Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Albert Einstein

Volgens velen is hij de grootste natuurkundige ooit. Met slechts een pen, papier en zijn gedachte-experimenten ontwierp Albert Einstein een radicaal nieuw beeld van onze wereld. Kennislink deed een ‘fictief interview’ met de beroemde geleerde

Door Barry van der Meer via Kennislink

Het is een geweldig script voor een film. Aan het eind van de negentiende eeuw meenden wetenschappers dat de natuur geen grote geheimen meer voor ze had. De belangrijkste fenomenen, zoals elektriciteit enmagnetisme, lagen keurig netjes vast in wetten. De natuurkunde was wel zo’n beetje ‘af’. Dachten ze.

Maar wat zaten ze er naast. Albert Einstein (1879 – 1955) maakte dat pijnlijk duidelijk. Zijn relativiteitstheorieënschetsten een compleet ander beeld van de natuur dan men gewend was. Geen vaste plaats en tijd, maar een vervormbare ‘ruimtetijd’, gekromd door zwaartekracht. Zijn theorieën leidden tot moderne natuurkunde, zoals quantummechanica, maar spelen ook een cruciale rol in technologieën die we vandaag de dag gebruiken. Kennislink beeldde zich in hoe het zou zijn om de beroemde geleerde te kunnen interviewen. Hier lees je het resultaat.

Professor Einstein, u weet als geen ander dat dit interview met u wel fictief moet zijn, nietwaar?
“Haha, een grapje om mee te beginnen, daar houd ik van. Maar u heeft gelijk, tijdreizen is voor zover ik weet onmogelijk. Je moet dan sneller dan het licht kunnen gaan; het uitgangspunt van mijn relativiteitstheorie is dat dit niet kan.”

Daar komen we zo op terug, maar we beginnen bij het begin. Hoe ziet de jeugd van een genie eruit?
“Ik denk dat ik weet waarom u dit vraagt, want over mij wordt wel eens gezegd dat mijn jeugd geen voorbode was voor mijn latere succes. Volgens mijn moeder Pauline deed ik er bijvoorbeeld ongewoon lang over om te leren praten en was ik erg in mezelf gekeerd. Dat laatste klopt, dat gold ook voor mijn latere leven, maar dat ik een luie en ongeïnteresseerde student zou zijn – wat ik ook wel eens hoorde – is een fabeltje.

Goed, ik vond het gymnasium in München een verschrikking, met al zijn strenge regels. Maar uiteindelijk had ik alleen slechte cijfers voor Frans en Italiaans. In 1896 begon ik aan deTechnische Hogeschool in Zürich, de ETH. Docenten vonden me lui en langzaam, maar in werkelijkheid was dat niet zo. Bij opgaven zocht ik altijd door om nog betere oplossingen te vinden, en dat kostte nu eenmaal meer tijd.

Bovendien waren de colleges ouderwets. Ik was bijvoorbeeld erg geïnteresseerd in de theorieën van MaxwellLorentz (elektromagnetisme) ofBoltzmann (thermodynamica), maar die werden niet behandeld. Ik ging daarom liever mijn eigen weg en verdiepte me eigenhandig in hun werk. Uiteindelijk haalde ik prima cijfers; voor de meeste onderdelen was ik de beste in mijn jaar."

Vijf jaar na uw afstuderen, in 1905, beleeft u een ‘wonderjaar’. U schrijft in korte tijd vier invloedrijke wetenschappelijke artikelen. Beschrijf uw situatie eens op dat moment.
“Ik was 26 jaar, en net getrouwd met mijn Hongaarse vrouw Mileva Marić. Mijn eerste zoon Hans Albert was een jaar oud. Na mijn studie kon ik een tijdlang geen fatsoenlijke baan vinden. Uiteindelijk begon ik in 1903 bij het patentbureau in Bern, als ‘expert derde klas’ (de laagste rang als academicus, red.). Daar vertaalde ik ideeën van uitvinders in octrooien. Leuk werk hoor, maar ik miste een echte uitdaging. Ik was tijdens mijn werk vaak aan het dagdromen over actuele vraagstukken uit de natuurkunde, waar ik me in mijn vrije tijd in verdiepte. In het voorjaar van 1905 kwamen voor mij alle ideeën bij elkaar.”

