HORROR CELERITAS
De ironie van het verongelijkte verstand
In de loop van de 19e eeuw ontwikkelde de theoretische natuurkunde zich, mede door ondersteuning van experimenten die door de technologische wisselwerking mogelijk werden, in sneltreinvaart. Door het theoretische werk van Maxwell was duidelijk geworden dat elektriciteit en magnetisme twee aspecten zijn van hetzelfde fenomeen, het elektromagnetische veld. Dat veld kan worden opgevat als het medium waarlangs elektromagnetische golven zoals licht, radiogolven en röntgenstraling zich bewegen. Door het werk van Lorentz ontstond het vermoeden dat deze golven zich met de hoogst mogelijke snelheid konden voortbewegen, waarmee de basis werd gelegd voor de speciale relativiteitstheorie die in het begin van de 20e eeuw door Einstein werd gepubliceerd. Het postulaat van een absoluut maximale snelheid was al experimenteel gesuggereerd maar het begrippenkader van een ruimtetijd continuüm druiste in tegen de klassieke opvatting dat ruimte en tijd onafhankelijk van elkaar zijn en tegen de dagelijkse ervaring dat rust het tegenovergestelde is van beweging.
Het zal dan ook niet verbazen dat vooral praktisch ingestelde natuurkundigen de relativiteitstheorie niet accepteerden. Eén van hen was Louis Essen die een aanzienlijke verbetering ontwikkelde voor de bepaling van de snelheid van het licht. Ironisch genoeg opende die nauwkeurige meting in combinatie met de speciale relativiteit de reële mogelijkheid om te communiceren via GPS.
Hieronder volgt een vertaling uit het Engels van een hoofdstuk uit Essens autobiografie Time for Reflection (1996).
In de jaren twintig werd tijdens mijn natuurkundestudie aan de Universiteit van Nottingham natuurlijk ook de relativiteitstheorie van Einstein behandeld, maar er werd direct bij gezegd dat we er waarschijnlijk niet veel van zouden begrijpen. Ik heb mij daar nooit veel van aangetrokken, zeker niet toen ik merkte dat de meeste natuurkundigen er zonder meer van uitgingen dat de theorie wel juist zou zijn. Mijn wantrouwen werd echter gewekt toen ik merkte dat de echte specialisten het ook niet precies bleken te begrijpen. Uit een briefwisseling in Nature tussen Dingle en McCrea bleek dat zij sterk van mening verschilden over een aantal van de voorspellingen die uit de theorie zouden volgen, en allebei hanteerden ze daarbij argumenten die mijns inziens onlogisch en niet overtuigend waren. De discussie ging vooral over de tijd die klokken aangeven als ze zich ten opzichte van elkaar bewegen, en omdat ik een ruime ervaring had met het vergelijken van klokken en het meten van de tijd voelde ik mij bijna verplicht om me wat meer te verdiepen in deze controverse.
Het is altijd beter om te verwijzen naar de oorspronkelijke artikelen dan naar de daarvan afgeleide bijdragen en dus heb ik mij verdiept in het beroemde artikel van Einstein dat door menigeen wordt beschouwd als een van de belangrijkste wetenschappelijke bijdragen ooit. Ik was dan ook verbijsterd toen ik er achter kwam dat het in een aantal opzichten een van de slechtste artikelen was die ik ooit had gelezen. Woordgebruik en stijl waren onwetenschappelijk en dubbelzinnig, een van zijn uitgangspunten werd op verschillende plaatsen in het artikel in tegenstrijdige vorm gepresenteerd, een aantal uitspraken konden op verschillende manieren worden uitgelegd en waar ik mij het meest aan stoorde was het hanteren van gedachte-experimenten. Een dergelijke werkwijze is in strijd met de wetenschappelijke methode die is gebaseerd op de uitkomsten van werkelijke experimenten. Aanvankelijk dacht ik dat, ondanks de duidelijke tekortkomingen in de presentatie, de theorie op zichzelf juist moest zijn en voordat ik mijn bezwaren publiceerde, las ik veel over het onderwerp. De extra informatie die ik hiermee verkreeg, maakte alleen maar dat ik er meer en meer van overtuigd raakte dat de theorie werd ontsierd door zijn eigen interne tegenstellingen. Vaak beweren de aanhangers van relativiteit dat de theorie wordt geaccepteerd door alle wetenschappers van naam, maar dat is helemaal niet waar. Veel wetenschappers, waaronder ten minste één Nobelprijswinnaar, hebben zich krachtig verzet tegen de theorie. De meeste kritiek had over het algemeen betrekking op de vele tegenstrijdigheden, dus besloot ik om de aandacht te vestigen op de fouten die aanleiding gaven tot de tegenstrijdigheden, onder de vermelding van pagina en regel in Einstein’s artikel, zodat de aanhangers van relativiteit ze moeilijk konden negeren of versluieren in oeverloze discussies.
