elektronentheorie. Daar kwam bij dat Einstein niet altijd even duidelijk was.
Ehrenfests kraakheldere artikel was maar één pagina lang en bevatte vrijwel geen wiskunde. Hij legde hiermee enkele problemen in de relativiteitstheorie bloot, en lokte diverse reacties uit. Die varieerden van mogelijke oplossingen van de paradox, tot afwijzingen van de gehele relativiteitstheorie.
Ehrenfest reageerde met een aantal artikelen op Einsteins critici. Ook Einstein zelf mengde zich in de discussie. Dit luidde het begin in van de acceptatie van de relativiteitstheorie als een wezenlijke innovatie; na de toelichting van Ehrenfest en Einstein werd Einsteins theorie eindelijk gezien als fundamenteel verschillend van die van Lorentz. Dat dit onderscheid werd gemaakt was in grote mate te danken aan Ehrenfests scherpzinnige bijdragen.
Ehrenfest zelf stond in eerste instantie zeer kritisch tegenover Einsteins relativiteitstheorie. Maar, zoals de Duitse fysicus Max Born aan Ehrenfest schreef, Einstein was zelf voor een belangrijk deel mede debet aan het feit dat zijn geniale idee bijna door wiskundige en fysische onduidelijkheden werd verduisterd. Born hoopte ondanks Ehrenfests scepsis tegenover het relativiteitsprincipe dat hij in Ehrenfest ‘einen tapferen Bundesgenossen gewonnen zu haben im Kampfe gegen die Verworrenheit der Begriffe und die Unverfrorenheit der Hypothesen, die sich jetzt in der Physik bereit machen’.
De Ehrenfestparadox werd overigens door Einstein zelf als hoogst problematisch gezien. De realisatie dat een waarnemer op de schijf de waargenomen effecten kan toeschrijven aan de schijnbare aanwezigheid van een gravitatieveld, zette Einstein op het spoor van de algemene relativiteitstheorie. De Ehrenfestparadox vormde zo een cruciale ‘missing link’ in Einsteins ontwikkeling van de algemene relativiteitstheorie.
Ehrenfests reactie op Einstein maakt meteen duidelijk waar Ehrenfests kracht lag, namelijk in het signaleren van onduidelijkheden in bestaande theorieën. Ondertussen had Ehrenfest zich gericht op het schrijven van een omvangrijk overzichtsartikel, waarmee hij voor eens en voor altijd duidelijkheid zou scheppen in het tot dan toe nogal onoverzichtelijke, maar belangrijke werk van zijn leermeester Boltzmann, die in 1906 zelfmoord had gepleegd. Ondanks zijn scherpzinnige artikelen lukte het Ehrenfest niet om in Sint-Petersburg een positie aan de universiteit te krijgen. In Rusland hadden joden en buitenkerkelijken weinig kans op een vaste positie op een universiteit of hogeschool, en bovendien had Ehrenfest zichzelf onmogelijk gemaakt bij het universiteitsbestuur door kritiek te uiten op de wijze waarop examens werden afgenomen. In 1905 was Ehrenfests eerste kind geboren, in juli 1910 volgde een tweede kind, waardoor er meer dan ooit behoefte kwam aan een tweede inkomen.
Ehrenfest ging te rade bij zijn studievriend Hans Hahn, die een professoraat in de wiskunde had gekregen in Czernowitz, in het meest oostelijk gelegen deel van Oostenrijk-Hongarije. Maar deze liet in 1911 weten dat buitenkerkelijken – en joodse afstammelingen – een professoraat wel konden vergeten. Voor een privaatdocentschap bij zijn vriend Gustav Herglotz te Leipzig diende hij in het bezit te zijn van een Duits doctoraat. De theoretisch fysicus Arnold Sommerfeld te München wilde liever zijn eigen leerlingen voor laten gaan bij een vacature voor het privaatdocentschap.
Op 19 januari 1912 vertrok Ehrenfest voor een reis van vier maanden langs de universiteiten van Duitsland, Oostenrijk-Hongarije en Zwitserland. Na bezoeken aan Berlijn en Leipzig ging hij voor een week naar Sommerfeld in München, waarna hij voor enkele dagen afreisde naar Zürich, om daarna door te reizen naar Wenen.
Lorentz vond dat zijn onderwijstaken en organisatorische verplichtingen teveel tijd in beslag namen. Hij verplaatste zijn werkplek naar Haarlem, waar hij al curator van het
Desgevraagd liet Sommerfeld aan Lorentz weten wat hij van Ehrenfest als docent vond: ‘Er trägt meisterhaft vor’. Ehrenfest was gevat, en maakte de wiskunde aanschouwelijk in pakkende beelden. En Einstein, zo had Sommerfeld gehoord, wil hem in Praag als zijn opvolger.
In zijn oratie aan de Leidse universiteit sprak Ehrenfest niet over de opkomende quantumtheorie, maar over de theorieën van Lorentz en Einstein. De verschillen tussen de theorieën van Einstein en Lorentz werden nog maar net erkend, en Einstein was inmiddels hard bezig om de theorie uit te breiden van inertiaalstelsels naar stelsels met versnelde bewegingen. Ehrenfest had het relativiteitsprincipe inmiddels omarmd.