Het bekendste artikel van de vier behandelt uw speciale relativiteitstheorie. Kunt u uitleggen wat de theorie inhoudt en hoe u erop kwam? 
“Als klein jongetje fantaseerde ik vaak hoe het moest zijn om op de rug van een lichtstraal te bewegen. Hoe zou de wereld er dan uitzien? Ook tijdens mijn werk op het patentbureau dwaalden mijn gedachten vaak af naar deze vraag. Toen ik op een dag in de bus door Bern reed en de kerkklok zag, brak een storm los in mijn gedachten. Als de bus steeds sneller zou rijden, fantaseerde ik, zou het licht van de klok er steeds langer over doen om mij te bereiken. Met andere woorden: ik zou de klok langzamer zien tikken!

De natuurkundige James Clerk Maxwell had in zijn vergelijkingen over elektromagnetisme laten zien dat delichtsnelheid een eindige waarde heeft. En hierbij speelden waarnemers geen rol. Stel, dacht ik, dat je aanneemt dat de lichtsnelheid voor iedereen hetzelfde is, wat betekent dat voor onze waarnemingen?

In de vergelijkingen die ik vervolgens afleidde, kon ik laten zien dat lengtematen korter lijken voor onderling bewegende waarnemers en klokken langzamer tikken. Daar was Lorentz ook al op uitgekomen, al ging hij daarbij uit van een bewegende ether die eigenschappen van objecten verandert."

Dat is lastig voor te stellen. Kunt u een voorbeeld geven?
“Jazeker, in lezingen voor een groot publiek gebruikte ik vaak het voorbeeld van een klok die bestaat uit twee verticale spiegels. Daartussen kaatst een lichtstraal heen en weer. Elke keer als het licht een spiegel raakt, ‘tikt’ de klok. Dus als de afstand tussen de spiegels een meter is, tikt de klok 300 miljoen keer per seconde (de lichtsnelheid is 300.000 kilometer per seconde, red.). Tenminste, voor iemand die naast de klok staat. Dat is misschien moeilijk voor te stellen, maar het is een gedachte-experiment, onthoud dat!

Stel nu dat de klok zich in een snel bewegende trein bevindt. Wat ziet iemand die op het perron staat en de trein met daarin de klok voorbij ziet rijden? Voor diegene beweegt het licht niet alleen in verticale richting, want in de tijd dat de lichtstraal van de ene spiegel naar de ander beweegt, legt de trein een afstand af. Deze waarnemer ziet het licht dus in een zigzag-vorm heen en weer gaan. Voor hem legt het licht een langere weg af tussen de spiegels dan voor de persoon in de trein. Maar omdat de lichtsnelheid voor iedereen hetzelfde is, tikt de klok voor de persoon op het perron dus langzamer.

Wat dit voorbeeld, en mijn speciale relativiteitstheorie in zijn algemeen laat zien is dat ruimte en tijd niet een vast raamwerk vormen waarin wij leven, zoals Isaac Newton dacht. Ruimte en tijd vormen één geheel – de ruimtetijd – dat zich vormt naar jouw perspectief. Wat je ziet, waar je dat ziet en hoe snel je dat ziet worden allemaal bepaald door de beweging die je zelf hebt. Met andere woorden: tijd en ruimte zijn relatief."

Een wereldschokkende conclusie. Hoe reageerde de natuurkundige gemeenschap?
“Ik was natuurlijk erg benieuwd naar de reactie van natuurkundigen, maar ik hoorde niets. Vier maanden lang! Dus ik werd wel een beetje onzeker, zoals u zich kunt voorstellen. Max Planck, de hoofdredacteur van het tijdschrift waarin het artikel werd gepubliceerd, was de eerste die de waarde er van in zag. Hij gaf er in 1906 een lezing over. Maar mijn idee werd pas aanvaard door de gemeenschap toen Hermann Minkowski, een oud-docent van me aan de ETH in Zürich, een rede gaf voor zo’n tachtig Duitse natuurwetenschappers in 1908.”