Speciale relativiteit vol barsten
Er waren onmiskenbare onjuistheden. Eén ervan was de veronderstelling dat de lichtsnelheid een constante is. Dit is in strijd met de beginselen van de natuurwetenschap en het feit dat het wordt herhaald in alle leerboeken die ik heb bekeken, laat zien hoe slecht deze beginselen worden begrepen door theoretische natuurkundigen. Natuurwetenschap is gebaseerd op de resultaten van een experiment en die resultaten moeten worden uitgedrukt in een samenhangend geheel van een heden. De eenheid van lengte is de meter en de eenheid van tijd is de seconde. Snelheid is een gemeten hoeveelheid uitgedrukt in meters per seconde. Zelfs al bleek de (licht)snelheid onder bepaalde voorwaarden niet te veranderen, dan nog was het onjuist om deze per definitie onder alle omstandigheden tot constante te verklaren. Alleen de meeteenheid kan per definitie constant worden en door Einsteins uitgangspunt werden er kopieën van eenheden gevormd. Juist door deze verdubbeling ontstonden verwarrende en tegenstrijdige resultaten in plaats van geniale diepgang zoals de aanhangers van relativiteit ons graag willen doen geloven.
De kwestie van eenheden is tamelijk ingewikkeld en in dit geval zijn sommige auteurs in de war geraakt doordat de lichtsnelheid als standaard wordt gebruikt om afstanden te berekenen die zijn afgeleid uit de tijdsduur waarmee een lichtpuls of radiogolf zich voortbeweegt. Maar de gebruikte waarde is de gemeten waarde en de voorwaarden van de meting zijn zorgvuldig gedefinieerd. Vrij recent is er nog een probleem bij gekomen. Tegen het einde van onze werkzaamheden bij het Nationaal Natuurkundig Laboratorium in Teddington hebben we voorgesteld om, naarmate de technieken worden verbeterd, de meeteenheden opnieuw te definiëren, en wel met behoud van de atomaire seconde en vaststelling van een bepaald waarde van de lichtsnelheid maar met afschaffing van de eenheid van lengte. Dat voorstel is overgenomen maar het heeft geen enkele invloed op de tekortkomingen in de theorie. Zelfs met deze nieuwe eenheden is het nog steeds absurd om te veronderstellen dat de (licht)snelheid hetzelfde zou zijn voor twee waarnemers die zich ten opzichte van elkaar verplaatsen.
Gedachte-experimenten
Een andere opvallende fout treedt op tijdens een van zijn gedachte-experimenten. Voor zover ik heb kunnen nagaan, heeft Einstein nooit daadwerkelijke proefnemingen gedaan en hij had er in elk geval geen idee van hoe je klokken moet vergelijken. Hij stelde zich twee identieke en naast elkaar geplaatste klokken voor en liet in gedachten één van de twee zich met eenparige snelheid verwijderen en weer terugkeren. Resulterend uit de theorie blijkt de verplaatste klok langzamer te lopen dan de stilstaande, gezien vanuit een vaste positie. Als we de klokken A en B noemen, luidt de voorspelling:
B loopt langzamer dan A, gezien vanuit A
en omdat snelheid relatief is en één van de klokken wordt verondersteld te bewegen, geldt:
A loopt langzamer dan B, gezien vanuit B
Dit is beslist vreemd maar niet onmogelijk. Het betekent dat er iets gebeurt met hun tijdsaanduiding tijdens het aflezen. Vervolgens zet hij zijn experiment uiteen zonder precies uit te leggen hoe de metingen worden verricht en concludeert:
B loopt langzamer dan A
en zonder het expliciet te vermelden:
A loopt langzamer dan B
hetgeen geheel in overeenstemming met het relativiteitsbeginsel.
