De natuurkunde ontwikkelt zich over lange perioden geleidelijk; de vooruitgang vindt plaats in kleine stappen. Zo nu en dan komen er echter nieuwe ideeën naar voren die tot echte revoluties leiden. In de 20e eeuw zijn er twee van zulke ingrijpende vernieuwingen geweest: de relativiteitstheorie en de quantumtheorie.
De quantumtheorie:
De quantumtheorie gaf een antwoord op fundamentele vragen die er rond 1900 bestonden in de atoomfysica. Een centraal probleem was het discrete karakter van de atoomspectra. De nieuwe theorie, die dit verschijnsel op een bevredigende manier verklaarde, werd in 1924 als Quantummechanica geïntroduceerd door Schrödinger, Heisenberg en Born. Voorlopers waren Planck en Bohr.
De technische toepassingen van de quantummechanica zijn zeer belangrijk. Zonder quantummechanica geen transistoren, geen chips en dus geen computers. Ook geen lasers en dus geen CD-spelers. Zonder de quantummechanica zou de wereld om ons heen er anders uit zien.
De quantummechanica is gebaseerd op nieuwe en intrigerende ideeën. Fysische voorstellingen die vanzelfsprekend lijken moeten we laten varen. Om de quantummechanica goed te begrijpen moet men bovendien nogal wat wiskunde leren: lineaire algebra, matrix theorie en Fourier analyse.
De relativiteitstheorie:
Rond 1900 was er ook een fundamenteel fysisch probleem dat te maken had met de voortplanting van het licht. Nauwkeurige experimenten hadden aangetoond dat de lichtsnelheid onafhankelijk was van de bewegingstoestand van de waarnemer. Onderzoekers als Lorentz en Poincaré hadden onafhankelijk van elkaar interessante ideeën hierover geformuleerd. Een volledige oplossing van het probleem werd gegeven door de relativiteitstheorie. Deze was een schepping van Albert Einstein. Hij introduceerde in een publicatie in 1905 de Speciale Relativiteitstheorie, waarin hij een nieuwe opvatting gaf van de begrippen ruimte en tijd, en vooral van het verband tussen die twee. In 1912 formuleerde hij de Algemene Relativiteitstheorie, waarin hij zijn ideeën verder uitbreidde en daarbij een nieuwe beschrijving van de zwaartekracht ontwikkelde.
Wat toepassingen betreft is de relativiteitstheorie veel minder belangrijk dan de quantumtheorie. In onze alledaagse omgeving zien we er geen gevolgen van. Verschillen tussen een beschrijving door middel van de relativiteitstheorie en een met behulp van de niet-relativistische mechanica treden alleen op in omstandigheden waarbij we te maken hebben met extreem hoge snelheden. In de atoom en molecuulfysica is dit nog niet het geval; pas bij de kernfysica en de elementaire deeltjes fysica, waar het om zeer hoge energieën en dus ook om hoge snelheden gaat, wordt de speciale relativiteitstheorie onmisbaar. De grote deeltjesversnellers zouden niet werken als er bij de constructie geen rekening was gehouden met de wetten van de speciale relativiteitstheorie. De algemene relativiteitstheorie speelt zelfs op dit gebied nog geen rol. Alleen in de astronomie zijn er enkele kleine effecten die experimenteel aantoonbaar zijn. Opmerkelijk is daarbij vooral de studie aan de dubbelpulsar PSR 1913+16 waarbij vele relativistische effecten zijn waargenomen, inclusief het indirecte bewijs van het bestaan van gravitatiegolven, alles in opmerkelijke overeenstemming met Einsteins algemene theorie. J.H. Taylor en R.A. Hulse hebben voor dit werk in 1993 de Nobelprijs kregen. Ook bij de structuur van zeer compacte objecten, zoals witte dwergen en neutronensterren speelt de relativiteitstheorie een belangrijke rol, een rol die pas echt dramatische wordt bij zwarte gaten (we zullen daar tijdens het college een paar korte opmerkingen over maken). Ook bij de beschrijving van het heelal speelt de algemene theorie een belangrijke rol.
