Beroemde wetenschappers: Albert Einstein

De van oorsprong Duitse natuurkundige Albert Einstein was de grootste wetenschapper van de 20e eeuw. Maar zijn beroemde relativiteitstheorieën, zoals over de afmetingen van ruimte en tijd en veel van zijn andere ideeën, zijn voor leken soms buitengewoon moeilijk te begrijpen. Recente testen met een deeltjesversneller lijken één theorie te ondergraven. Zijn beroemde formule E=mc², over de verhouding tussen energie en massa, is gebruikt om de atoombom te ontwikkelen.

Einsteins introductie van de speciale relativiteitstheorie

Albert Einstein was in zijn jonge jaren geen uitblinker op school. Hij bleef niettemin studeren en ontving in 1905 de graad van doctor in de wetenschap van de universiteit van Zürich. In datzelfde jaar publiceerde hij vier briljante artikelen in een vakblad voor natuurkunde en kwam zijn genialiteit aan het licht. Eén van deze artikelen, Over de elektrodynamica van bewegende lichamen, introduceerde hij de speciale relativiteitstheorie. Het was Einsteins oplossing voor een probleem dat hem lange tijd had beziggehouden en waarvan hij later toegaf deze theorie in eerste instantie ook moeilijk te doorgronden. Het ging om een schijnbare tegenstrijdigheid tussen twee belangrijke theorieën.

De eerste theorie, die in de 17e eeuw werd geformuleerd door de Engelse natuurkundige Isaac Newton (1642-1727), stelde dat snelheid een relatief begrip is. Als een auto bijvoorbeeld 80 km/u rijdt, beweegt de auto zich in verhouding met een stilstaande waarnemer exact met die snelheid. Maar in verhouding tot een andere auto die met 60 km/u naar de eerste auto rijdt, komt de auto met 140 km/u aangereden. De tweede theorie, geformuleerd door de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell (1831-1879), was dat de lichtsnelheid nooit verandert. De snelheid waarmee de lichtbron of de waarnemer zich beweegt maakt geen enkel verschil.

Einstein stelde in zijn speciale relativiteitstheorie dat Maxwell gelijk had. Hij voorspelde dat Newtons methode om relatieve snelheden te berekenen niet meer zou opgaan als objecten de lichtsnelheid benaderden. Einstein was van mening dat niets sneller kon dan de snelheid van het licht (300 000 km per sec.). De gecombineerde snelheid van twee voorwerpen die naar elkaar toe bewegen kon dus nooit hoger zijn dan de lichtsnelheid, hoe snel ze zich ook voortbewogen. Hoe dichter ze bij de lichtsnelheid zouden komen, hoe zinlozer de berekening zou worden.

Einsteins theorie stelt ook dat als een voorwerp de snelheid van het licht benadert, de lengte afneemt en de massa toeneemt. Een bewegende klok zal ook langzamer gaan lopen naarmate de snelheid toeneemt -een verschijnsel dat we tijddilatatie of tijdrek noemen: het verschijnsel dat volgens een stilstaande waarnemer de tijd van een bewegende waarnemer trager verloopt. Het effect is uiterst gering bij alledaagse snelheden, maar wordt merkbaar als de snelheid de lichtsnelheid nadert. Wetenschappers hebben deze theorieën bewezen door elementaire deeltjes (niet te splitsen deeltje, zoals elektronen, neutrino's en quarks) met grote snelheden door deeltjesversnellers af te vuren: apparaten waarin geladen deeltjes tot hoge energieniveaus gebracht worden door ze te versnellen tot snelheden in de buurt van de lichtsnelheid.

Speciale relativiteitstheorie ontzenuwd?

Neutrino's die van 's werelds grootste, krachtigste en 27 km lange ringvormige deeltjesversneller Large Hadron Collider (

LHC) in Cern bij Genève (zie afbeelding links) door de aarde heen naar een ondergronds lab in Italië geschoten werden in september 2011, kwamen daar eerder aan dan volgens de lichtsnelheid mogelijk is. Als dit resultaat wordt herhaald, moet Einsteins speciale relativiteitstheorie worden herzien. De kerndeeltjes legden de reis van 730 km door de aardkorst af in 2,4 milliseconden. Als het resultaat bevestigd wordt, zijn de gevolgen voor de natuurkunde nauwelijks te overzien. Het is een basisgegeven van de relativiteitstheorie dat een klok voor een waarnemer steeds langzamer gaat lopen naarmate hij sneller beweegt. Voor een deeltje dat met de lichtsnelheid beweegt, bestaat de tijd in zekere zin niet meer, omdat zijn interne klok tot stilstand komt. Uit Einsteins formules volgt, dat als een deeltje sneller beweegt dan het licht, zijn interne klok terug gaat lopen. Dit werd zo onmogelijk geacht, dat tot nu toe werd aangenomen dat niets sneller kan bewegen dan het licht. De Italiaanse claim blijkt achteraf zeer wankel. Metingen aan neutrino's lijken bij nader inzien toe te schrijven aan een slecht contact in de meetopstelling.
Dit melden bronnen rond het OPERA-experiment in Gran Sasso, diep onder de bergen bij L'Aquila.

