1879 - 1955
Av Torger Holtsmark
Det 20. århundrets omveltning i verdensbildet, som har fått omfattende virkninger for menneskehetens livsfølelse og samfunnsutvikling, har dype røtter i vesteuropeisk bevissthetshistorie. I motsetning til den kopernikanske revolusjon, som er oppkalt etter en enkelt personlighet, ble denne båret frem av en broket skare av personligheter som ble trukket til hverandre og støtt fra hverandre av sine dypeste intuisjoner, men som også ble virvlet omkring hverandre av tidens politiske malstrøm. Enkelte av dem av tegner seg skarpt i historiens tidsrom, andre er skjult i den bærende understrøm. De var handlingsmennesker, ikke filosofer, og det er symptomatisk: hva gjør jeg som naturforsker. De reflekterte ikke så meget over naturen som de grep inn i den, og de har til felles at i gjerningsøyeblikket kjente de ikke rekkevidden av det de gjorde. Goethes bilde av "Trollmannens lærling" blir derfor ofte trukket frem, ikke minst ved betraktningen av Albert Einsteins liv og verk. I særlig grad ble han sentrum for den offentlige oppmerksomhet. Hans navn fikk likefrem en mytisk klang, og bildet av den spinkle skikkelsen med flagrende hårmanke og et verdensfjernt, smilende, lett ironisk blikk har en mektig utstråling.
Albert Einstein ble født 14. mars 1879 i Ulm i Sør - Tyskland, hvor faren drev en elektroteknisk bedrift. Da denne gikk dårlig flyttet han med familien til München, hvor far og onkel drev i samme bransje. Familien tilhørte det mosaiske trossamfunn, men ble av Einstein selv karakterisert som irreligiøs. Dikting og musikk var en del av hjemmets atmosfære og fra moren arvet gutten et musikalsk anlegg som ble pleiet på fiolin og piano, og musikk ble for Einstein en livslang inspirasjonskilde. Han mintes også fra sin tidlige barndom at faren viste ham et kompass, og at kompassnålens gåtefulle oppførsel gjorde et sterkt og varig inntrykk på ham.
På den katolske skolen talte bibelens beretninger til et religiøst anlegg, og Einstein sier selv at "skjønt jeg var barn av irreligiøse jødiske foreldre, fant jeg tidlig meg selv i dyp religiøsitet". Pubertetsårene betydde en brå intellektuell oppvåkning. En fattig jødisk-russisk student som var familiens ukentlige middagsgjest, gav 12-åringen forskjellige opplysningsskrifter, fra Euklids geometri til Büchners "Kraft und Stoff" som var tidens materialistiske kampskrift. Dermed var han revet ut av bibelens mystiske bilder og hadde en befriende opplevelse av "den store verden som eksisterer uavhengig av mennesket og står foran det som en evig gåte … Halvt bevisst, halvt ubevisst ante jeg at det er mulig å gripe verden tankemessig." Denne triumferende opplevelsen av egen tankekraft førte ham inn i et "fanatisk fritenkeri", men skapte også en bitter følelse av at staten bevisst villeder ungdommen. Fra denne tiden stammer Einsteins karakteristiske skepsis til autoriteter, en skepsis som kunne ta arrogante former. Den skoleånd han lærte å kjenne på Luitpoldgymnasiet i München, etterlot også en livslang aversjon mot visse sider ved den tyske nasjonalkarakter. Da han var 15 år, flyttet familien til Milano (familiens forretningen gikk fortsatt dårlig), mens Albert ble igjen for å fullføre gymnasiet. Men forholdet til skolen var slett, og det er ting som tyder på at han ble utvist på grunn av "dårlig innflytelse på sine medelever". Han sluttet seg til familien og tilbrakte noen lykkelige måneder under inntrykket av Italias kultur.
Med kunnskaper i matematikk og fysikk langt utover gymnasnivå søkte han, 16 år gammel, ETH, den tekniske høyskolen i Zürich, men strøk ved opptagelsesprøven i språk og biologi som han hadde neglisjert. Høyskolens rektor hjalp ham imidlertid til en plass på gymnaset i Aarau i nærheten av Zürich, hvor Einstein opplevde et stimulerende sveitsisk skolemiljø. Han frasa seg nå sitt tyske statsborgerskap og var statløs i fem år før han oppnådde sveitsisk statsborgerskap. Til sin onkel sendte han på samme tid en vitenskapelig avhandling om verdenseteren, et sentralt problem i samtidens fysikk. Etter fornyet prøve ble han opptatt ved ETH i 1897 og begynte et fireårig studium som skulle kvalifisere for læreryrket. Også her gjorde hans noe nonchalante forhold til organisert undervisning seg gjeldende. Han hadde glimrende lærere i matematikk, men faget interesserte ham ikke, og undervisningen i fysikk var for ham ikke moderne nok. Til gjengjeld måtte han etter endt studium se seg forbigått i kampen om de attraktive assistentstillingene.
Da århundret rant ut, var Einstein ferdig kandidat og forlovet og så seg om etter et yrke. Forsøket på å knytte seg til et vitenskapelig miljø strandet, men ved hjelp av personlig kontakter fikk han stilling som privatlærer for en engelsk elev ved en pensjonatskole i Schaffhausen. Gleden ble kort, for man hadde liten forståelse for hans undervisningsformer. Omsider fikk han i 1902 stilling som saksbehandler på laveste trinn ved patentkontoret i Bern, en stilling som han beholdt i syv år som ble avgjørende i hans forskerliv.