Intussen was uw vierde artikel ook al gepubliceerd, een aanvulling op de speciale relativiteit met daarin de bekende formule E = mc2. Hoe kwam u daarop?
“Ik gunde mezelf weinig rust, ook al kostte het werken aan de artikelen – naast mijn werk in het patentbureau – veel energie. Maar ik bleef doordenken over die universele lichtsnelheid. Denk maar eens mee met dit gedachte-experiment: als je een object een duwtje geeft, krijgt het een hogere snelheid. Een volgend duwtje geeft het een hogere snelheid. Logisch, lijkt me. Kun je dat oneindig blijven doen? Nee, want ik had immers het uitgangspunt genomen dat de lichtsnelheid voor iedereen hetzelfde is; sneller dan het licht kun je dus niet gaan.

Dat moet betekenen dat er een soort natuurlijke rem moet komen op het object naarmate je het meer versneld. Het object gaat zich op de een of andere manier verzetten tegen een hogere snelheid. Maar hier komt de crux: dat is hetzelfde als wanneer een object een grotere massa krijgt, want een zwaarder voorwerp breng je ook moeilijker in beweging. Kortom: hoe meer energie je in het object stopt, hoe meer massa het krijgt. Zo zie je – even heel simpel gezegd – dat de massa van een object afhangt van zijn energie. Een interessante conclusie, nietwaar?

De bewegingsvergelijkingen voor deze situatie heb ik uitgewerkt en dat leidde me vervolgens naar de formule die een maat geeft voor het verband tussen massa en energie. De energie (E) van een object staat gelijk aan de massa (m) keer de lichtsnelheid in het kwadraat (c2)."

Inmiddels is uw formule uitgegroeid tot ’s werelds beroemdste formule. Wellicht ook wel omdat het toepassing vond in de atoombom. Had u zoiets voorzien?
“Nee, totaal niet. Het splijten van atoomkernen om veel energie te winnen was op het moment dat ik de formule bedacht nog ver weg. We wisten überhaupt heel weinig vanatoomkernen. Over het idee dat je door kernen te splitsen veel energie kunt laten vrijkomen ben ik overigens altijd vrij sceptisch geweest. Ik vergeleek het met in het donker schieten op kraaien, waar geen kraaien zijn.”

Maar u bent toch betrokken geweest bij het Manhattan-project, het Amerikaanse onderzoek naar een atoombom?
“Dat is niet zo, ik ben op geen enkele manier betrokken geweest bij het project en was er nauwelijks van op de hoogte. Dat er bombardementen waren geweest hoorde ik via de radio en was voor mij een verrassing. Wat ik wél heb gedaan, en waar ik later de nodige kritiek op kreeg, is een brief sturen aan president Roosevelt in 1939. Daarin maakte ik kenbaar dat Duitsland aan een superwapen werkte. Ik drong aan om intensief onderzoek te doen naar de mogelijkheid van een atoombom.”

U was een uitgesproken pacifist. En toch spoorde u de Amerikanen aan een verschrikkelijk wapen te ontwikkelen?
“Ik weet het, ik heb er veel verdriet om gehad. Mijn hele leven heb ik gepleit voor vrede en tegen geweld. Geweld kan nooit een oplossing zijn voor conflicten. Maar wat ik vaak heb uitgelegd is dat je soms een uitzondering moet maken als de vijand dreigt jouw groep te verwoesten. Dat was het geval met het Duitsland onder Hitler. In dit land was ik sinds 1933 niet meer welkom vanwege mijn Joodse achtergrond. Liever dat de Amerikanen een bom maakten, dan het Nazi-regime. Maar toen ik zag wat zo’n bom teweeg bracht, heb ik me intensief ingezet om kernwapens uit te bannen.”

Even terug naar de relativiteit. Want daarmee zou u in 1915 uw wereldwijde doorbraak bereiken, toen u de theorie uitbreidde met de zwaartekracht. 
“Dat klopt. Mijn in 1905 gemaakte artikel beschreef de speciale relativiteitstheorie. Het betrof namelijk alleen constante snelheden. Maar in 1907 begon ik me af te vragen wat er gebeurt als iets versneld beweegt. En bovendien wilde ik de zwaartekracht beschrijven.

