Albert Einstein (1879-1955) har mer än någon annan vetenskapsperson under 1900-talet förändrat människans sätt att uppfatta sig själv och omvärlden. Relativitetsteorin är åtminstone till namnet mer känd än alla andra fysikaliska teorier, och uttrycket E = mc² är kanske den enda av alla fysikekvationer som är allmänt känd. Men i skolan visade Einstein inga större färdigheter och hans allt oroligare far frågade rektorn vilket yrke sonen skulle välja. - Det spelar ingen roll, han kommer inte att lyckas med någonting, svarade rektorn.
Albert Einstein, kallad "fysikens påve", är kanske den vetenskapsperson som är mest känd av alla. Men han är inte känd bara till namnet. Med sitt rufsiga hår och vänliga leende är hans ansikte ett av världens mest kända. I olika nummer av en vetenskaplig tidskrift lade han år 1905 fram fyra vetenskapliga upptäckter, som alla blivit klassiska. Var och en var tillräckligt viktig för att ge Einstein världsrykte.
Albert Einstein föddes i Ulm i Tyskland och hade judiska föräldrar. Fadern var affärsman - men affärerna hade en tendens att alltid misslyckas. När Albert var ett år, flyttade familjen till München, eftersom faderns firma, en liten verkstad, hade gått omkull.
I München startade fadern på nytt, och här började sonen så småningom i skolan. Att Albert skulle vara speciellt intelligent var det ingen som märkte. Det tog lång tid innan han lärde sig tala som barn, och nio år gammal talade han fortfarande inte riktigt rent.
Vantrivsel i skolan
Einstein trivdes inte i skolan. Han ogillade starkt den preussiska "kadaverdisciplinen" som lärarna påtvingade eleverna.
När Einstein var 15 år, gick hans far i konkurs igen. Föräldrarna bestämde sig för att flytta till Italien och börja om. Einstein gick i gymnasiet och måste stanna i Tyskland för att ta studenten. Det var nödvändigt för att kunna komma in på universitetet. Einstein försökte komma runt problemet genom att skaffa sig två intyg. En matematiklärare intygade att Albert Einstein kunde tillräckligt med matematik för att bedriva högre studier. En läkare förklarade att han måste vara hos sina föräldrar på grund av psykisk stress. Men Einstein hann aldrig överlämna dessa brev till skolledningen - den uppmanade honom att sluta skolan. Hans negativa attityd hade fått andra elever att börja kritisera.
ANNONS
Data och fakta
1879: Albert Einstein föds i Ulm i Tyskland.
1902: Einstein anställs vid patentverket i Bern. Arbetsuppgifterna går fort, och han får tid över till att syssla med problem som intresserar honom.
1905: Einstein publicerar fyra uppsatser i en vetenskaplig tidskrift. En av uppsatserna presenterar den speciella relativitetsteorin, en förklarar den fotoelektriska effekten, en bevisar att molekyler existerar och en klargör sambandet mellan massa och energi.
1915: Einstein lägger fram den allmänna relativitetsteorin.
1921: Nobelpriset i fysik tilldelas Albert Einstein för att han förklarat den fotoelektriska effekten.
1933: Einstein lämnar Tyskland för USA sedan nazisterna avsatt honom från posten vid Kejsar Wilhelm-institutet.
1939: Einstein varnar i ett brev president Roosevelt för att tyskarna håller på att framställa en atombomb. Roosevelt beslutar att USA skall bygga en egen bomb.
1952: Einstein avböjer erbjudandet att bli Israels president.
1955: Einstein avlider.
Hela livet skulle Einstein komma ihåg den insikt han fått i skolan: att auktoriteter kunde ifrågasättas.
Einstein reste till Italien, men efter en kort tid meddelade fadern att han inte längre kunde försörja en son som inget gjorde; återigen hade firman gått i konkurs.
Studier i Schweiz
Kort efter ankomsten till Italien hade Einstein avsagt sig sitt tyska medborgarskap, och nu fortsatte han till Schweiz. Han hoppades komma in på ett polytekniskt institut trots att han saknade gymnasieexamen men misslyckades i inträdesprovet.