Het pleit was echter nog niet helemaal beslecht. Planck, Lorentz en Poincaré bleven kritisch ten opzichte van de speciale relativiteitstheorie. Ehrenfests vriend Walter Ritz had in de jaren 1908–1909 als alternatief voor de relativiteitstheorie een emissietheorie van het licht ontwikkeld. Hij verving daartoe de ether en Maxwells elektromagnetische velden door fictieve deeltjes die met de lichtsnelheid werden uitgezonden door elektrische ladingdragers. Ritz stierf echter in 1909. Ehrenfest schreef in 1912 een samenvattend artikel over de moeilijkheden die volgens Ritz optraden in de relativiteitstheorie.
In dat jaar werden emissietheorieën als die van Ritz gezien als serieus alternatief voor Einsteins theorie. De enige manier om het pleit te beslechten was een experimentele toetsing, maar niemand wist hoe dat zou kunnen. Einstein maakte zich behoorlijk druk over de rivaliserende emissietheorie, zoals kan worden opgemaakt uit verscheidene brieven die tussen Ehrenfest en Einstein over en weer gingen. Onderwerp was het vinden van een methode om voor eens en voor altijd duidelijk te kunnen laten zien welke theorie de juiste was.
In zijn oratie stelde Ehrenfest dat, wanneer een waarnemer de snelheid van licht afkomstig van een ten opzichte van de waarnemer rustende lichtbron A en een bewegende lichtbron B vergeleek, de theorie van Einstein en Lorentz voorspelde dat in beide situaties de gemeten lichtsnelheid gelijk was. Ritz’ theorie echter voorspelde een verschil in snelheid overeenkomend met het snelheidsverschil tussen A en B. Deze beslissende meting was echter nog nooit uitgevoerd, zo zei Ehrenfest, ‘weil es eine Messgenauigkeit erfordert, die wir mit unseren gegenwärtigen Hülfsmitteln weitaus noch nicht erreichen können’.
Het is mogelijk dat Ehrenfest hierover nog met de Leidse hoogleraar sterrenkunde Willem de Sitter heeft gesproken; in ieder geval kwam De Sitter door Ehrenfests oratie op het idee om een beslissend experiment uit te voeren.
De oratie van Ehrenfest zette meteen de toon en de komende jaren zou Leiden uitgroeien tot een belangrijk knooppunt voor de theoretische natuurkunde. Ehrenfest spande zich in om de allernieuwste ontwikkelingen naar Leiden te brengen. Daarnaast hervormde hij het onderwijs grondig. Hij stichtte de ‘Leeszaal Bosscha’ die al snel uitgroeide tot een werk- en ontmoetingsplaats voor alle fysici. Ehrenfest kwam vaak op de leeszaal langs, en studenten met vragen en problemen vonden vrijwel altijd een luisterend oor bij hem. Wanneer zijn fiets tegen de gevel van het lab was geparkeerd wisten de studenten dat ze de hoogleraar in het gebouw konden treffen voor een onderonsje.
Bij Ehrenfest stonden colleges nooit op de tweede plaats; voor hem waren ze onlosmakelijk verbonden met het wetenschappelijke bedrijf. In Ehrenfests colleges passeerden de allernieuwste ontwikkelingen de revue (
Paul Ehrenfest geeft college, circa 1925. (Archief T.P. van Aardenne, Noord-Hollands Archief, Haarlem)
Het colloquium was een andere door Ehrenfest ingestelde noviteit. Ehrenfest begon binnen enkele weken na zijn aankomst in Leiden al met het organiseren van het colloquium. Het vond aanvankelijk plaats bij hem thuis, maar werd later vanwege groeiende studentenaantallen verplaatst naar het natuurkundig laboratorium. Iedere woensdagavond, van half acht tot ongeveer tien uur, gaven studenten voordrachten over recent verschenen publicaties of eigen werk waar men mee bezig was. Daarna werd de discussie geopend. Ook de jongere studenten werden aangemoedigd om vragen te stellen en deel te nemen aan de discussies, iets dat buiten Ehrenfests colloquium niet overal gebruikelijk was (
Paul Ehrenfest te midden van zijn studenten, circa 1925. (Archief T.P. van Aardenne, Noord-Hollands Archief, Haarlem)
Ehrenfest hechtte aan informaliteit, want dat stimuleerde de productiviteit van de discussie: ‘Die physikalischen Pickniks sind viel fruchtbarer als die physikalischen Predigten!’
De internationale top van de fysica en ook vele jonge, aanstormende talenten bezochten Ehrenfest en zijn colloquium om hun ideeën uit te proberen en aan te scherpen. Leiden werd zo een snelkookpan voor de nieuwste inzichten, waar Ehrenfest en zijn studenten fungeerden als lakmoesproef voor nieuw ontwikkelde inzichten. Ehrenfest maakte school en zijn vele getalenteerde leerlingen hadden bloeiende wetenschappelijke carrières in binnen- en buitenland.
In de jaren die volgden vormde Ehrenfest samen met Lorentz een welkom klankbord voor Einsteins ideeën over de in ontwikkeling zijnde algemene relativiteitstheorie. Vanaf 1912 correspondeerde Ehrenfest veelvuldig met Einstein over diens werk. Ehrenfest fungeerde daarbij als sparringpartner en als contactpersoon. Einstein stuurde Ehrenfest steeds de drukproeven van zijn artikelen. Ook vroeg hij of Ehrenfest deze kon doorsturen naar Max Abraham, een andere expert in de relativiteitstheorie, en verzocht hij ze tevens te laten zien aan Lorentz, De Sitter en de Finse fysicus Gunnar Nordström.
Einstein publiceerde in 1913 een eerste versie van zijn gegeneraliseerde theorie.