Mijn eerste ingeving voor deze algemenerelativiteitstheorie kreeg ik tijdens mijn werk in het patentbureau. Ik dacht plots aan de situatie dat een man van het dak valt. De zwaartekracht trekt de man naar beneden, maar de man zelf voelt tijdens de val zijn eigen gewicht niet. Blijkbaar is versnelling hetzelfde als zwaartekracht! Dit noemde ik het ‘equivalentieprincipe’.

Het betekende ook dat zwaartekracht de vorm van de ruimtetijd kan veranderen. Met andere woorden: de massa van een object laat de ruimtetijd om zich heen krommen! Maar ook al had ik dit idee vrij snel voor ogen, om het in goede vergelijkingen op te schrijven was een nachtmerrie en heeft me vele jaren gekost. Ik had de grootste moeite om de wiskunde van transformaties van meerdere dimensies te doorgronden.

Gelukkig kreeg ik daar hulp bij van mijn oude studievriend Marcel Grossman. Eind 1915 wist ik dat ik klaar was toen ik het verloop van het perihelium (de kortste afstand tussen de planeet en de zon, red.) van de baan van Mercurius correct kon berekenen. Ik was een paar dagen uitzinnig van vreugde."

U moest alleen uw collega’s nog overtuigen.
“Ja, want in eerste instantie waren ze sceptisch. Logisch, ze beseften dat ik de ideeën vanIsaac Newton terzijde schoof. Hij was een soort God. Ze hadden bewijs nodig. Dat bewijs was te vinden in de sterrenhemel. Volgens mijn theorie kromt een zwaar object de ruimte om zich heen, waardoor ook licht een buiging ondervindt. Het licht van de sterren achter de zon wordt dus iets afgebogen door de zon als het de aarde bereikt.

In 1919 deed een expeditie met onder andere de Britse astronoom Arthur Eddingtonwaarnemingen aan een zonsverduistering. Het licht van de sterren rondom de zon was precies volgens mijn voorspelde berekeningen verschoven. Dat was maar beter ook, want mijn theorie was correct. Dat klinkt misschien arrogant, maar ik wist gewoon dat ik gelijk had."

Het bewijs voor uw theorie was wereldwijd voorpaginanieuws. 
“Ik herinner me de kop nog van de Amerikaanse krant The New York Times‘Einstein theory triumphs’. Het was echt gekkenwerk, al die fotografen en verslaggevers! Ze stonden dagenlang voor mijn deur. En iedereen wilde dat ik lezingen of interviews gaf! Ik vond het zeer vermakelijk dat mensen zich zo opwonden over theorieën die ze zelf niet begrepen.”

U was niet altijd even gecharmeerd van de fotografen. We herinneren ons de opvallende foto met uw uitstekende tong.
“Dat was op mijn 72e verjaardag, in Princeton. We waren een avond uit geweest en ik zat achterin de auto. Fotografen hadden ons opgewacht en wilden maar niet weggaan. In al mijn irritatie heb ik toen mijn tong uitgestoken. Uiteindelijk kon ik erg om de foto lachen. Ik heb de foto nog vaak op ansichtkaarten gebruikt voor vrienden.”

Naast uw groei tot superster leidde uw algemene relativiteitstheorie ook tot ‘uw grootste blunder’. Licht u dat eens toe.
“Uit mijn theorie volgde dat het heelal óf uitdijt óf krimpt. Maar metingen leken aan te tonen dat het heelal statisch moest zijn. Ik voegde daarom een constante toe aan mijn vergelijkingen zodat mijn model een statisch heelal voorspelde en de overige uitkomsten hetzelfde bleven, de kosmologische constante. Maar later zou blijken, dankzij Edwin Hubble in 1929, dat het heelal wél uitdijt. Die kosmologische constante was dus helemaal niet nodig! Dat heb ik inderdaad mijn grootste blunder genoemd.”

Het zal u goed doen dat we inmiddels weten dat het heelal versneld uitdijt en een vergelijkbare kosmologische constante dit goed lijkt te kunnen beschrijven. Zo’n blunder was het dus misschien niet. Iets anders: we moeten het nog even hebben over uw theorie van licht. U noemde het zelfs uw meest revolutionaire idee. Waarom?