"Det var mitt eget fel", skrev Einstein många år senare. "Jag hade inte förberett mig ett dugg."
Einstein tog examen i ett schweiziskt gymnasium och kunde sedan börja vid det polytekniska institutet. Här behövde eleverna inte vara närvarande så ofta; huvudsaken var att de klarade slutprovet. Einstein struntade i de obligatoriska ämnena och studerade fysik på egen hand.
När examensdagen närmade sig, kom han på att han inte alls var förberedd. Som tur var hade Einstein en vän som hade följt med och gjort noggranna anteckningar.
Einstein lånade dessa och stormläste i två månader. Han klarade slutprovet, men tvånget att plugga in en massa ointressanta fakta satte djupa spår. Ett helt år efter slutprovet tyckte Einstein att alla vetenskapliga problem var "obehagliga".
Under sin studietid i Zürich fick Einstein smak på att segla, och det intresset behöll han livet ut. En annan hobby var att spela fiol, och fiolen kom att bli Einsteins speciella kännetecken.
1905 - mirakelåret
1902 fick Einstein anställning vid patentverket i Bern i Schweiz. Hans uppgift var att gå igenom de ofta långa brev där olika uppfinnare och snillen beskrev sina uppfinningar. Einstein skulle sortera ut det viktigaste och skriva en kort sammanfattning, och sedan skulle hans chefer bestämma om patent skulle beviljas eller inte.
Arbetet lärde Einstein hur det viktiga kunde skiljas ut från det oviktiga. Ofta kunde en dags arbete klaras av på 3-4 timmar. Under sin lediga tid gjorde Einstein egna uträkningar angående problem som han funderade på. Kom någon in i rummet, gömde han anteckningarna i en låda.
1905 publicerade Einstein fyra uppsatser i olika nummer av den vetenskapliga tidskriften Annalen der Physik. Var och en av uppsatserna hade ensam räckt för att ge honom världsrykte. 1905 kallas därför Einsteins annus mirabilis, alltså mirakelår.
ANNONS
En av uppsatserna bevisade att molekyler verkligen existerade, vilket många ännu tvivlade på. En annan förklarade den fotoelektriska effekten (se nedan), och för detta fick Einstein Nobelpriset i fysik 1921. Den tredje lade fram den speciella relativitetsteorin och den fjärde uppsatsen diskuterade hur massa och energi hänger samman.
Molekylerna
År 1827 hade engelsmannen Brown upptäckt att pollenkorn tycktes röra sig när de placerats i en vattendroppe. I mikroskop blev rörelsen synlig. Detta kallades den Brownska rörelsen, men ingen kunde bevisa varför kornen rörde sig. Det var Einstein som i en av sina uppsatser 1905 förklarade rörelsen. Den berodde på att vattenmolekylerna i droppen vilka befann sig i ständig rörelse stötte till pollenkornen.
Bild: E-Pics Bildarchiv Einstein tyckte om att spela fiol och detta instrument blev ett av hans kännetecken.
Med hjälp av en statistisk metod kunde Einstein förutsäga hur ett pollenkorn skulle röra sig om det stöttes till av vattenmolekyler. När teorin jämfördes med den Brownska rörelsen, stämde de båda exakt överens. Det var det slutgiltiga beviset för att molekyler existerade och därmed även atomer. Einstein kunde också beräkna vattenmolekylernas storlek.
Den fotoelektriska effekten
I en annan uppsats redde Einstein ut ytterligare en gåta som förundrat fysikerna: den fotoelektriska effekten. Det hade visat sig att elektroner slungades ut från vissa metaller när de träffades av exempelvis blått ljus. Hastigheten hos de utslungade elektronerna var alltid densamma oberoende av hur intensivt ljuset var. Om ljuskällan flyttades närmare metallen, slungades i och för sig fler elektroner ut, men varje enskild elektrons hastighet var lika stor.