Arbeidsdagen besto av rutinemessige patentsaker som gav øvelse i teknisk tankegang og språklig presisjon. Han hadde ingen kontakt med Berns akademiske miljø, men tilbød studenter privatundervisning i fysikk, og av dette oppsto en venneklubb, Olympia Akademi, hvor filosofiske og fysiske spørsmål ble livlig drøftet.
I 1905 avla Einstein prøven for doktorgraden, og samme år leverte han tre avhandlinger som hver for seg har fått avgjørende innflytelse på fysikkens videre utvikling. Den tredje innleder hans hovedverk og blir kalt "den spesielle relativitetsteori". Einstein hadde ventet seg livlige kommentarer, men i første omgang var tausheten total. Det varte mer enn et år før Max Planck sendte et brev med visse spørsmål. Tausheten var ikke bare et uttrykk for at det var ytterst få som hadde kapasitet til å tenke i så abstrakte baner, men også at de som kunne, ofte var mer opptatt av sine egne veier. Men Plancks interesse var ekte, og selv om han til dels var grunnleggende uenig, var det kanskje hans fortjeneste at verket ble satt på dagsordenen og Einstein slynget ut i en bane som skulle føre ham til berømmelsens høyeste tinder. I 1909 ble Einstein professor ved universitetet i Zürich, men allerede året etter flyttet han over til universitetet i Praha, for igjen å vende tilbake til Zürich som professor ved ETH. I 1913 overtok han etter energisk forarbeid av Max Planck ledelsen av fysikkavdelingen ved det prestisjetunge Keiser Wilhelms institutt i Berlin. I alle disse årene arbeidet han videre på sin relativitetsteori og ga den en utvidet form, den generelle som ble publisert i 1916.
Einstein kom etter hvert i en utsatt posisjon. I oktober 1914 samlet 93 tyske vitenskapsmenn seg bak et "Manifest til den siviliserte verden" som i hatske ordelag avviser Tysklands ansvar for krigen og tilbakeviser de internasjonale reaksjoner på tyskernes militære fremferd i Belgia. Sammen med Georg Nicolai fra Universitetet i Berlin forfattet så Einstein et "Manifest til europeere" med oppfordring til internasjonalt samarbeid. På dette fikk de bare to medunderskrifter, den ene fra Berlinobservatoriets 80 årige sjef som allerede hadde undertegnet manifestet for de 93.
Relativitetsteorien ble også etter hvert gjenstand for en opphetet offentlig debatt, idet den av mange ble oppfattet som et program for relativisering av menneskelige verdier overhodet, og det hendte at Einstein måtte tale for 3000 tilhørere. Einsteins erklærte pasifisme og sympatier for sionismen skaffet ham også etter hvert fiender.
Det var en stor triumf for Einstein da en engelsk ekspedisjon til Brasil like etter den første verdenskrig under en solformørkelse kunne påvise at lysstråler som streifer forbi solen, blir avbøyd, og at avbøyningsvinkelen stemmer med Einsteins beregninger. Hendelsen bidro også til å smelte den internasjonale isfront overfor tysk vitenskap.
I 1933 besøkte Einstein Amerika. Jødeforfølgelsen var begynt, og etter besøket tilbrakte han noen uker i Belgia under politibeskyttelse. Herfra anmodet han skriftlig om å bli strøket som medlem av det prøyssiske akademi, etter eget sigende for å spare Max Planck for å måtte ekskludere ham. Brevvekslingen er ikke et lysende kapittel i akademiets historie. Han tok imot et tilbud om en fri stilling ved Princeton University i Amerika, hvor han virket til sin død i 1955.
I denne perioden arbeidet han på en enda mer omfattende form av relativitetsteorien som skulle oppheve den bølge/partikkeldualismen han selv hadde fremmet gjennom sin første avhandling i 1905. I denne forbindelse hadde han en rekke diskusjoner med Niels Bohr om fysikkens grunnlag. Et annet innslag i perioden er brevene til president Roosevelt om en militær utnyttelse av atomkjernens energiformer.
II
I et selvbiografisk essay har Einstein kastet lys over sin indre utvikling som naturforsker. Om sitt førte møte med Euklids geometri, sier han: "Dens lysende klarhet og sikkerhet gjorde et ubeskrivelig inntrykk på meg." Det uroer ham ikke at aksiomene måtte godtas uten bevis, og for ham var geometriens ideelle former like virkelige som de gjenstander man kan "se og ta på". Her fastslår den eldre Einstein at den unge tar feil i sin primitive tro på at sikker erkjennelse av erfaringens gjenstander kan oppnås gjennom den rene tenkning, men han ser også en utviklingsmessig betydning av en slik vidunderlig opplevelse av "at mennesket kan oppnå den grad av sikkerhet og renhet i tenkningen som første gang ble vist av grekerne i geometrien". Einstein ser denne ungdomsopplevelsen som et allmennmenneskelig gjennomgangsstadium "som beror på at de geometriske begrepenes tilknytning til erfaringens gjenstander (strekning, stav osv.) foreligger ubevisst", og han sammenfatter sitt "erkjennelsesteoretisk credo" i disse ordene: "Jeg ser på den ene siden omfanget av sanseopplevelser, på den annen side omfanget av begreper og setninger som er nedlagt i bøkene. Begrepenes og setningenes tilknytninger til hverandre er av rent logisk art, og tenkningens oppgave er strengt begrenset til å frembringe slike innbyrdes tilknytninger ifølge regler som logikken beskjeftiger seg med. Men begrepene og setningene får bare "mening", eller "innhold" idet de knyttes til sanseopplevelser. Denne tilknytningsakten er rent intuitiv, altså ikke selv av logisk art, og det som skiller mellom innholdsløs fantasering og en vitenskapelig "sannhet", er graden av sikkerhet i denne intuitive tilknytningsakten."