“De speciale relativiteitstheorie hing eigenlijk in de lucht. Dat de lichtsnelheid voor iedereen hetzelfde is volgt uit de beschrijvingen van elektromagnetische golven van Maxwell. De afleiding is zo eenvoudig, dat als ik het niet was, iemand anders het vroeg of laat wel had gedaan. De energie-eigenschappen van licht vond ik pas echt revolutionair.

Ik vond het merkwaardig dat toestanden van gassen en vloeistoffen bepaald worden door afzonderlijke atomen, terwijl elektromagnetische golven zich over alle punten in de ruimte voortplanten. Veel verschijnselen met licht zijn echter beter te begrijpen als je licht óók opgebouwd ziet uit een reeks losse deeltjes. Planck had dat ook gedaan, maar alleen als wiskundig trucje. Ik zag het als de realiteit, ook al ontbrak het bewijs daarvoor."

Het bewijs kwam met het foto-elektrisch effect. 
“Inderdaad, dat is het effect waarbij licht elektriciteit opwekt als je het richt op een metalen oppervlak. Daarbij was de kleur van het licht bepalend voor het wel of niet ontstaan van elektriciteit en werd de stroom niet groter als de intensiteit van het licht toenam. Dat waren sterke aanwijzingen voor mijn theorie dat licht uit energetische deeltjes bestaat die elektronen losslaan uit het metaal. Het Nobelcomité zag ook de revolutionaire waarde in blijkbaar, want ik heb er in 1922 de Nobelprijs voor gekregen.”

Interessanter is misschien wel dat uw lichttheorie aan de basis lag voor de nieuwe theorie van quantummechanica, die later door Niels Bohr en Werner Heisenberguitgewerkt werd. U voerde jarenlang discussies met Bohr over deze theorie. Vertelt u uw kant van het verhaal.
“In de quantumtheorie stond onzekerheid centraal. Eigenschappen van materie en energie konden alleen in kansen uitgedrukt worden. Dat kon ik niet accepteren. Alsof niets zeker is en toeval domineert! Het kan niet zijn dat God dobbelt met de natuur. Voor alles moet een oorzaak gevonden kunnen worden. Er moest dus een soort onderliggende realiteit zijn die we niet konden zien. Dat maakte de theorie naar mijn mening onvolledig.”

Helaas heeft u ongelijk gekregen. Later is uit experimenten gebleken dat Bohr het bij het rechte eind had.
“Daar geloof ik niets van. Het is een theorie waar intuïtie geen plaats heeft. Er moeten diepere processen zijn die we nog niet hebben gevonden.”

In 1920 kreeg u een eredoctoraat in Leiden. Wat voor band had u met Nederland?
“Nederland speelde een belangrijke rol in mijn leven. Ten eerste zag ik Hendrik Antoon Lorentzals een soort geestelijk vader. Lorentz was een genie. We ontmoetten elkaar voor het eerst tijdens de eerste Solvay-conferentie in Brussel, in 1911. Maar we hebben zeer intensief met elkaar gecorrespondeerd over relativiteit en straling.

Verder hebben Utrecht en Leiden beide geprobeerd mij als hoogleraar aan te stellen. Dat wilde ik niet, maar op aandringen van mijn goede vriend Paul Ehrenfest heb ik een eredoctoraat in Leiden aangenomen. De aanstelling had nog wel wat voeten in de aarde. De Nederlandse overheid ging pas laat akkoord, omdat er geruchten gingen over conflicten met studenten en intieme relaties. Allemaal misverstanden hoor. Uiteindelijk kwam ik geregeld in Leiden en logeerde ik bij Paul. Ik vond hier de rust tussen de hectiek in Berlijn."

Bedankt voor het interview. U bent inmiddels door het tijdschrift Time uitgeroepen tot persoonlijkheid van de 20e eeuw. Een mooie erkenning, nietwaar?
“Zeker, en toepasselijk gezien de naam van het tijdschrift. Je kunt wel stellen dat ik het begrip van tijd heb veranderd.”

Ontdek meer in de special