Einsteins algemene relativiteitstheorie

De speciale relativiteitstheorie gold alleen voor stilstaande voorwerpen of voorwerpen met een vaste snelheid. Na de publicatie werkte Einstein aan een toevoegsel dat ook zou gelden voor versnellende voorwerpen. Dit werd in 1916 gepubliceerd als De Grondslag van de algemene relativiteitstheorie. Deze algemene relativiteitstheorie is een ingewikkeld stukje wiskunde. Isaac Newton had gezegd dat zwaartekracht werkzaam is tussen alle lichamen met massa en ze naar elkaar toe trekt. Hoe massiever het voorwerp, hoe meer kracht het uitoefent. Einstein stelde dat zwaartekracht geen eigenschap van massa was, maar van ruimte. Zware lichamen vervormen de ruimte zodat er een kromming ontstaat. Het is te vergelijken met een bal die op een rubberen vel wordt gegooid. Lichamen die lichter zijn, ook lichtstralen, 'vallen' in de schijnbare kuil.

Misrekeningen in Einsteins algemene relativiteitstheorie

Ook al was Albert Einstein briljant, hij maakte toch enkele fouten. Hij berekende met behulp van zijn algemene relativiteitstheorie dat het heelal niet uitdijde maar statisch was. Later omschreef hij deze conclusie, die nog tijdens zijn leven door Edwin Hubble en anderen werd gecorrigeerd, als 'mijn grootste vergissing'. Einstein had ook moeite met de quatumtheorie, die in 1900 door de Duitse natuurkundige Max Planck was ontwikkeld. Deze theorie zegt dat materie energie uitstraalt en absorbeert in pakketjes, de zogeheten quanta. Einstein paste deze theorie met succes toe op licht, maar door de latere ontwikkelingen raakte hij ervan overtuigd dat de theorie gebreken vertoonde. Sindsdien is de quantumtheorie algemeen geaccepteerd en vormt het samen met de algemene relativiteitstheorie de overgang naar de moderne natuurkunde.

Einsteins reputatie ongeschonden

Einsteins naam en faam, die na de publicatie van de relativiteitstheorie een hoge vlucht had genomen, liep door deze missers nauwelijks een deuk op. Nadat de zonsverduistering van 1919 het bewijs had geleverd van zijn theorie, dat licht wordt afgebogen door zware objecten in de ruimte, was hij verzekerd van wereldfaam. Door de omstandigheden van de eclips kon de Britse astronoom Eddington testen of het pad van sterrenlicht werd beïnvloed door de enorme massa van de zon. Dit licht-afbuigingseffect bleek te kloppen, precies zoals Einstein had voorspeld. Dit effect kon op 11 augustus 1999 in Europa en veel delen van de wereld opnieuw worden waargenomen tijdens een totale zonsverduistering (zie afbeelding rechts).

Einstein en de atoombom

In Albert Einsteins vierde artikel uit 1905 stond de beroemde formule E = mc², die de verhouding tussen energie (E) en massa (m) toont. De hoeveelheid energie in een stuk materie is gelijk aan de massa vermenigvuldigd met de lichtsnelheid in het kwadraat (c²). Omdat het licht met een hele hoge snelheid voortbeweegt, kan een massa in een enorme hoeveelheid energie worden omgezet. Toen Einstein deze vergelijking schreef, was het pure wetenschap. Maar toen de Tweede wereldoorlog naderde, begonnen de nazi's het principe te gebruiken om de atoombom te ontwikkelen. In 1939 schreven Einstein en andere geleerden een brief aan de Amerikaanse president Franklin D. Roosevelt, waarin ze de VS aanspoorden soortgelijk onderzoek uit te voeren. Toen de Amerikanen in 1945 uiteindelijk een atoombom op de Japanse stad Hiroshima gooiden, was Einstein echter geschokt door de verwoesting. Hij werd een overtuigd pacifist.