In 1916 kwam Nordström naar Leiden, en bleef daar tot hij in 1918 tot hoogleraar te Helsinki werd benoemd.
De eerste jaren in Leiden ontwikkelde Ehrenfest zijn ‘adiabatische hypothese’, een formeel principe dat een mogelijke ingang leek tot een dieper inzicht in het hoe en waarom van de raadselachtige quantumcondities. Ehrenfests adiabatische hypothese werd in eerste instantie lauw onthaald. Positieve reacties kreeg Ehrenfest wel van Einstein, die in 1914 als eerste na Ehrenfest zijn adiabatische principe gebruikte.
Einstein broedde sindsdien op een tegenbezoek: ‘Ich habe immer Lust, einmal bei Euch aufzutauchen’.
Ich sende Dir auch eine unkorrigierte Korrektur meiner zusammenfassenden arbeit über die Gravitation; schreib mir gelegentlich eine offene Kritik über diese Darstellung des gegenstandes! Ich wollte eine verständliche Einführung schreiben, weiss aber nicht, ob dies gelungen ist.
Na het verwerken van één van Ehrenfests vele kritieken antwoordde Einstein:
Lieber Ehrenfest! Heute endlich sollst Du mit mir zufrieden sein. Ich freue mich sehr über das grosse Interesse, das Du der Sache widmest. ... Du wirst nun wohl keine Schwierigkeit mehr finden.
In de herfst van 1916 kwam Einstein daadwerkelijk naar Leiden.
Maar ondertussen werkte De Sitter ook aan kritische besprekingen van Einsteins werk.
De Eerste Wereldoorlog bemoeilijkte ook de verhoudingen tussen landen op wetenschappelijk niveau. Veel Duitse intellectuelen tekende de zogenaamde
Alhoewel Einstein zich in eerste instantie thuis voelde in Berlijn, en hij zijn collega’s daar ook in de moeilijke tijden steunde, werd zijn reputatie als dissident alleen maar sterker. Na de oorlog laaiden de anti-Joodse gevoelens in de wankele Weimar-republiek steeds meer op. Zijn relativiteitstheorieën werden door enkele fysici bestempeld als ‘Joods bedrog’, waarbij zijn status als beroemdheid ook nog de nodige afgunst opriep. Daarmee werden de anti-Joodse gevoelens vermengd met gevoelens van weerstand jegens de nieuwe fysica, vooral onder oudere fysici, die Einsteins theorieën zagen als niets anders dan gegoochel met klokken en meetlatten.
Een combinatie van antisemitische en antirelativistische krachten kwam tot ontlading op een bijeenkomst die Paul Weyland op 24 augustus 1920 had georganiseerd in de zaal van de Berliner Philharmoniker. In aanwezigheid van Einstein haalden Weyland en de fysicus Ernst Gehrcke de relativiteitstheorie door het slijk. Einstein werd beschuldigd van plagiaat, sensatiezucht en wetenschappelijk dadaïsme. In de zaal werden emblemen met hakenkruizen en antisemitische literatuur verkocht. Op 27 augustus reageerde Einstein met een open brief in het
Ehrenfest was al in 1919 begonnen met een lobby om Einstein naar Leiden te krijgen. Niet alleen de versterkte samenwerking en het prestige voor Leiden speelden hierbij een rol, maar zeker ook Ehrenfests zelfkritiek en zijn eigen onzekerheid op het gebied van de wetenschap. Voor de toch al onzekere Ehrenfest bleek het opvolgen van de grote Lorentz een onmogelijke opdracht. Zelfs Einstein bekende huiverig te zijn geweest Lorentz op te volgen: ‘Als mich Lorentz damals rief, empfand ich ein unleugbares Gruseln!’
Zooals U weet drijft mij steeds
Het leek Ehrenfest mogelijk Einstein naar Leiden te krijgen, omdat hij had gehoord dat Einstein in Berlijn onvoldoende inkomsten had om zijn kinderen te kunnen onderhouden. Toen Ehrenfest polste of Einstein hoogleraar te Leiden wilde worden, wees Einstein dit idee van de hand – hij wilde zijn Berlijnse vakgenoten in de nasleep van de oorlog trouw blijven.
Leiden profiteerde van de nabijheid van Einstein door diens contacten met Ehrenfest, maar zeker ook door diens fysieke aanwezigheid. Einstein kwam geregeld voor enkele dagen of zelfs weken naar Leiden.
Albert Einstein bij Paul Ehrenfest thuis met Paul junior op schoot. (Museum Boerhaave, Leiden)
Fragment van de handtekeningenmuur in het huis van Paul Ehrenfest en zijn vrouw Tatiana Afanassjewa aan de Witte Rozenstraat te Leiden. Onder de namen bevinden zich 15 Nobelprijswinnaars. In dit gedeelte heeft Einstein in de jaren 1923 en 1924 zijn handtekening vier maal geplaatst. (Foto Museum Boerhaave, Leiden)
Na afloop vatte Ehrenfest de discussie en vaak de hele voordracht samen. Het verhaal gaat dat Einstein een keer op het colloquium een verhandeling hield over de relativiteitstheorie. Het werd Ehrenfest duidelijk dat de toehoorders het niet goed hadden begrepen, en dus vroeg hij of hij het mocht proberen uit te leggen. Einstein had daar niets op tegen en nam plaats tussen de toehoorders. Na afloop van Ehrenfests betoog merkte Einstein op dat hij het nu eindelijk ook zelf had begrepen.