Dit resultaat is natuurlijk onmogelijk en wordt gewoonlijk aangeduid als de klok paradox. Er is veel over geschreven maar het komt gewoon omdat hij (Einstein)niet de juiste procedures heeft gevolgd bij zijn proefneming. Het experiment is zo ontzettend eenvoudig dat het telkens als het wordt herhaald het juiste resultaat geeft dat in overeenstemming is met de theoretische voorspellingen. Immers, een gedachte-experiment kan niet ineens een ander resultaat opleveren. De theoretische voorspellingen vallen zelf ook niet te verklaren maar dat is het gevolg van de invoering van gekopieerde eenheden.
In mijn naïviteit had verwacht de wetenschap een dienst te bewijzen met mijn oplossing voor de langdurige verwarring en dat haar beoefenaars er op zijn minst enige aandacht aan zouden schenken, aangezien ik op dit gebied meer praktische ervaring had dan alle aanhangers van relativiteit tezamen. Maar ik had het mis. Niemand nam de moeite om mijn argumenten te weerleggen, terwijl bij wijze van rechtvaardiging van Einstein’s gedachte-experiment en zijn foutieve aannames de theorie verder werd uitgebouwd. Ik ontving daarentegen een paar overduidelijke waarschuwingen dat mijn reputatie en vooruitzichten er waarschijnlijk onder zouden lijden als ik doorging met mijn kritiek op de theorie. Ook al ging het alleen maar om een nevenactiviteit naast mijn gewone praktische werk, ik vond het belangrijk genoeg om er mee door te gaan en de theorie aan de kaak te stellen. Mijn baas had daar geen problemen mee en liet me weten dat hij geen bezwaar had zolang ik het Natuurkundig Laboratorium er niet in zou betrekken. Het begon tot mij door te dringen dat wetenschappers even redeloos konden zijn als ieder ander en dat ze klakkeloos in een theorie konden geloven zonder te luisteren naar enige argumentatie. Ze hebben ook geprobeerd om mijn verzet te verdoezelen en twee van mijn artikelen werden na acceptatie vreemd genoeg nooit gepubliceerd.
Niet iedereen had bezwaar tegen mijn ideeën en de Oxford University Press vroeg mij om een artikel te schrijven. Omdat ik er minder tijd voor had dan ik had gehoopt en het secretariaat van mijn afdeling niet kon helpen, werd het artikel minder uitgebreid dan de uitgever had gehoopt. Maar het werd geaccepteerd en gepubliceerd in de vorm van een onderzoeksartikel (no. 5). Ik kreeg ook een uitnodiging van de directeur van het Koninklijk Instituut om een Vrijdagavond Cursus te geven. Die sloeg erg aan en ik ontving menige gelukwens, ook al kreeg ik enigszins geamuseerd in de gaten dat de meeste brieven waren geschreven op persoonlijk briefpapier en niet op het gebruikelijke briefpapier van de instellingen die ze vertegenwoordigden.
De geschiedenis van de relativiteit zou een boeiende studie kunnen opleveren en ik betreur het dat ik mij daar onvoldoende toe in staat acht. Ik heb mij beperkt tot zaken waar ik iets van afweet zoals meeteenheden en het vergelijken van klokken. Ik werd er toe aangezet door de raadselachtige resultaten van een proefneming door Michelson en Morley. Zij betoogden dat, als het licht zich met een vaste snelheid door de ether voortplantte en het aardoppervlak zich door de ether bewoog, er een waarneembare invloed van de beweging zou moeten zijn. Maar zij konden niets ontdekken. Fitzgerald en Lorentz gaven een empirische verklaring voor het feit dat bewegende staafjes korter werden en bewegende klokken langzamer gingen lopen. De wetenschap had grote behoefte aan een meer gedetailleerde afdoende verklaring en Einstein meende dat hij daarvoor had gezorgd. Maar het enige waar hij voor gezorgd had, was de invoering van ongerijmde ideeën in de natuurkunde en het benoemen van de Lorentz-contractie als uitgangspunt. De eerdere raadselachtige resultaten blijven derhalve bestaan en het is in het belang van de wetenschap dat er een ware verklaring wordt gevonden.
