Het brein van Albert Einstein (1): Relativiteitstheorie

‘Ons verlangen naar begrip is eeuwigdurend’
Albert Einstein

Hij heeft zijn leven lang geprobeerd licht te begrijpen en hij is daar als geen ander in geslaagd. Toen hij 16 was vroeg hij zich af hoe het zou zijn om op een lichtstraal mee te reizen. De vraag bleef hem 10 jaar lang achtervolgen. De simpelste vragen zijn altijd het lastigste te beantwoorden, aldus Albert Einstein (1879 – 1955).

De documentaire ‘Einstein Releaved’ schetst een beeld van het leven van het natuurkundig wonderbrein. Zijn ideeën over licht, ruimte, tijd en zwaartekracht hebben ons beeld van het universum voor altijd veranderd. Maar wat heeft hij precies bedacht en hoe is hij tot die ideeën gekomen?

Einstein 4

Einstein’s jeugd
De vader van Einstein produceerde dynamo’s, dus de jonge Albert was omringt door elektriciteit en mensen die hem graag dingen uitlegden. Elektromagnetisme was de familie business en de vroege kennismaking met deze natuurkracht maakte dat hij al jong begon met het vormen van zijn briljante ideeën. De fabriek fungeerde als laboratorium waar Einstein dingen kon visualiseren, wat zo belangrijk werd in zijn latere wetenschap.

Hij was een vroege leerling; toen hij 10 was begon hij zijn programma van exponentiele zelfontwikkeling. Hij las ieder boek over wetenschap dat hij kon vinden. Op zijn vijftiende verhuisde hij naar Italië, waar zijn vader zijn fabriek had geheralloceerd. De jonge Albert gaf zijn Duitse nationaliteit op om aan de dienstplicht te ontsnappen. Zijn vader stuurde hem naar Zwitserland om zijn middelbare school af te maken, Hij kwam op een uitstekende school terecht dat een mooi laboratorium had waar Einstein rustig kon kennismaken met de natuurkunde.

Speciale relativiteitstheorie
Toen hij leerde dat licht een elektromagnetische golf is die door de ruimte reist, had Einstein zijn levenswerk gevonden. Over licht werd altijd verondersteld dat het zich gedroeg als een golf die zich door de ether voortbewoog, maar Einstein stelde als eerste wetenschapper dat de ether niet bestond. Uit talloze onderzoeken bleek ook dat licht zich helemaal niet in golven beweegt, maar met constante snelheid, en daarmee een uitzondering vormt op alle andere natuurfenomenen.

Na de universiteit kwam Einstein terecht op een patentenbureau. Deze baan was zijn talent weliswaar niet waardig, maar stelde hem wel in staat te experimenteren met natuurkunde onder en buiten het werk. Zijn ideeën begonnen nu echt vorm te krijgen. In 1905 aanvaarde Einstein dat lichtsnelheid constant was overal in de natuur. Maar als lichtsnelheid constant was, moest er volgens Einstein iets anders zijn dat niet constant was. En hij vermoedde dat dat wel eens ‘tijd’ zou kunnen zijn. Wat als de snelheid van licht constant is, maar het verstrijken van tijd niet?

Dit was een radicale gedachte. Voor iedereen behalve Einstein was tijd absoluut onveranderlijk. Het idee dat tijd onzeker kon zijn was moeilijk te bevatten. Zelfs voor Einstein. Maar tijdens een wandeling met een vriend drong het antwoord tot hem door. Tijd is relatief. Voor iemand die beweegt verloopt hij anders dan voor iemand die stilstaat. In een beroemd experiment zette Einstein twee palen een stuk uit elkaar langs een spoorbaan. Als de bliksem tegelijk in beide palen zou inslaan, zou iemand die er recht voor staat de inslagen tegelijk waarnemen. Maar iemand die in een trein voorbij zou komen, en op het moment van inslag precies tussen de twee palen in zou zijn, zou eerst de ene inslag zien en dan pas de andere. Niet simultaan dus.

Einstein 1

Met dit gedachte-experiment bewees Einstein zijn relativiteitstheorie. ‘Eigenlijk was het heel eenvoudig’, zei Einstein. ‘Het enige wat mijn theorie aantoont is dat tijd voor de één anders verstrijkt dan voor de ander, afhankelijk van de snelheid waarmee de persoon zich voortbeweegt.’ Vijf weken na het experiment had Einstein zijn speciale relativiteitstheorie uitgewerkt. Hoe sneller je beweegt, hoe langzamer je klok tikt vergeleken met een stilstaande waarnemer. Dat betekent dat tijd langzamer verloopt als je in de auto op weg naar je werk bent, dan wanneer je achter je bureau zit. Met 50 kilometer per uur zijn de verschillen echter niet waarneembaar, maar bij grote snelheden wel.

Einstein beantwoorde vervolgens de vraag uit zijn jeugd: ‘Hoe zou het zijn om op een lichtstraal mee te reizen?’ Het antwoord is dat dit nooit zou kunnen, want bij lichtsnelheid krimpt lengte tot nul, en staat de tijd stil.