Ook op andere manieren profiteerde de Nederlandse natuurkunde van Ehrenfests contacten met Einstein. De directeur van het Philips NatLab, Gilles Holst, had in 1920 Ehrenfest in de arm genomen om een reeks lezingen over de nieuwste ontwikkelingen in de natuurkunde te houden. Al snel werd ook Einstein gestrikt om een voordracht voor de NatLab-fysici te geven.
Naast hun discussies en werk aan de algemene relativiteitstheorie, hadden Ehrenfest en Einstein een scherp oog voor de stormachtige ontwikkelingen binnen de quantumtheorie. Die theorie was op klassiek natuurkundige leest geschoeid, aangevuld met een opeenstapeling van allerhande
Maar er werd te vroeg gejuicht. In 1922 wezen Einstein en Ehrenfest in een gezamenlijk artikel op een aantal fundamentele moeilijkheden waarmee het Stern-Gerlach-experiment kampte.
Technische problemen die de spin in eerste instantie leek te hebben werden met behulp van onder meer Bohr en Einstein uit de weg geruimd.
Maar de quantumtheorie kende meer problemen. Onder meer was het onduidelijk hoe de statistische fysica een plaats kon vinden binnen de quantumtheorie. Niet geheel toevallig werd dit onderwerp aangezwengeld door Ehrenfest, die tegenstrijdigheden wist op te sporen die grote consequenties bleken te hebben voor de ontwikkeling van de quantumstatistiek.
In 1914 publiceerde Ehrenfest samen met Kamerlingh Onnes een simpele en inzichtelijke afleiding voor de distributiewet van Planck.
De zaak raakte in een stroomversnelling toen in 1924 de Indiase fysicus Satyendra Nath Bose een artikel opstuurde naar Einstein. Het was Bose wel gelukt om met behulp van Einsteins lichtquanta de stralingsverdeling van Planck af te leiden. Bose had hierbij gebruik gemaakt van een nieuw soort statistische aanpak. De aanpak was zeker elegant – maar al snel kreeg Einstein van Ehrenfest te horen dat de statistiek van Bose-Einstein de fotonen als statistisch afhankelijk beschouwde. Fotonen hadden hiermee net als bij Plancks oorspronkelijke quantumhypothese hun individualiteit verloren – en dat bleef in strijd met de klassieke statistische fysica.
Einstein liet zich niet zo snel uit het veld slaan. Hij zag in de Bose-statistiek een nieuwe steun voor zijn lichtquantum-hypothese. Bovendien generaliseerde hij de Bose-Einstein-statistiek en paste deze toe op een ideaal gas.
Tegelijkertijd werd hiermee door Einstein een merkwaardig fenomeen voorspeld. Wanneer een groep deeltjes wordt afgekoeld beneden een (extreem lage) kritische temperatuur zullen ze abrupt in de grondtoestand terechtkomen en zich allemaal als een enkele entiteit gaan gedragen, een verschijnsel dat in latere jaren Bose-Einstein-condensatie zou worden genoemd.
De quantumstatistiek was iets heel anders dan de klassieke statistiek waaraan de natuurkundigen gewend waren. In Göttingen had Born grote moeite om Einsteins radicale werk betreffende het quantumgas te begrijpen. Gelukkig, zo merkte Born op in een brief aan Einstein, kwam Ehrenfest naar Göttingen om de Bose-statistiek uit te leggen.
In 1925 en de jaren daarna volgden de ontwikkelingen in de theoretische fysica zich in hoog tempo op. Werner Heisenberg en Erwin Schrödinger ontwikkelden de matrixmechanica en de golfmechanica, in 1927 publiceerde Heisenberg zijn onzekerheidsrelatie. In die tijd worstelde Ehrenfest, en met hem veel andere oudere fysici, met de voortrazende quantummechanica. Een jongere generatie fysici publiceerde in een buitengewoon hoog tempo nieuwe en wiskundig complexe artikelen. De oudere generatie fysici was deze stijl van natuurkunde bedrijven niet gewend. Ehrenfest, Einstein en anderen van dezelfde generatie overdachten de materie graag eerst grondig, en gebruikten het liefst zo weinig mogelijk wiskunde. De jongere generatie publiceerde wekelijks nieuwe artikelen, waarbij allerhande problemen ogenblikkelijk werden aangepakt met nieuwe, wiskundig virtuoze technieken. In een brief aan Einstein klaagde Ehrenfest over indigestie ten gevolge van het ‘unendlicher Heisenberg-Born-Dirac-Schrödinger Wurstmachinen-Physik-Betrieb’.
De nieuwe quantummechanica was bovendien zeer abstract en leek geen enkele verbintenis meer te hebben met de klassieke natuurkunde, waarmee het voor fysici als Ehrenfest en Einstein moeilijk werd om de theorie in beelden te vatten. Ehrenfest schreef vertwijfeld zijn vragen over de nieuwe quantummechanica op, in de hoop hier antwoord op te krijgen. Onder andere stelde hij vraagtekens bij de golftheorie van Schrödinger:
Wir sollten uns immer wieder daran erinnern, eine wie
Einstein was via Ehrenfest in aanraking gekomen met Bohr, en Ehrenfest, Bohr en Einstein waren met elkaar bevriend geraakt. Eind jaren twintig ontspon zich echter een natuurkundig debat tussen Bohr en Einstein, waarbij Ehrenfest, de centrale figuur in het driemanschap, zich steeds ongemakkelijker voelde.