Etter et produktivt liv i vitenskapens tjeneste står det altså klart for Einstein at erkjennelsen er en handling, den er noe vi gjør, og opplevelsen av sikkerhet, som jo er en sannhetsopplevelse, beror på at vi vet hva vi gjør. På denne bakgrunn må vi forstå hans karakteristikk av ungdommens geometriopplevelse som "ubevisst", dvs. drømmende i forhold til virkeligheten. For opplevelsen av våkenhet er ikke en logisk slutning, men hviler i erfaringen av at vi kan anvende logikk på vårt bevissthetsinnhold. Sannhets - og våkenhetsopplevelsen er beslektet for så vidt som de er intuitive opplevelser. At verdensbildet er logisk, er derfor en nødvendig, men ikke tilstrekkelig betingelse for at det kan gjelde som sant. Man kan si at en vitenskapelig sannhet beror på tre "riktigheter", nemlig riktige (logiske) begreper, riktige (dvs. presise) erfaringer og en riktig (dvs. intuitiv) forbindelse av begrep og erfaring.
I et foredrag i Oxford (1933) uttalte Einstein seg slik: "Hvis du vil lære noe av en teoretisk fysiker om hans metode, da vil jeg gi deg et råd: Lytt ikke til hans ord, men undersøk hans verk! Forskerens billedlige konstruksjoner er for ham så nødvendige og naturlige at han er tilbøyelig til å betrakte dem - ikke som produkt av tenkningen, men som gitte realiteter". Einstein taler om "den evige antitese mellom de to uatskillelige deler av menneskelig kunnskap: erfaring og tenkning". I lys av denne deler han vitenskapens historie i to avsnitt: "Hellas skapte for første gang det logiske systems mirakel: Euklids geometri, hvor slutningene følger av hverandre med en visshet som ikke etterlater tvil. ….. Men tiden var ikke moden for en virkelighetsnær vitenskap før en annen sannhet var blitt alment anerkjent: Den rent logiske tenkning kan aldri gi oss kunnskaper om erfaringenes verden, all konkret kunnskap om virkeligheten hviler på erfaring. Konklusjoner som er et produkt av rent rasjonale prosesser, er tomme med hensyn til virkelighet."
Einsteins fremstilling klargjør to ting: 1. Einstein innordner seg i den begrepsrealistiske tradisjon som går tilbake til Platon og har vært et bærende element under den vesteuropeiske vitenskaps fremvekst og suksess. 2. Han tar ikke opp det rene erkjennelsesproblem som naturvitenskapens suksess bare kan forsterke, nemlig om grunnen til at virkeligheten må settes sammen av to adskilte elementer, begrep og erfaring. Dette henger sammen med at han beholder den klassiske fysikks naive erfaringsbegrep, og det blir avgjørende for hans diskusjoner med Niels Bohr.
I tråd med Einsteins "credo" kan man si at fysikkens forståelsesformer, dvs. dens begreper, er resultatet av en historisk prosess som går tilbake til det utkast til et vitenskapelig verdensbilde, som den greske periode etterlot seg. Ettersom disse begrepene ble fylt med erfaringsinnhold, ble verdensbildet mer og mer differensiert, og formene måtte tenkes på nytt og på nytt. Ved århundreskiftet var det "full krise" mht. slike begreper som "tid", "rom", "energi" og "atom". Vi vil derfor se på disse begrepenes forhistorie og den vei Einstein og fysikken slo inn på.
Til langt inn i den nyere tid var Euklids geometri det urokkelige grunnlag for forståelsen av romlige størrelsesforhold. I denne geometrien ligger erfaringsproblemet latent i den setning som alltid har foruroliget tenkerne og umulig kan ha unngått Euklids oppmerksomhet, nemlig "parallellaksiomet", som sier at to parallelle linjer ikke skjærer hverandre hvor meget de enn forlenges. Dette er en ikke - kontrollerbar påstand, men uten denne gjelder ikke satsen om vinkelsummen i en trekant, og da raser hele bygningen. Alle forsøk på å utlede Euklids satser uten dette postulatet strandet. I løpet av det 19. århundre begynte man å tenke annerledes. Man innså at ettersom parallelle linjer skjærer hverandre eller går fra hverandre i de uendelige fjerne, blir vinkelsummen i en trekant henholdsvis større eller mindre enn to rette. Dette ble uttrykt ved at rommet har en viss positiv eller negativ "krumning", og størrelsen av en slik krumning, og blir et empirisk, ikke et logisk anliggende. Johann Gauss (1777 - 1855) forsøkte derfor å måle vinkelsummen i trekanter bestemt av fjelltopper i Harzfjellene, og Bernhard Riemann (1826 - 1866) utviklet regnemetoder for krumme rom.
