Je leest:

Einsteins onzichtbare handen

Einsteins onzichtbare handen

Auteur: | 11 maart 2008

Het is zondagmiddag in Museum Boerhaave. Onder de ogen van ruim honderd belangstellenden schakelt Wolfgang Engels de stroom in om in een tweetal spoelen een fluctuerend magneetveld op te wekken. Het is even spannend – een eerste poging is mislukt – maar dan gebeurt het: het ijzeren staafje dat tussen de spoelen hangt begint te draaien. Op het scherm achter de opstelling begint een lichtpuntje te dansen, afkomstig van een miniem spiegeltje dat aan het wiebelende staafje is gemonteerd. Het bewijs is geleverd: magnetisme wordt op atomair niveau teweeggebracht door om atoomkernen cirkelende elektronen.

Dat magnetisme wordt opgewekt door elektronen behoort nu tot de basale natuurkundekennis. In het begin van de twintigste eeuw bestond hiervoor nog geen experimenteel bewijs. Albert Einstein en de Nederlandse fysicus Wander Johannes de Haas, op dat moment assistent aan de Physikalisch-Technische Reichsanstalt te Berlijn, nemen in 1914 de uitdaging aan om dat bewijs te gaan leveren. Het idee was eenvoudig: als de hypothese van de ronddraaiende elektronen klopt, dan kunnen ze door een uitwendig magneetveld in eenzelfde draairichting worden gebracht. De wet van behoud van draai-impuls schrijft voor dat een vrij draaibaar ijzeren staafje in het magneetveld (zoals in figuur 1) op deze richtingsveranderingen van de elektronen reageert door om zijn as de andere kant op te gaan draaien.

Figuur 1: Einstein’s opstelling met tussen twee magneetspoelen het staafje aan een dunne kwartsdraad.

In 1915 publiceren Einstein en De Haas hun gezamenlijke experiment. Ze blijken niet alleen het staafje in beweging te hebben gebracht, ze leveren bovendien een kwantitatief bewijs voor de juistheid van hun hypothese: de door hen vastgestelde gyromagnetische verhouding van het elektron, ofwel het impulsmoment gedeeld door het magnetische moment, blijkt prima overeen te komen met de door hen veronderstelde theoretische waarde.

Quantumraadsel

De resultaten van Einstein en De Haas zijn interessante kost voor wetenschapshistorici. Want terwijl hun eigen experimentele en voorspelde waarden prima met elkaar in overeenstemming waren, leerde de ontluikende quantummechanica enige jaren later dat ze in werkelijkheid een factor twee te laag zaten. En dat is merkwaardig.

Het originele staafje van Einstein en De Haas, een onooglijke stukje ijzer van 7 cm lang, is momenteel te zien in de tentoonstelling Jacht op het absolute nulpunt (nog tot 10 mei in Museum Boerhaave). Het artefact onthult op zichzelf weinig over het experiment. Dat was reden voor Museum Boerhaave om Wolfgang Engels – al jarenlang werkzaam aan het Einstein-De Haasexperiment – te vragen de proef met zijn replica van de opstelling publiekelijk tot leven te komen wekken.

Wolfgang Engels (rechts) met zijn replica van het Einstein-de Haas-experiment.

Engels legt zich toe op de exacte replicatie van belangrijke historische natuurkundige experimenten. Zijn werk aan Einstein en De Haas richt zich niet zozeer op hun gezamenlijke experiment, maar op een opstelling die Einstein een korte tijd later gebruikte bij een demonstratie voor de Deutsche Physikalische Gesellschaft. Het is deze variant die Engels het publiek in de gehoorzaal van Museum Boerhaave voortovert.

Verborgen kennis

Engels’ replica werpt geen nieuw licht op de merkwaardige kwantitatieve uitkomsten van Einstein en De Haas. Met de ervaringen die hij opdoet bij het reconstrueren van het experiment hoopt Engels inzicht te krijgen in de ‘verborgen’ kennis die achter de opstelling schuil gaat. Einstein en De Haas verrichtten hun proef bij de Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) – een soort Duits TNO. Engels vermoedt dat beide heren deze locatie doelbewust opzochten. De PTR had technisch vaardige specialisten in huis op het gebied van bijvoorbeeld metallurgie en magnetisme.

Wander J. de Haas (links) en Albert Einstein deelden de opvatting dat elektronen om de atoomkern heen draaien. Ze bedachten samen een experiment om dat aan te tonen: het Einstein-de Haas experiment dat nu in Museum Boerhaave te zien is.
KNAW / Wikimedia Commons

Het lijkt haast vanzelfsprekend dat Einstein en De Haas profijt hebben getrokken van de aanwezige expertise – als deze sowieso al niet onontbeerlijk was voor de bouw van de opstelling. In de verslaglegging van wetenschappelijke experimenten blijft gewoonlijk een groot deel van de gebruikte technische en praktische kennis onbesproken, evenals de technici die deze aandragen. Onder wetenschapshistorici kunnen deze ‘helping hands’ zich echter in een toenemende aandacht verheugen, omdat ze wel degelijk van wezenlijke invloed zijn op de wetenschappelijke praktijk.

De bezoekers van Museum Boerhaave kregen op zondag 8 februari jongstleden Einstein’s proef voorgeschoteld zoals hij oorspronkelijk was bedoeld: als demonstratie-experiment. Net als de leden van de Deutsche Physikalische Gesellschaft 95 jaar eerder zagen ze een klein draaiend staafje een groot bewijs leveren, maar dan onder begeleiding van Engels in plaats van Einstein.

De auteur, Ad Maas, is conservator van Museum Boerhaave in Leiden, en samensteller van de tentoonstelling Jacht op het absolute nulpunt.
Museum Boerhaave

Zie verder:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 maart 2008
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.