Op het Solvaycongres van 1927 gingen Einstein en Bohr voor het eerst publiekelijk met elkaar in discussie over de quantumtheorie.
Volgens Ehrenfest kwam Einsteins afwijzing van Bohrs denkbeelden overeen met de rigide opstelling van de tegenstanders van de relativiteitstheorie. Maar ook al kon en wilde hij Einstein niet volgen in diens standpunten, de onenigheid tussen Bohr en Einstein bracht hem danig van zijn stuk. Ehrenfest gaf aan niet te kunnen rusten tot zijn twee oude vrienden het met elkaar eens konden worden.
Op het volgende Solvaycongres in oktober 1930 kwam Einstein met een ander idee. Hij maakte hiervoor gebruik van een ‘fotondoos’. Het gedachte-experiment gaat als volgt in zijn werk. Een doos gevuld met straling wordt gewogen. De doos is voorzien van een klein gat, dat door een sluitermechanisme, aangesloten op een klok, kan worden geopend en gesloten. Op een bepaald tijdstip wordt de sluiter voor zo’n korte periode geopend, dat slechts één foton kan ontsnappen. De doos wordt wederom gewogen, waardoor zowel het ontsnappingstijdstip als de energie van het foton kunnen worden bepaald. Dat was in tegenspraak met Heisenbergs onzekerheidsrelatie.
De volgende ochtend pareerde Bohr het tegenargument van Einstein, en wel met Einsteins eigen algemene relativiteitstheorie. Door het ontsnappende foton zal de doos op de weegschaal iets omhoog bewegen, waarbij de klok in de doos anders gaat lopen. Volgens het equivalentieprincipe oefent het zwaartekrachtsveld invloed uit op de gang van een klok en dus is kennis van de exacte positie van de klok in het zwaartekrachtsveld nodig voor een exacte tijdsbepaling. Door de onzekerheid in de verplaatsing van de doos treedt een corresponderende onzekerheid in de tijdsmeting op, volledig in overeenstemming met Heisenbergs onzekerheidsrelatie.
Einstein bleef over de fotondoos nadenken en kwam tot de conclusie dat Bohrs argument kon worden vermeden door een systeem te bedenken waarin alleen sprake was van horizontale beweging.
Volgens Einstein was de uitkomst van dit gedachte-experiment dat het foton te allen tijde een welbepaalde positie en energie moest hebben, in tegenstelling tot wat de quantummechanica ons vertelt.
Het kwam er echter niet van; Bohr was te druk. Einstein kwam wel naar Leiden, en sprak op het colloquium over een nieuw gedachte-experiment. Ehrenfests kritiek had Einstein doen besluiten af te stappen van zijn fotondoos, en over te gaan op een situatie waarbij twee deeltjes met elkaar een interactie aangingen. Ehrenfest trof Einstein in Rotterdam, waar Einstein per boot aankwam na een reis naar de Verenigde Staten. Een dag later schreef Einstein aan Ehrenfest over een nieuwe versie van het experiment: ‘Lieber Ehrenfest! Du hast mich gestern drauf gestupft, das ‘Kasten-experiment’ so abzuändern, dass es dem Wellen-Theoretiker weniger fernliegende Begriffe verwendet’.
Einstein kwam zo op een van de uitgangspunten van zijn beroemde paradox, die hij in 1935 samen met Boris Podolski en Nathan Rosen publiceerde: de Einstein-Podolski-Rosen- of EPR-paradox. Volgens de auteurs is de quantummechanica geen complete theorie, en dat probeerden ze te laten zien met behulp van een aangepaste versie van Einsteins eerdere gedachte-experiment.
Inmiddels bevond niet alleen de theoretische fysica zich in een staat van verwarring. De antirelativistische tegenkrachten die Einstein in 1920 van antisemitische tegenstanders ervoer waren nog maar het begin. In de jaren twintig was de situatie in Duitsland allengs grimmiger geworden. Toen op 24 juni 1922 Walther Rathenau – de Joodse minister van buitenlandse zaken en goede vriend van Einstein – werd vermoord, ontving ook Einstein doodsbedreigingen. Hij vertrok voor een reis naar Japan en in november 1923, ten tijde van de mislukte putsch in München door Adolf Hitler en Erich Ludendorff, vluchtte hij naar Leiden.
De echte problemen begonnen toen op 30 januari 1933 Hitler tot kanselier werd benoemd. Na de Rijksdagbrand op 27 februari 1933 werd zonder veel problemen op 23 maart de machtigingswet aangenomen waardoor Hitler de bevoegdheid kreeg om wetten met een enkele handtekening door te voeren. Op 31 maart 1933 werden alle Joodse rechters ontslagen. Op 7 april 1933 werd de
Einstein – op bezoek in Amerika ten tijde van Hitlers machtsovername – besloot niet terug te keren naar Duitsland. Hij keerde wel terug naar Europa. Tijdens de overtocht hoorde hij dat zijn zomerverblijf in Caputh door de Nazi’s was geplunderd, onder het voorwendsel dat de communisten het als bergplaats voor wapens gebruikten. Nadat Einstein in België was aangekomen leverde hij bij het Duitse consulaat in Brussel zijn Duitse paspoort in en verklaarde dat hij het Duitse staatsburgerschap opgaf. Hij vestigde zich tijdelijk in België, en beëindigde zijn lidmaatschap van de Preussische Akademie der Wissenschaften.