Innenfor fysikken meldte romerfaringen seg fra en annen side. Den klassiske mekanikk forutsetter et absolutt rom som Isaac Newton (1642 - 1727) imidlertid bare kunne bestemme som "Guds sanseorgan", altså ved å gå ut over erfaringen. Newton forutsetter en grunnleggende forskjell mellom to arter av bevegelse, nemlig den jevne, rettlinjede og den akselererte. Den naive erfaring finner dette rimelig, for vi er vant med at i akselererte systemer oppfører tingene seg ureglementert. I en bil som bråbremses, slynges vi forover som om vi fikk et støt. På karusellen må vi holde oss fast for ikke å bli slynget utover, vi blir likesom trukket utover av en "sentrifugalkraft". Hvis vi prøver å gå utover eller innover på karusellen, tumler vi sidelengs som om vi ble dyttet. På tilsvarende måte bevirker jordrotasjonen at skip som seiler sydover eller nordover har en avdrift på tvers av fartsretningen, og at de store russiske elver som renner mot nord, graver seg langsomt østover. Man taler i denne sammenheng om "Corioliskraften". Men Newtons mekanikk kjenner bare krefter som virker fra bestemte legemer på bestemte legemer. Den kjenner ingen kraft som kaster tingene forover i en bremsende bil, heller ingen "corioliskraft" eller "sentrifugalkraft", for det finnes tilsynelatende ikke noe legeme som skyver eller drar i gang disse ureglementerte bevegelsene. Derfor sier Newton at fornemmelsen av de "kreftene" vi nettopp har omtalt, oppstår fordi jeg har treg masse som ikke følger med i underlagets (systemets) forandrede hastighet og bevegelsesretning. I Newtons mekanikk blir de derfor kalt "treghetskrefter" i motsetning til mekaniske krefter, som virker mellom bestemte legemer. Kritikken av dette skillet nådde et høydepunkt ved århundreskiftet gjennom teoretikere som Henri Poincaré (1854 - 1912) og Ernst Mach (1838 - 1916). I sin bok om mekanikkens historie, som Einstein studerte nøye i sine studiedager, illustrerte Mach problemet ved hjelp av et tankeeksperiment som allerede var blitt foreslått av Newton. Hvis man tenker seg all masse fjernet fra universet, bortsett fra en bøtte med vann som roterer omkring sin egen akse, vil da vannet slynges ut av bøtten, eller skyldes virkningen de øvrige masser i verdensrommet? Hva mener man med rotasjon i et tomt univers?
Ved århundreskiftet var problemet om det absolutte rom blitt aktuelt i en måleteknisk sammenheng. Allerede lenge hadde astronomene, blant dem Ole Rømer (1640 - 1710) og James Bradley (1692 - 1762), forsøkt å måle lysets hastighet. Disse målingene forutsatte ingen bestemt teori for lyset, men man målte visse gjentatte retningsvariasjoner og tidsforskyvninger i stjernenes gang over himmelen og tolket dem som uttrykk for at bildet av stjernenes gang over himmelen og tolket dem som uttrykk for at bildet av stjernen er forsinket fordi lyset bruker en viss tid på å nå frem til oss. Annerledes stilte saken seg etter at James Clerk Maxwell (1831 - 1879) i 1873 hadde formulert en elektromagnetisk feltbølgeteori for lyset, hvor dette brer seg gjennom vakuum med en viss hastighet som teorien har et alminnelig uttrykk for. Men teorien sier ikke noe om lysets hastighet i et laboratorium (system) som selv beveger seg gjennom rommet. Maxwell hadde derfor foreslått å måle hastigheten av lyset fra en lyskilde i laboratoriet selv, og i to forskjellige retninger, henholdsvis på langs og tvers i forhold til jordens bevegelsesretning i verdensrommet. Eksperimentet ble utført i 1881 av Albert Michelson (1852 - 1931) og viste at lyset hadde samme hastighet i begge retninger, som om laboratoriet lå stille i rommet, eller "verdenseteren". Et slikt tilsynelatende tilbakefall til det ptolemeiske verdensbilde lot seg ikke uten videre forklare.
Energi. Uttrykket energi stammer fra Aristoteles' lære om de fire årsaker som bestemmer hver enkelt naturprosess. Aristoteles hadde ikke vår dualistiske oppdeling av naturprosessen i årsak og virkning, men prosessen som helhet var bestemt av to i seg selv komplementære årsakspar, nemlig virkning/mål og stoff/form. Den virkende årsak (energeia) driver prosessen frem til et bestemt resultat eller mål (telos), idet et stoff (hylé) får en bestemt form (morphé). I det fjortende århundres mekanikk gjenfinner vi dobbeltbegrepet virkning/mål som legemets "impetus" dvs. legemets iboende bevegelsesimpuls, og i det attende århundres mekanikk, som bygget på Newton, og som handler om materielle legemer som virker på hverandre gjennom krefter, gjenfinner vi dobbeltbegrepet som impuls (kraft ganger tid) og energi (kraft ganger vei).
I løpet av det nittende århundre ble energibegrepet vesentlig utvidet i forskjellige retninger. Som nybagt lege mente Julius Robert Mayer (1814 - 78) å kunne fastslå at i de varme farvann beholdt sjømennenes veneblod en frisk rød farve. Han tok dette som uttrykk for at omgivelsenes varme erstattet blodets varmeproduksjon som grunnlag for kroppens arbeid. Han postulerte at varme er ekvivalent med mekanisk arbeid, altså at energi kan foreligge i forskjellige former. Han formulerte også loven om energiens konstans som sier at energi ikke oppstår eller forsvinner, men går over fra en energiform til en annen. Mayers ideer fikk en enorm betydning for den videre utvikling av fysikk og teknikk.