År 1905 var fysikerna ense om att ljuset var en vågrörelse. Enligt lagarna för en vågrörelse sprider sig ljuset från källan i vågor med ökande radie. Vågornas energi blir allt mindre ju längre bort från ljuskällan de kommer.
Att en ljuskälla som stod på olika långt håll från en metall uppenbarligen kunde skänka elektronerna lika mycket energi oberoende av avstånd var obegripligt. Lika obegripligt som att en bomb som exploderade intill en ubåt skulle ge lika kraftiga skador på en annan ubåt som befann sig långt bort.
ANNONS
Men en torped skulle kunna skada ubåtarna lika mycket, även om en av dem befann sig längre bort. Einstein fann en liknande förklaring. Han lade fram tanken att elektronen slungades ut från metallen när den träffades av ett ljuskvantum - en foton. Ljuset hade dubbla egenskaper, menade Einstein; det kunde både uppfattas som en ström av partiklar och en vågrörelse. I sitt arbete förtydligade och utvecklade Einstein kvantteorin, som Max Planck lagt fram fem år tidigare.
Kvantfysiken kom i fortsättningen att bilda en egen gren av fysiken. Det var för sin förklaring av den fotoelektriska effekten Einstein fick Nobelpriset i fysik 1921 och inte för det han är mest känd: relativitetsteorin.
Relativitetsteorin
I septembernumret av Annalen der Physik lade Einstein fram sin speciella relativitetsteori.
Bild: Erclairbair En del av relativitetsteorin skriven av Einstein själv.
Einstein avvisade Newtons tanke på ett "absolut rum" i rymden. Det går inte att tala om absolut rörelse, eftersom allt i universum rör sig - planeterna, solen, stjärnorna och galaxerna. När forskare mäter hastigheten på något måste den mätas i förhållande till något annat. Så kan jordens hastighet exempelvis mätas i förhållande till solen. I det exemplet föreställer forskarna sig solen stillastående.
En annan gång, exempelvis när månens hastighet i förhållande till jorden diskuteras, får forskaren föreställa sig att jorden står stilla.
Just detta är inte så svårt att förstå som det låter. Vi vet att jorden susar fram genom rymden med hög hastighet i sin bana runt solen. Relativt solen är hastigheten ungefär 107 000 kilometer i timmen.
Men i vårt dagliga liv föreställer vi oss att jorden står stilla och anpassar oss efter detta. Hastighetsbegränsningar bygger till exempel på det. Det är självklart att 50 km i timmen betyder hastigheten relativt en skenbart stillastående jord - utan att det behöver utsägas. Den fortkörare som försöker övertyga polisen om att han uppfattat hastighetsbegränsningen som relaterad till solen får det bekymmersamt.
Det är just uppfattningen att all rörelse är relativ mot något annat som gett relativitetsteorin dess namn.
Det finns alltså ingen absolut eller "sann" hastighet. Den som står på jorden uppfattar den som stillastående och ser månen gå upp och ner. Men om personen stod på månen, skulle den verka stå stilla, och istället skulle jorden tyckas gå upp och ner.
ANNONS
ANNONS
Ingen sann tid
Einstein visade också att det inte finns någon absolut eller "sann" tid. Liksom hastigheten måste tid relateras till något. Att sluta tänka i absolut tid var oerhört svårt har Einstein berättat. Men när han väl kommit på tanken, som var den sista pusselbiten, kunde han skriva ner sin speciella relativitetsteori på fem veckor.
De omkring 9 000 ord som den speciella relativitetsteorin bestod av välte helt människans uppfattning om tid och rum överända. Londontidningen The Times talade om ett "hån mot sunt förnuft".
1915 utvidgade Einstein sina teorier och lade fram den generella, eller allmänna, relativitetsteorin. Den speciella relativitetsteorin behandlade enbart stillastående föremål eller sådana som rörde sig med jämn hastighet.
Den allmänna relativitetsteorin tog även hänsyn till gravitationen och beskrev fall där föremål ökade eller minskade sin hastighet.