Nu de weg naar Duitse tijdschriften voor hem was afgesloten, stuurde Einstein voorlopig zijn wetenschappelijke artikelen vanuit België op naar Ehrenfest, ter plaatsing in de
Ehrenfest had het zelf ondertussen moeilijker dan ooit. Zijn moeite de laatste ontwikkelingen te kunnen bijhouden, gecombineerd met de situatie in Duitsland en de vele hulpverzoeken die hij uit Duitsland ontving van ontslagen wetenschappers, gevoegd bij zijn geld- en huwelijksproblemen, maakten zijn periodieke depressies nog heviger en langduriger.
Einstein was volledig op de hoogte van de depressieve periodes van Ehrenfest, maar zag dat het nu wel heel slecht ging met zijn vriend. Al bijna een jaar eerder, in augustus 1932, had Einstein een brandbrief geschreven aan de secretaris van het curatorium van de Leidse universiteit. Hij maakte duidelijk dat Ehrenfest depressief was en zou spelen met de gedachte aan zelfmoord. Einstein pleitte voor de aanstelling van een tweede hoogleraar in de theoretische fysica om Ehrenfest te ontlasten, in ieder geval voor zolang de chaotische ontwikkeling binnen de theoretische fysica voortduurde.
Na Ehrenfests dood vertrok Einstein in oktober 1933 voorgoed naar Amerika. Daar schreef hij een gevoelig in memoriam voor de
Einstein heeft zijn sporen nagelaten in Leiden; letterlijk door zijn handtekening op de muur van de logeerkamer in Ehrenfests huis, waar hij vele malen te gast was, maar zeker ook door zijn invloed op de ontwikkelingen in de fysica te Leiden. Ehrenfest en Einstein hebben beiden in de fysica hun invloed doen gelden, waarbij de erfenis van Einsteins ideeën natuurlijk het meest zichtbaar is. Maar beiden hebben een belangrijke rol gespeeld in de stormachtige ontwikkelingen die aan de geboorte van de quantummechanica vooraf gingen. Einstein had met zijn relativiteitstheorieën en lichtquantumhypothese bijgedragen aan een revolutie in de natuurkunde. Ehrenfest richtte zich dikwijls op het bekritiseren en verhelderen van het werk van anderen. Dat resulteerde dan wel niet in spectaculaire ontdekkingen, maar Ehrenfests kritische exposés zorgden er wel voor dat keer op keer problematische aspecten van theorieën en ideeën aan het licht kwamen. Ook tijdens de vele discussies die hij met fysici had, speelde Ehrenfest vaak een belangrijke rol in het signaleren van zwakheden, onduidelijkheden en tegenspraken in andermans werk. Hij was een belangrijke sparringpartner voor andere fysici, niet in de laatste plaats voor zijn vriend Einstein, en hij zweepte anderen op tot grote prestaties. Hij behoorde tot de selecte groep fysici die steevast werd uitgenodigd op de Solvaycongressen, en behoorde dus wel degelijk tot de top van zijn vakgebied. Ehrenfest had gedurende deze periode een niet te onderschatten rol binnen de fysische gemeenschap. Hij werd geprezen voor zijn rol als criticus en katalysator, wist talloze fysici te prikkelen en inspireren, bouwde Leiden uit tot een internationaal toonaangevend centrum, leverde een schaar aan succesvolle leerlingen af en bewees van onschatbare waarde te zijn in de tijd dat de fysica een lastig en verwarrend pad was ingeslagen. Voor Einstein was hij een belangrijke vriend en inspirator die hem het vuur voortdurend na aan de schenen legde. Bovendien speelde Ehrenfests kritische grondhouding een belangrijke rol in het helder krijgen van Einsteins ideeën bij anderen. Zo gezien is Ehrenfests rol in het onderzoek veel groter dan je enkel op grond van alleen zijn publicaties zou verwachten. Het voorbeeld van Ehrenfest illustreert een belangrijk gegeven, namelijk dat veel nieuwe wetenschappelijke resultaten veeleer het gevolg zijn van een collectieve dan een individuele inspanning. De eer gaat echter volledig naar degene die het publiceert.
Ehrenfest zelf schiep veel genoegen in het verder helpen van anderen, maar vond het tegelijkertijd niet te verkroppen dat hij zelf niet in staat was tot veel vernieuwende bijdragen aan de natuurkunde. Einstein was zijn vriend dankbaar voor de belangrijke rol die hij speelde, maar zoals hij treffend beschreef: ‘Litt er doch unablässig darunter dass sein kritisches Denkvermögen seine konstruktive Fähigkeit überragte; der kritische Sinn beraubte ihn sozusagen der Liebe zu den Kindern des eigenen Geistes, bevor sie geboren wurden’.
Dit artikel leunt voor een belangrijk deel op mijn proefschrift: M.J. Hollestelle,
Albert Einstein, ‘Nachruf Paul Ehrenfest’,
Zie hierover: D. van Delft,
De onderstaande beschrijving van de jaren tot 1912 leunt sterk op: Klein,
Klein,
Ibidem 24–25.
Ibidem 17–32; citaat pagina 34; Huijnen & Kox, ‘Ehrenfest’s Rough Road’ (n. 4) 186–211.
Einstein, ‘Nachruf’ (n. 2) 96.