Ut fra den rasjonelle mekanikk ble energibegrepet fordypet på en måte som kan minne om Aristoteles' lære om virkning og mål. Newtons energibegrep etterlater nemlig en viss vilkårlighet ved bestemmelsen av en dynamisk prosess. Et eksempel: Når et lodd faller fra en viss høyde, oppnår det en viss bevegelsesenergi. Men den samme energien ville det ha oppnådd dersom det hadde falt på skrå. Energimessig er det ingen forskjell på de to fallene. Men en skrå fallbane ville ta lenger tid enn den loddrette. Naturen velger altså den raskeste! Dette var en påminnelse om at Pierre de Fermat (1601 - 66) hadde utledet loven for lysbrytning av at lyset følger den raskeste bane gjennom mediene. I mekanikken innførte man nå begrepet virkning (energi ganger tid) og formulerte loven om den minste virkning. Heinrich Hertz (1857 - 1894), som var den første som påviste elektromagnetiske bølger eksperimentelt, og som døde altfor ung, forsøkte å bygge mekanikken på grunn av dette begrepet. Men energibegrepet ble også tolket på en måte om gikk ut over grensen for den rasjonelle mekanikk . Nobelprisvinneren Wilhelm Oswald (1853 - 1932) som var den første som påviste elektromagnetiske bølger eksperimentelt, og som døde alt for ung, forsøkte å bygge mekanikken på grunnlag av dette begrepet.
Men energibegrepet ble også tolket på en måte som gikk ut over grensene for den rasjonelle mekanikk. Nobelprisvinneren Wilhelm Oswald (1853 - 1932) betraktet energi som et utbredt livsprinsipp.
I året 1900 publiserte Max Planck i "Annalen der Physik" en avhandling som kom til å starte en kjedereaksjon innenfor den teoretiske fysikk. Arbeidet handler om hvordan strålingsenergien fra et glødende legeme er fordelt over strålingens frekvensspektrum. Mange av oss har lagt merke til at med økende glødetemperatur skifter glødefargen fra rødt over rødgult til blendende hvitt. (En erfaren smed bedømmer derfor jernstykkets temperatur ut fra fargen). Man hadde ingen fullstendig forklaring på dette. Planck viste at energifordelingen kunne beskrives ved hjelp av en eiendommelig formel som ville innebære at selve produksjonen av strålingsenergi er kvantisert, og at "energipakkene" er medbestemt av en naturkonstant ("Plancks konstant") som har dimensjon av virkning og kan tolkes som en "minste virkning". Virkningsbegrepet dukker dermed opp i teorien for lyset.
Atombegrepet. Også atombegrepet går tilbake til antikken, hvor forskjellige skoler gav det forskjellig erfaringsinnhold. Ut fra matematiske betraktninger bestemte Platon atomet som et allment symmetri- og strukturprinsipp, mens Demokrit oppfattet atomenes som selvstendige partikler. Det går ingen skarp grense mellom de to oppfatningene, og vi gjenfinner dobbeltheten i vår beskrivelse av de atomære prosesser som bølge og partikkel. I forrige århundres kjemi og fysikk var imidlertid atomet bare en teoretisk størrelse som bl.a. i form av "Avogadros tall" beskriver mengdeforholdene mellom de stoffer som inngår i en kjemisk prosess. Blant de fysikere som avviste atombegrepet, var Ernst Mach som bekjente seg til en strengt positivistisk erkjennelseslære hvor verdensbildet kun består av sanseinntrykk og begrepsmessige forbindelser mellom disse. I og med at atomene ikke kan tillegges slike sansekvaliteter som farge, varme, klang etc. avviste Mach atombegrepet som en innholdsløs konstruksjon.
Det først av Einsteins tre arbeider fra 1905 handlet om den fotoelektriske effekt. Man hadde funnet at visse metalloverflater avgir elektroner når de belyses, men at effekten er avhengig av en kritisk bølgelengde for lyset, og at denne varierer fra ett metall til et annet. Einstein viste at dette kan forklares ved å anta at lyset selv er kvantisert, og at lyskvantenes ("fotonenes") energi er bestemt av lysets frekvens ifølge Plancks formel. Dette går langt ut over Plancks egen fortolkning og aktualiserte striden om lysets partikkel- og eller bølgenatur. Ikke bare Planck var reservert for Einsteins forslag. Men etter 16 år fikk Einstein Nobelprisen for dette arbeidet, som indirekte har fått stor betydning for moderne måleteknikk.
Den andre avhandlingen gikk ut fra varmelærens idé om at molekylene i et fluidum har en kaotisk bevegelse. Einstein viste at fine partikler som svever i væske, dermed blir brakt i en kaotisk bevegelse som han kunne beskrive statistisk. Til hans overraskelse viste det seg at disse bevegelsene allerede var observert ("Brownske bevegelser"). Einsteins arbeid har hatt grunnleggende betydning for utviklingen av statistisk fysikk.