Ljusets hastighet
Enligt Einsteins relativitetsteori är ljusets hastighet alltid densamma i förhållande till observatörerna - oavsett hur de förhåller sig till ljuskällan. Detta var en revolutionerande tanke.
Jämför med en person som står i en järnvägsvagn som rör sig med 70 km i timmen. Om personen börjar gå framåt i vagnen med en fart av fem kilometer i timmen blir personen hastighet relativt marken 75 km i timmen. Det beror på att vagnens och personens hastighet måste läggas samman. Om personen vänder och går bakåt i vagnen blir hastigheten relativt marken 65 km i timmen. Vagnens hastighet relativt marken måste då minskas med personens hastighet bakåt i tåget.
Ljusets hastighet är så stor att Einstein behövde arbeta med stora avstånd för att visa vad hur han tänkte.
Om vi tänker oss att jorden rör sig mot en stjärna borde enligt exemplet ovan de båda himlakropparnas hastighet relativt varandra läggas till ljushastigheten från stjärnan, som i vakuum är 300 000 km per sekund.
Sedan föreställer vi oss att jorden och stjärnan avlägsnar sig från varandra. Då borde deras hastighet relativt varandra dras ifrån ljushastigheten från stjärnan.
Detta borde ge olika ljushastigheter vid de olika mätningarna, men Einstein visade att så inte är fallet. I exemplet ovan kommer hastigheten hos den ljusstråle som når jorden alltid att uppfattas som konstant av den jordiska astronomen, oavsett om jorden och stjärnan rör sig mot eller från varandra.
En berömd formel
I den fjärde uppsatsen diskuterade Einstein förhållandet mellan massa och energi. Det skedde i den berömda formeln E = mc². E står för energi, M för massa, och C är ljusets hastighet multiplicerad med sig själv.
Enligt relativitetsteorin ökar ett föremåls massa med hastigheten. Vid ljushastigheten i vakuum blir föremålets massa oändligt stor. Det betyder att ingenting kan färdas lika fort som eller fortare än ljuset.
ANNONS
ANNONS
Att massa och energi hänger samman bevisades demonstrativt när de första atombomberna sprängdes över Japan i slutet av andra världskriget 1945. Då omvandlades en liten mängd massa till en enorm mängd energi. I våra kärnkraftverk tillämpas metoden för fredliga ändamål.
Bild: MikeRun En kärnreaktion startar genom att en partikel sänds in i en atomkärna. Två partiklar slås ut och fortsätter in i varsin kärna. I nästa steg har fyra partiklar slagits loss, och allt fler kärnor slås sönder. Till sist frigörs så många partiklar att tusentals kärnor slås sönder, enorma energimängder frigörs och en kärnexplosion sker. I kärnkraftverken avbryts processen innan explosionen äger rum och energi kan utvinnas.
Att omvandla massa ger en väldig mängd energi. En tesked kolpulver räcker, förutsatt att allt kol omvandlas till energi, för att driva ett fartyg över Atlanten flera gånger om. Det är dock inte detta som händer när kolet eldas upp. Då omvandlas kolet till aska, gaser med mera. Endast en bråkdel av kolets energi frigörs, men förbränningen av kol är en process där kolatomer byter plats och lite energi frigörs.
I atombomben och kärnkraftverken splittras atomer, helt nya grundämnen bildas och stora mängder energi frigörs.
Sedan Einstein lagt fram sina teorier växte hans berömmelse.
Max Planck bad honom att komma till Berlins universitet. Trots att Einstein ogillade Tyskland sedan sin studietid accepterade han och flyttade med sin familj till Berlin 1914. Han blev direktör vid Kejsar Wilhelm-sällskapet, Tysklands viktigaste vetenskapliga förening.
Men Einsteins relativitetsteori var minst sagt omstridd. Många trodde inte på den alls. Dessutom rasade första världskriget 1914-1918 vilket gjorde att många hade annat att tänka på än relativitetsteorin.