De volgende paragraaf leunt zwaar op Klein,
M. Abraham, ‘Prinzipien der Dynamik des Elektrons’,
P. Ehrenfest, ‘Gleichförmige Rotation starrer Körper und Relativitätstheorie’,
Vrijwel tegelijkertijd zagen Born en Einstein in dat een roterend star lichaam voor problemen zorgde: M. Born, ‘Über die Definition des starren Körpers in der Kinematik des Relativitätsprincips’,
Born, ‘Über die Definition des starren Körpers’ (n. 12); M. Planck, ‘Gleichförmige Rotation und Lorentz-Kontraktion’,
Zie bijvoorbeeld: G.N. Lewis & R.C. Tolman, ‘The principle of relativity, and non-newtonian mechanics’,
Miller,
Born aan Ehrenfest, 5 juli 1909: APE: Ehrenfest Scientific Correspondence (hierna ESC) 1, sectie 9.
J. Stachel, ‘The rigidly rotating disk as the “missing link” in the history of general relativity’, in: D. Hovard & J. Stachel (eds.),
Huijnen,
Klein,
Ibidem 171–174.
Huijnen,
Klein,
Einstein aan Ehrenfest, 25 april 1912:
Huijnen,
Notulen Faculteitsvergadering 21 november 1911, UB Leiden, AFA FA, inv. nr. 12. Zie ook het artikel van Frits Berends in dit nummer van
Notulen Faculteitsvergadering 12 februari 1912, UB Leiden, AFA FA, inv. nr. 12.
Lorentz aan Ehrenfest, 20 april 1912 : APE ESC 7, sectie 4. Zie ook Berends (n. 25).
H. Kragh,
Sommerfeld aan Lorentz, 24 april 1912: Eckert & Märker,
Klein,
P. Ehrenfest, ‘Zur Frage nach der Entbehrlichkeit des Lichtäthers’,
A. Einstein aan P. Ehrenfest, 25 april 1912; 2 mei 1912; ca. 16 mei 1912:
P. Ehrenfest,
W. de Sitter, ‘A proof of the constancy of the velocity of light’,
Einstein aan Ehrenfest, 28 mei 1913:
Zie bijvoorbeeld: J.G. Fox, ‘Evidence against emission theories’,
R.L. Krans aan Ehrenfest, 25 juli 1930: APE ESC 6, sectie 9.
D.J. Struik,
Klein,
H.B.G. Casimir, ‘Introduction’, in: M.J. Klein,
H.B.G. Casimir,
Struik,
Historisch Documentatiecentrum voor het Nederlands Protestantisme, Archief Geschiedenis van de Natuurkunde en Sterrenkunde aan de VU, collectienummer 532, doos 5, inv. nr. 28: werkstuk over en interview met G.J. Sizoo 1987. Met dank aan Ab Flipse voor de informatie en de verwijzing.
Ehrenfest aan F.W.G. Swann, 20 april 1929: APE ESC 9, sectie 7.
I. Langmuir aan G.N. Lewis, 2 juli 1930. Citaat in: N. Reingold & I.H. Reingold,
Einstein aan Ehrenfest, 25 april 1912:
A. Einstein & M. Grossman, ‘Entwurf einer verallgemeinerten Relativitätstheorie und einer Theorie der Gravitation’,
A.J. Kox, ‘Hendrik Antoon Lorentz, the Ether, and the General Theory of Relativity’,
Zie o.a. hierover: P. Halpern, ‘Nordström, Ehrenfest, and the role of dimensionality in physics’,
A. Einstein & A.D. Fokker, ‘Die Nordströmsche Gravitationstheorie vom Standpunkt des absoluten Differenetialkalküls’,
A. Einstein, ‘Beiträge zur Quantentheorie’,
Zie: Einstein aan Ehrenfest, ca. 7 november 1913; ca. 10 april 1914; 25 mei 1914; 8 juli 1914 en Ehrenfest aan Einstein, 21 mei 1914. Zie respectievelijk:
Klein,
Einstein aan Ehrenfest, 7 november 1913:
Einstein aan Ehrenfest, 4 februari 1917:
Einstein aan Ehrenfest, tweede helft van november 1913:
Einstein aan Ehrenfest, 25 augustus 1916:
Einstein aan Ehrenfest, 29 april 1916:
Einstein aan Ehrenfest, ca. 24 januari 1916:
Einstein aan Ehrenfest, 24 oktober 1916:
W. de Sitter, ‘On Einstein’s theory of gravitation and its astronomical consequences. First paper’,
Zoals: W. de Sitter, ‘On the relativity of rotation in Einstein’s theory’,
Pais,
W. de Sitter, ‘On the relativity of inertia. Remarks concerning Einstein’s latest hypothesis’,
De Sitter, ‘On the relativity of inertia’ (n. 65) 1220.
P. Ehrenfest aan W. de Sitter, 18 april 1917: Sterrewachtarchief Leiden, archief Willem de Sitter, inv.no. 15. Zie: P. Kerszberg,
Ehrenfest aan Einstein, 27 maart 1918:
Einstein aan Ehrenfest, 1 mei 1918:
In Nederland hadden onder andere J.D. van der Waals jr. en G. Heymans bezwaren tegen de relativiteitstheorie: J.D. van der Waals jr., ‘Over de ruimte’,
Einstein aan Ehrenfest, december 1912:
Klein,
Ehrenfest aan Lorentz, 8 september 1919: APE ESC 7, sectie 7.
Lorentz aan Ehrenfest, 22 september 1919: APE ESC 7, sectie 7.
Lorentz aan Ehrenfest, 23 september 1919: Ibidem.