Den tredje avhandlingen innfører Einsteins relativitetsteori i sin første form som blir kalt den "spesielle". Einsteins utgangspunkt var et logisk problem knyttet til den elektromagnetiske bølgebevegelsens hastighet. Allerede i 16 - års alderen hadde han stusset over et tankeeksperiment: Sett at jeg rider på en topp i bølgetoget. Da vil jeg se meg omgitt av et stivnet hav av elektromagnetiske bølgefelter, men noe slikt kjenner teorien ikke til. Einstein innså at Maxwells teori ikke er forenlig med at materielle legemer kan oppnå lysets hastighet, og han postulerte lysets hastighet er den samme i alle "inertialsystemer", dvs. i et hvert laboratorium som beveger seg jevnt og rettlinjet. Postulatet betyr en videreføring og utvidelse av det relativitetsprinsipp som gjelder i Newtons mekanikk. Denne skal nemlig gjelde for alle inertialsystemer, f. eks. i alle tog som står stille eller kjører med jevn hastighet på en rett strekning. I et slikt tog kan jeg derfor heller ikke ved hjelp av mekaniske eksperimenter avgjøre om det beveger seg eller står stille. Einsteins postulat utvider dette relativitetsprinsippet til å gjelde fysikkens naturlover overhodet. Lysets hastighet i vakuum, slik den fremkommer i Maxwells ligninger, blir dermed en naturkonstant på linje med gravitasjonskonstanten.
Dette har to vidtrekkende konsekvenser. Dersom lyset har samme hastighet i alle laboratorier som beveger seg jevnt og rettlinjet i forhold til hverandre, mister begrepet "samtidighet" sin absolutte karakter og blir reformulert til en måleteknisk definisjon: To lysblink som defineres som samtidige i ett av de nevnte laboratoriene, er ifølge den samme definisjon ikke samtidige i de andre.
Dertil får begrepet et nytt innhold. I tillegg til at Julius Robert Mayer hadde postulert at varme og arbeid er ekvivalente energiformer, postulerte nå Einstein at masse og elektromagnetisk stråling er ekvivalente energiformer. Dette er innholdet av Einsteins berømte ligning: E = mc2, hvor E er energi, m er masse, c er lyshastigheten, og siden denne er meget stor, er altså massen ekvivalent med en forholdsvis meget stor energi. Siden strålingsenergi er ekvivalent med en forholdsvis meget stor energi. Siden strålingsenergi er ekvivalent med masse, må den også ha en viss treghet. Også lyset har treghet!
Alt dette var klart for Einstein i 1905, men det var også klart for ham at problemet om det absolutte rom var blitt forsterket etter at tidsdimensjonen var blitt relativisert. I tre år stanget patentingeniøren hodet mot dette problemet. Da slo det ham plutselig at i et laboratorium som faller fritt i tyngdefeltet, har legemene ingen tyngde ( en kjent sak i astronautikkens tidsalder), men fortsatt er legemene trege i dette laboratoriet. En klassisk fysiker som bor i dette laboratoriet, vil derfor kunne tro at det beveger seg jevnt og rettlinjet i et område uten noe tyngdefelt. Hvis nå laboratoriet bremses og faller til ro på bakken, vil tingene igjen være tunge, men nå tror fysikeren at hans laboratorium er akselerert. Tankeeksperimentet tyder på at tyngde kan oppfattes som en treghetskraft i et akselerert system. I så fall er skillet mellom treg og tung masse fiktivt, og begrepet inertialsystem får et annet innhold. I et inertialsystem skal partikler som ikke er påvirket av mekaniske krefter, ligge stille eller bevege seg jevnt og rettlinjet. Hvis tyngde skal oppfattes som en treghetskraft på linje med den som opptrer i en bil som bremser, må altså inertialsystemet være et ikke roterende system i fritt fall!
Slike tanker ledet Einstein til en geometrisk beskrivelse av gravitasjon, men konstruksjonen av den nye gravitasjonsteori betydde syv års anstrengende kamp med de innarbeidede, klassiske tenkevaner om tid og rom. På samme måte betydde i sin tid den kopernikanske revolusjon et anstrengende brudd med innarbeidede tenkevaner i tilknytning til den daglige erfaring med solens bevegelser på himmelen.
Et viktig bidrag til relativitetsteoriens matematiske grunnlag kom samtidig (1908) fra Hermann Minkowski (1864 - 1909), som hadde vært Einsteins lærer ved ETH, og som til sin overraskelse hadde konstatert at hans tilsynelatende dovne elev hadde fremmet en revolusjonerende teori. Minkowski døde så altfor tidlig, men rakk å formulere idéen om det firedimensjonale tidsrom. Også den klassiske mekanikk refererer naturens prosesser til et kontinuum av tid og rom, som blir bestemt ved hjelp av tre grunnretninger (basisvektorer) og tiden, som er den samme overalt og derfor er en retningsløs (skalar) størrelse. De tre romkoordinatene er bundet sammen gjennom Pytagoras' sats og er derfor formelt avhengige av hverandre. I Minkowskis tidrom er tiden en fjerde grunnretning. Tids - og romkoordinatene er formelt avhengige hverandre på tilsvarende måte som de tre romkoordinatene i det klassiske rom.