Geniaal of frauduleus
Het beroemde artikel uit 1905 lijkt geen enkele aandacht te hebben getrokken totdat Eddington terugkeerde van een expeditie die de zonsverduistering in 1919 onderzocht. Tijdens een vergadering van het Astronomisch Genootschap in Londen verkondigde hij onder grote belangstelling van de pers dat de resultaten van zijn onderzoek het bewijs leverden voor Einstein’s theorie. Hij meende de bevestiging te hebben gevonden van de mate waarin Einstein dacht dat het licht door de zon zou worden gebogen. Wetenschappers hadden er heel wat moeite voor over om de theorie experimenteel te ondersteunen omdat ze de noodzaak daarvan inzagen. Niettemin lijkt Eddington te hebben beweerd dat de theorie zo goed in elkaar zit dat als deze niet bevestigd wordt door de experimentele resultaten, de laatste wel verkeerd zullen zijn. Een kritisch onderzoek van zijn resultaten wees later uit dat minder geschikte waarnemingen werden genegeerd om toch vooral het verlangde resultaat te verkrijgen. Ook heeft iemand duidelijk aangetoond dat Einstein zelf twee resultaten had voorspeld die een twee maal zo grote afbuiging gaven. Tenslotte heeft het afbuigen van zonnestralen niets te maken met de speciale relativiteitstheorie en de klok paradox en toch werd het op een of andere geheimzinnige wijze beschouwd als een bevestiging. Omdat men nog steeds op zoek is naar experimentele ondersteuning werd er enkele jaren geleden in de Verenigde Staten een onderzoek uitgevoerd. Vier atoomklokken werden per vliegtuig in tegengestelde richting rond de aarde gevlogen. De afwijkingen tussen de verschillende klokken waren veel groter dan volgens het gezochte effect het geval had moeten zijn en toch beweerden de auteurs Einstein’s theorie en in het bijzonder de klok paradox te hebben bevestigd, door de ongewenste resultaten te negeren en de een of andere onduidelijke statische analyse uit te voeren. In een spectaculair televisieprogramma over het onderwerp nam een bekend acteur plaats in een namaak space-shuttle met de mededeling dat hij jonger terug zou komen dan wanneer hij op aarde was gebleven. Als intelligent persoon scheen hij het grote onzin te vinden en ik hoop dat de kijkers dat ook vonden.
Verenigde veldtheorie
Mijn bemoeienis met de theoretische natuurkunde is mislukt in die zin dat ik de aanhangers van relativiteit niet van hun fouten heb kunnen overtuigen. Misschien dat het nog iets heeft opgeleverd door wetenschappers aan te moedigen op zoek te gaan naar een wiskundige uitbreiding van de elektromagnetische theorie om de vele onverklaarbare mysteries alsnog te verklaren. Van de verschillende pogingen die inmiddels zijn ondernomen, zijn die van René- Louis Vallée in mijn ogen zeer bemoedigend. Het gaat om een verenigde veldtheorie die een elektromagnetische uitleg van de zwaartekracht geeft, met inbegrip van een buitengewoon belangrijk idee dat het misschien mogelijk is om de gravitatie energie in de ruimte op een veilige en winstgevende manier te benutten. Nadat hij betoogd had dat het Franse kernenergieprogramma het milieu belaste en verkeerd bezig was, werd hij gedwongen ontslag te nemen. Het zou jammer zijn als zijn ideeën niet nader werden onderzocht aangezien de kernfusieprogramma’s over de hele wereld weinig vooruitgang lijken te boeken, ook al worden er miljarden in gepompt.
Dat lichtstralen een bepaalde (eindige) snelheid hebben, werd al aan het begin van het tweede millennium gesuggereerd door de Iraakse geleerde Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham (Alhazen). Als toegewijd Moslim geloofde hij in de volmaaktheid van God en dat mensen licht ten prooi vallen aan dwalingen (!) Om de waarheid te ontdekken diende men afstand te nemen van elke vooringenomenheid en de natuur voor zichzelf te laten spreken door proefnemingen. “Een zoeker naar waarheid is niet iemand die de neiging heeft om te vertrouwen op oude geschriften”, zo schreef hij, “maar eerder iemand die ze juist wantrouwt en zich afvraagt wat hij eruit kan opmaken, iemand die zich onderwerpt aan argumentatie en demonstratie.” Deze empirische basis van de moderne wetenschappelijke methode kreeg pas in de 16e eeuw in Europa voet aan de grond.
Tegenwoordig kan iedereen thuis de eindige lichtsnelheid zelf bepalen.*
Gerelateerde Nederlandstalige literatuur:
Sander Bais. De sublieme eenvoud van relativiteit. Amsterdam University Press, 2007
Henk Dorrestijn. Op het spoor van de tijd. www.einsteingenootschap.nl
João Magueijo. Sneller dan de snelheid van het licht. Forum, 2003
Engelstalig: Ray Essen. Revolutions in Time: The world of Louis Essen, clockmaker and father of atomic time. Independently published, 2020