Ehrenfest aan Lorentz, 25 september 1919: Noord-Hollands Archief, archief Lorentz, inv. nr. 20.
Van Delft, ‘Albert Einstein in Leiden’ (n. 1) 60.
De procedure en verwikkelingen rond Einsteins aanstelling in Leiden zijn uitvoerig onderzocht door Jeroen van Dongen in het kader van zijn werk als associate editor aan de
De vulpen van Einstein wordt nu bewaard in Museum Boerhaave te Leiden.
In 1921, 1922, 1923, 1924, 1925 en 1930. Pais,
Struik,
A. Loria, ‘Einstein and education’, in: A.P. French (red.),
J.P. Korthals Altes, ‘Einstein en Ehrenfest’,
G.E. Uhlenbeck, ‘Reminiscences of Professor Paul Ehrenfest’,
Persoonlijke mededeling van A. Blaauw, 18 september 2008.
K. Boersma,
Zie: D. Coster aan Ehrenfest, 2 juli 1928; Ehrenfest aan A.D. Fokker, 3 juli 1928; Ehrenfest aan D. Coster, 3 juli 1928, APE ESC 2 sectie 10; Ehrenfest aan D. Coster, 13 juli 1928: APE ESC 3, sectie 1; J. Tinbergen aan Ehrenfest, 25 augustus 1931; Jan Tinbergen aan Ehrenfest, 26 september 1931: APE ESC 10, sectie 1; Ehrenfest aan J. Tinbergen, 27 september 1931: Tinbergenarchief UB-EUR, Ordner 2 (1931–1934).
W. Gerlach & O. Stern, ‘Das magnetische Moment des Silberatoms’,
A. Einstein & P. Ehrenfest, ‘Quantentheoretische Bemerkungen zum Experiment von Stern und Gerlach’,
Kragh,
A. Pais,
Pais,
Jammer,
P. Ehrenfest & V. Trkal, ‘Deduction of the dissociation equilibrium from the theory of quanta and a calculation of the chemical constant based on this’,
Mehra & Rechenberg,
A. Einstein, ‘Quantentheorie des einatomigen idealen Gases’,
Mehra & Rechenberg,
In 2005 vond Rowdy Boeyink het manuscript in kamer 364 van het Instituut Lorentz in het Huygens laboratorium te Leiden; R. Boeyink,
M. Born aan A. Einstein, 15 juli 1925: M. Born,
Mehra & Rechenberg,
Ibidem, vol. 4, 278.
Ehrenfest aan R.E. Peierls, 31 oktober 1932: ESC 8, sectie 7; Zie ook: Ehrenfest aan E. Schrödinger, 28 september 1932: APE ESC 9, sectie 4.
Ehrenfest aan Bohr, 25 februari 1931: APE ESC 1, sectie 8.
P. Ehrenfest, ‘Einige die Quantenmechanik betreffende Erkundigungsfragen’,
Ehrenfest aan Goudsmit, Uhlenbeck en Dieke, 3 november 1927: J. Kalckar,
Mehra & Rechenberg,
N. Bohr, ‘Discussion with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics’, in: Kalckar,
Ehrenfest aan Goudsmit, Uhlenbeck en Dieke, 3 november 1927: Kalckar,
Bohr, ‘Discussion’ (n. 110) 218.
Pais,
Hoewel het erop leek dat Einstein zijn voorbeeld tegen de onzekerheidsrelatie had uitgedacht, had hij tegen Ehrenfest verteld dat hij allang de onzekerheidsrelatie accepteerde, maar dat hij zijn pijlen richtte op de compleetheid van de quantquantumechanica. Zie: Ehrenfest aan Bohr, 9 juli 1931: APE ESC 1, sectie 8.
Pais,
Jammer, ‘The EPR Problem’ (n. 109) 133.
A. Einstein, R.C. Tolman, B. Podolski, ‘Knowledge of Past and Future in Quantum Mechanics’,
Jammer, ‘The EPR Problem’(n. 109) 133–134.
Ehrenfest aan Bohr, 9 juli 1931: APE ESC 1, sectie 8.
Ehrenfest aan Bohr, 15 november 1931: APE ESC 1, sectie 8.
Einstein aan Ehrenfest, 5 april 1932. Geciteerd in: Jammer, ‘The EPR Problem’ (n. 109) 136.
J.L. Heilbron,
K. Hentschel (red.),
S. Gerstengarbe, ‘Die erste Entlassungswelle von Hochschullehrern deutscher Hochschulen aufgrund des Gesetzes zur Wiederherstellung des Berufsbeamtentums vom 7.7.1933’,
Isaacson,
Ibidem 405–407.
Arnold Berliner aan Ehrenfest, 25 april 1933: APE ESC 1, sectie 3.
Anoniem, ‘Scientific Events: The Scientific Situation in Germany’ (1933) 528–529; ‘Verklaring aan
Ehrenfest aan Einstein, 22 mei 1933: APE ESC 3, sectie 9.
J. Plesch aan Ehrenfest, 15 juli 1933: APE ESC 8, sectie 8.
Isaacson,
I. Kayser aan Ehrenfest, 17 april 1933: APE ESC 3, sectie 9.
Van Lunteren, ‘Ehrenfest: de Leidse onderzoekschool’ (n. 1). Zie voor de inhoud van Einsteins brief: Ph. Idenburg,
Einstein, ‘Nachruf’ (n. 2) 96.
Pais,
Ibidem 526.
Einstein, ‘Nachruf’ (n. 2) 95.