Overhodet merket Einstein nå at hans eget matematiske verktøy ikke strakk til og i Zürich begynte han et nært samarbeid med sin tidligere studiekamerat, Marcel Grossmann, som behersket Riemanns geometri for krumme rom. Dette samarbeidet varte et års tid frem til Einsteins overflytting til Berlin, hvor det endelige gjennombrudd fant sted i oktober 1915. I et brev til Arnold Sommerfelt (1868 - 1951) datert 28. november skriver han: "denne måneden har vært den mest fruktbare". Den generelle relativitetsteori hadde funnet sin form.
Dermed begynner siste kapittel i Einstein hvileløse søken etter en fullstendig teori for universets mekanikk. For nå sto han foran den gapende revne i fysikkens verdensbilde som han selv hadde medvirket til gjennom sin forklaring av den fotoelektriske effekt i 1905. Hvordan kan lyset være både bølge og partikkel? Einstein så for seg et absolutt deterministisk univers, hvor det ikke engang er tale om slike vilkårlige måleenheter som meter, sekund og kilo, men hvor avstander måles med f. eks. elektronets diameter, tiden med den tiden lyset bruker på å tilbakelegge elektronets diameter og masse måles med elektronets masse. Men dermed blir Einstein konfrontert med Niels Bohr (1885 - 1962).
Bohr hadde innsett at vår erkjennelse er betinget av visse helhetlige trekk ved naturens prosesser. Slike helhetlige trekk ytrer seg bl.a. som materiens stabilitet i form av bestemte grunnstoffer, som sølv, gull osv. Den klassiske mekanikk kan ikke begrunne eksistensen av grunnstoffer, for den kjenner bare prosesser som går kontinuerlig over i hverandre. I forhold til mekanikkens fenomener er grunnstoffer, for den kjenner bare prosesser som går kontinuerlig over i hverandre. I forhold til mekanikkens fenomener er grunnstoffet et høyere fenomen som ikke kan utledes av mekanikkens prosesser. Men bare fordi verden har slike helhetstrekk, kan vi løse den opp i "bestanddeler". Vi kunne ikke tenke begreper som "felt", "elektroner", "fotoner" osv. hvis vi ikke kjente høyere fenomener som "gull", "sølv", "lys", "luft", "ild" etc. Mellom helhet og del er det et komplementært forhold som har sin grunn i menneskets erkjennelsesmåte. Det er ikke riktig å si at naturen er "komplementær", men at fysikeren danner seg komplementære erkjennelsesbilder av naturen. Vi må verken forestille oss naturens "helhetlige trekk" som et slags metafysiske vesen omkring oss, eller som rent subjektivt bevissthetsinnhold. De helhetlige trekk er den form naturen antar i menneskets erkjennelse. Bohr står dermed på linje med "erkefysikeren" Aristoteles i dennes avvisning av at idéene eksisterer løsrevet fra tingene.
Dette generelle erkjennelsesprinsipp førte Bohr til en ny forståelse av eksperimentets betydning. Naturen lar seg ikke passivt utspørre. Eksperimentet griper inn i naturen og vekselvirker med den. Derfor må eksperimentets resultater beskrives innenfor et språk som er bestemt av de eksperimentelle betingelser. Bohr oppløser mekanikkens bølge/partikkeldualisme idet han hevder at vi fortsatt beskriver naturen med begrepene fra den klassiske fysikk, men disse har fått et nytt innhold. I beskrivelsen av lyset som en bølgebevegelse betyr bølgehøyden (utslaget) på et bestemt sted sannsynligheten for å kunne påvise lyset som foton på dette stedet.
Bohrs komplementaritetsidé ble i 1927 utdypet gjennom hans elev og medarbeider Werner Heisenberg (1901 - 1976). På denne tiden kunne man ikke forklare sporene etter elektroner i et såkalt tåkekammer. Disse sporene består av kondensert vanndamp på lignende måte som de stripene vi undertiden kan se bak fly i stor høyde. Det ligger nær å tolke dem som elektronets bane, men i den nye mekanikk har begrepet bane bare et statistisk innhold. Hvordan kan det da oppstå et sammenhengende spor? Etter langvarige, anstrengende overveielser kom Heisenberg en dag til å tenke på en uttalelse av Einstein: "Det er teorien som avgjøre hva vi ser", og plutselig gikk det opp for ham at det slett ikke dreier seg om sammenhengende spor, men vanndråper som hver for seg er en virkning av elektronet og avgrenser et område hvor elektronet har virket. Han innså nå at en samtidig og fullstendig bestemmelse av elektronets posisjon og hastighet er umulig. Det må bli igjen en viss usikkerhet, en minste virkning bestemt av Plancks virkningskvantum.
Det er klart at når enkeltprosessene er underordnet en helhet, mister det deterministiske prinsipp sin førende stilling, og selv om Einstein var meget imponert av Bohrs løsning på bølgepartikkeldualisme og omtalte den som uttrykk for den høyeste musikalitet på tenkningens område, kunne han ikke forlike seg med den. Han kunne ikke akseptere en beskrivelse av virkeligheten på grunnlag av statistisk sannsynlighet, for "Gud spiller ikke med terninger". Uenigheten ble utdypet i en rekke møter hvor Einstein forela snedige tankeeksperimenter som skulle vise at en absolutt beskrivelse av virkeligheten er mulig. Alle forsøkene brøt sammen overfor Bohrs analyser, men til siste stund arbeidet Einstein på relativitetsteoriens fullendelse i form av en enhetlig feltteori. Han sa en gang: "I det minste har jeg funnet ni og nitti veier som ikke førte frem."