Los van de fysisch waarneembare gevolgen heeft de relativiteitstheorie vanaf het begin een grote aantrekkingskracht uitgeoefend door de fraaie en verrassende algemene inzichten waar ze toe leidde. De algemene relativiteitstheorie, dus de Einsteinse theorie van de gravitatie, vergt meer wiskundige kennis, al zijn er bepaalde aspecten - die we op het college aan zullen stippen, die wel eenvoudig te begrijpen zijn. Voor een goed begrip van de speciale relativiteitstheorie is geen ingewikkelde wiskundige kennis noodzakelijk. Einsteins nieuwe inzichten in ruimte en tijd, en enkele gevolgen er van, kunnen heel goed worden begrepen met alleen VWO wiskunde. Dit maakt het mogelijk al in dit eerste studiejaar een inleiding te geven in Einsteins speciale relativiteitstheorie. We zullen in deze nieuwe opzet van het college ook uitgebreid stilstaan bij een groot aantal belangrijke gedachtenexperiment - hun verbluffende eenvoud en het diepe inzicht dat daaruit volgt, kenmerkt veel van het werk van Einstein.
We maken nog enkele opmerkingen, eerst een algemene opmerking over de relatie tussen ``oude'' en ``nieuwe'' theorieën: In de natuurkunde kan het gebeuren dat men tengevolge van veranderde inzichten en van de resultaten van bepaalde experimenten een nieuwe theorie invoert die in de plaats komt van een bestaande en tot dusver algemeen aanvaarde theorie. Dit betekent maar zelden dat de oude theorie ``fout'' is. Zo is bijvoorbeeld de klassieke mechanica van Newton niet ``fout'' omdat we nu de Einsteinse relativiteitstheorie hebben. De meeste mechanische verschijnselen om ons heen worden nog steeds op zeer nauwkeurige manier door de traditionele Newtonse mechanica beschreven. We zouden er de relativiteitstheorie wel op mogen en ook kunnen toepassen, want we menen dat deze theorie voor alle verschijnselen geldt, maar dat zou ons geen voordeel opleveren; het zou alleen maar nodeloos ingewikkeld zijn. Pas bij verschijnselen zoals die optreden in een deeltjesversnellers, waar we immers te maken hebben met zeer hoge snelheden, zou de Newtonse mechanica verkeerde resultaten geven en moeten we de relativistische mechanica gebruiken. De nieuwe theorie heeft dus een groter toepassingsgebied - we kunnen zelfs denken dat ze algemeen geldt - maar de oude theorie behoudt haar waarde voor een kleiner gebied van verschijnselen, waar ze gebruikt kan worden als een zeer goede benadering van de nieuwe algemenere theorie.
We kunnen zeggen dat in de eerste helft van de 20e eeuw de klassieke mechanica in twee verschillende richtingen is generaliseerd: door de quantummechanica en door de relativiteitstheorie. Ze is op een bepaald gebied voor beide theorieën nog een zeer goede en bruikbare benadering. Men kan zich afvragen of er misschien een nog algemenere theorie is die beide generalisaties omvat: Is er een relativistische quantumtheorie? Als men zich tot de speciale relativiteitstheorie beperkt wordt dit probleem opgelost door de relativistische quantumveldentheorie waarmee bijvoorbeeld Dirac het bestaan van anti-deeltjes voorspelde; met de algemene theorie erbij is het probleem nog helemaal open - U heeft allemaal wel van de snaartheorie gehoord, die poogt juist dit probleem op te lossen. In de elementaire deeltjes fysica wordt het vinden van zo'n theorie die quantumtheorie en algemene relativiteitstheorie verenigt dan ook als de meest belangrijke theoretische uitdaging beschouwd.