Men 1919 kunde en grupp astronomer visa att solens gravitation fick ljuset från en stjärna att böja av. Detta hade Einstein förutspått i sin teori och nu blev han världsberömd.
Offer för judehat
Efter första världskriget rådde svåra förhållanden i Tyskland, och hatet mot judarna piskades upp av nazisterna som kom till makten 1933. Einstein var både pacifist och jude, och blev ett utmärkt mål för hatpropaganda. Nazisterna brännmärkte relativitetsteorin som "judisk vetenskap", som till skillnad från "arisk vetenskap" var skadlig och fördärvlig. I olika föredrag kritiserade talare Einsteins teorier till publikens jubel. Einstein själv var med och klappade händer någon gång.
- Vad han sa var rent nonsens, sa Einstein efteråt, men det var roligt.
ANNONS
ANNONS
1933 lämnade Einstein Tyskland för gott, sedan han avsatts från sin post vid Kejsar Wilhelm-sällskapet, och bosatte sig i USA. Hans anseende var nu så stort att han fick hedersbetygelser och inbjudningar i en aldrig sinande ström. Einstein informella klädsel blev legendarisk liksom den yviga frisyren.
Einstein såg med fasa på hur Tyskland utvecklades under nazisternas styre. Denna fasa drev pacifisten att i augusti 1939 underteckna ett brev till USA:s president Franklin D Roosevelt. Brevet övertygade president Roosevelt om att starta arbetet med att konstruera en atombomb för att inte tyskarna skulle hinna före.
I augusti 1945 fällde USA två atombomber över de japanska städerna Hiroshima och Nagasaki. Några dagar senare kapitulerade Japan.
Bild: Astrophysikalisches Institut Potsdam Observatoriet i Potsdam med Einsteintornet byggdes 1920-21 och är ett synligt bevis på hur uppskattad han var i Tyskland före Hitlertiden.
Efter kriget ångrade Einstein vad han gjort.
- Jag har gjort ett stort misstag och det var att jag undertecknade brevet till Roosevelt och rekommenderade utvecklingen av atombomber. Mitt försvar är att det fanns en risk att tyskarna skulle tillverka dem, sa han till vännen Linus Pauling 1954.
En ensam vandrare
Einstein arbetade helst ensam. "Jag är verkligen en ensam vandrare", skrev han en gång ”och jag har aldrig tillhört mitt land, mitt hem, mina vänner eller ens min familj med hela mitt hjärta."
1952 erbjöds Einstein att bli president i Israel, vilket han avböjde.
Under stora delar av sitt liv arbetade Einstein på att finna en formel för en fullständig fältteori som kunde förena elektromagnetism och gravitation men lyckades inte.
Einstein avled 1955 efter en tids sjukdom. Vid sidan av bädden låg ett utkast till den fältteori han arbetat på utan att lyckas finna svaret.
Einstein har blivit känd för att spela ett visst instrument - vilket?
Vilket år publicerade Einstein sina fyra epokgörande uppsatser?
Hur kunde Einstein bevisa molekylernas existens?
Vilket år fick Einstein Nobelpriset i fysik, och för vad fick han det?
Varför kallas Einsteins mest berömda teori för relativitetsteorin?
Förklara innebörden av den berömda ekvationen E = mc².
Varför kan ingenting färdas lika fort eller fortare än ljuset enligt Einsteins relativitetsteori?
Förklara varför det inte finns någon "sann" hastighet.
Litteratur: Isaac Asimov, Lägg till en dimension, Rabén & Sjögren, 1967 Daniel J Boorstein, The Discoverers, Random House, 1983 Rom Harré, Great Scientific Experiments, Oxford University Press, 1983 Roy Porter (red.), Man Masters Nature, BBC Books, 1987 David Eliot Brody och Arnold R Brody, Upptäckterna som förändrade världen och människorna bakom dem, Wahlström & Widstrand, 1999
FÖRFATTARE
Text: Kaj Hildingson, journalist och läromedelsförfattare