Man kan si at ved inngangen til det 20. århundre sto fysikken ved tre erkjennelsesgrenser som egentlig var fordommer. Den første var troen på et absolutt tidsrom. Den annen var troen å en absolutt materie, og foran denne grensen nølte Planck. Den tredje var troen på en absolutt erfaring. Foran den stanset Einstein og mange med ham.
Med Einsteins formel E = mc2 rykket en ny energiform inn i fysikernes oppmerksomhetsfelt, og med litt fantasi kunne man se for seg en ny energikilde. Einstein avviste dette som innholdsløst snakk. Den nye energiformen hadde bare teoretisk interesse. Ernest Rutherford (1871 - 1937) som har grunnlagt den eksperimentelle atomfysikk, omtalte slike utopier som "måneskinn". Men den eksperimentelle atomfysikk ble stadig mer konkret. Et viktig skritt var oppdagelsen av nøytronet som er elektrisk nøytralt og derfor kan trenge inn i atomkjernen og sette i gang energiprosesser. En av de første som forsto rekkevidden av dette, var Leo Szilard (1892 - 1964) som allerede i 1934 tenkte på den teoretiske muligheten av at et nøytron trenger inn i en atomkjerne og frigjør to nye nøytroner, en såkalt kjedereaksjon. Szilard tok ut et hemmelig patent på prinsippet for en slik prosess. Også Rutherford ble betenkt og informerte det engelske forsvarsdepartement i 1936. Høsten 1938 tok utviklingen en avgjørende vending. I Wien ville Liese Meitner (1878 - 1968) og Otto Hahn (1879 - 1968) etterprøve noen forsøk som Enrico Fermi (1901 - 1954) hadde gjort med bestråling av uran med nøytroner. Før forsøkene var av sluttet, rykket Hitler inn i Østerrike, og Liese Meitner, som var jøde, flyktet til Stockholm. Noen dager før jul fikk hun rapport fra Hahn om at forsøket hadde ført til spalting av urankjernen under frigjøring av strålingsenergi. Liese Meitner telefonerte til Niels Bohr som da sto på reisefot til et fysikermøte i Washington. Der la han frem nyheten, og umiddelbart etterpå ble forsøket gjentatt og bekreftet av Szilard og Fermi. Noen uker senere kunne en fransk gruppe ledet av Joliot Curie (1900 - 58) fastslå at det ble frigjort nøytroner under spaltningen av urankjernen. Kjedereaksjonen var nå blitt en prinsipiell mulighet, og selv om en teknisk realisering i større stil ble betvilt av de fleste, var den potensielle militære betydning av oppdagelsen en tungtveiende faktor, og både i Tyskland, England og Frankrike ble det organisert forskningsgrupper. I Amerika fulgte Szilard nøye med. I juli 1939 drøftet han situasjonen med Eugene Wigner (1902-), og de ble enige om å samrå seg med Einstein, som de etter meget strev fant frem til på et landsted. De tre så nødvendigheten av å forhindre at Tyskland fikk uranmalm fra Belgisk Kongo, og Einstein tilbød seg å utnytte sin kontakt med den belgiske dronning. Etter nærmere overveielse ble de enige om å henvende seg til Belgias ambassadør i Washington, men i samråd med utenriksdepartementet. Der fikk Szilard det råd å henvende seg direkte til presidenten. Szilard dikterte nå to brev og ba Einstein overveie hvilket som skulle sendes. Einstein undertegnet begge brevene og overlot valget til Szilard, sammen med en oppfordring om ikke å "hisse seg opp". I brevet blir presidenten informert om at tysk vitenskap er kjent med muligheten for å fremstille eksplosiver på grunnlag av atomkjernens energi, og han blir anbefalt å opprette kontakt mellom de militære myndigheter og de fysikere som arbeidet med kjedereaksjoner. Brevet var datert 2. august, men veien frem til presidenten var lang og kronglet, og først 11. oktober kunne Alexander Sachs lese det for presidenten, som med ordene "this requires action" beordret nedsatt et arbeidsutvalg. Einstein ble ikke foreslått til dette utvalget, fordi man hadde forskjellige oppfatninger av hans politiske holdning, men han var fortsatt en nødvendig faktor. I mars 1940 ble det sendt et nytt brev i Einsteins navn og med henvisning til faren for at tysk vitenskap kunne komme Amerika i forkjøpet, samt forslag om at forskning omkring kjedereaksjoner skulle hemmeligstemples. Et tredje brev ble sendt i april.
Prosjektet gikk inn i sin avgjørende fase 6. desember 1941, noen timer før angrepet på Pearl Harbor. Da ble det vedtatt et program for noe som hittil var blitt ansett for en teknisk utopi, nemlig anrikning av isotopen uran - 235 fra uranmalm.
Einstein omtalte senere brevet til Roosevelt som sitt livs største feiltagelse. - Til dette er å si at bomben ville ha kommet uten Einsteins medvirkning, men han kan ha fremskyndet den. Et annet spørsmål er hva det ville ha betydd hvis Einstein var blitt tatt med i styringsgruppen for prosjektet. I siste fase sto man overfor spørsmålet om hvordan bomben skulle anvendes, og hvis Einstein hadde vært blant dem som stemte for en ren demonstrasjonsbombing, kan det ikke utelukkes at hans enorme prestisje ville ha influert på valget.