Huh? Staat de tijd stil? Ja, dat is het meest bizarre aan deze theorie. Als je zou kunnen reizen op lichtsnelheid staat de tijd voor jou stil. Stel je voor dat je een vriend met een raket zou zien opstijgen uit jouw achtertuin en hij zou met lichtsnelheid kunnen reizen – en je zou zijn reis volgen met een telescoop en de afstand is een lichtjaar, dan zou bij zijn aankomst voor jou een jaar verstreken zijn, maar voor hem helemaal geen tijd. Hij zou aankomen op precies hetzelfde moment als hij vertrokken is.

En dat is Einstein’s ontdekking van de speciale relativiteitstheorie.

Advertenties

Het brein van Albert Einstein (2): Zwaartekrachttheorie

1905 was Einstein’s wonderjaar. Zijn brein stroomde over van de ideeën. Hij onderzocht de kwantumtheorie en de deeltjesnatuur van licht en het bestaan van de atoom. Daarna paste hij speciale relativiteit toe op massa en energie. Hier komt zijn beroemde formule E = mc2 vandaan. Dit betekent: de energie van een voorwerp is gelijk aan de massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat. Iedere gram materie bevat een enorme hoeveelheid energie, maar als die energie niet ontsnapt kan ze niet worden waargenomen. Einstein: ‘Je kunt het vergelijken met een extreem rijke man die nooit iets uitgeeft. Niemand kan zien hoe rijk die man is.’

Hoe bijzonder Einstein’s ontdekkingen ook waren, de wereld leek ze eerst niet op te merken. Wie zou kunnen vermoeden dat een 26-jarige ambtenaar ideeën zou bedenken die voor altijd ons begrip van het universum zou veranderen? Maar hoe revolutionair de speciale relativiteitstheorie ook was, Einstein realiseerde dat er één ding aan ontbrak: zwaartekracht.

Revolutionaire nieuwe zwaartekrachttheorie
Zwaartekracht lijkt eenvoudig, maar alle wetenschappers waarschuwde Einstein er niet aan te beginnen. Het zou te een te moeilijk probleem zijn en zelfs al zou hij het oplossen zou niemand hem geloven. Toch begon hij – koppig als hij was – aan deze uitdaging en het zou een lange periode van ongekend hard werken worden voordat hij deze puzzel zou kraken.

Een gedachte-experiment bracht ook hier weer uitkomst. Wat gebeurt er als iemand in een lift staat en de kabel breekt? Hij zou gewichtloos zweven. Hij en de lift zouden beiden even hard vallen in het zwaarteveld van de aarde en de passagier zou loskomen van de vloer. Daarna veranderde Einstein het decor. De persoon zat nu in een raket die door de ruimte zweefde ver van de aarde af. Hij zou nog steeds zweven, zonder zwaarteveld dat hem aan de grond hield. Maar wat zou er gebeuren als de raket bewoog? Door de acceleratie van de raket komt de vloer omhoog en drukt zich tegen de passagier aan. Voor hem lijkt het alsof de zwaartekracht hem aan de grond houdt. Als zwaartekracht en acceleratie hetzelfde voelen, zijn ze dat mogelijk ook wel.

Einstein 2

Dit was de basis van Einstein revolutionaire zwaartekrachttheorie. Jaren later bedacht Einstein dat tijd en ruimte zouden kunnen kromtrekken. Wat zou er dan ontstaan? Zwaartekracht. Einstein’s briljante idee dat alles kloppend maakt bestond eruit dat materie en energie de ruimte en tijd doen krommen. Ruimtelijke materie is vlak, maar voeg een enorme massa toe – zoals een ster of planeet – en het hele plaatje verandert. De massa van de ster creëert een gigantische deuk in de ruimtetijd. Alles dat vlakbij passeert, rolt in en rond deze kromming. Dat is de zwaartekracht: Het rechtste pad door die kromming gecreëerd door materie en energie.

Het bijzondere bij al zijn ontdekkingen is dat hij ze vrijwel uit het niets bedacht heeft. Zijn theorieën zijn gebaseerd op zijn redenaties over hoe god het universum geschapen moet hebben. Bij het berekenen van de banen van planeten kwamen er natuurlijk wel eens afwijkingen naar voren, maar Einstein wist deze – met behulp van Wiskundige vrienden die verstand hadden van de complexe geometrie van krommingen – op te lossen. Einstein: ‘Toen ik ontdekte dat mijn berekeningen de baan van Mercurius exact voorspelden knapte er iets in me. Het gevoel was zeer extreem. Ik kon dagenlang niet werken, ik was buiten mezelf. Nog nooit was ik zo vreugdevol geweest.’

De berekening onderstreepte Einsteins radicale idee dat ruimtetijd gekromd is. Mercurius, de binnenste planeet, wijzigt z’n baan rond de deuk in de ruimtetijd gecreëerd door de enorme massa van de zon. Alle massa vervormt de ruimte om zich heen. Zelfs licht, had Einstein jaren eerder ontdekt moet alle krommingen in ruimte en tijd volgen en brengt zo het universum als geheel in kaart. Dit inzicht stuwt het wetenschappelijke verhaal van de schepping. De oerknal, het uitdijende universum, de structuur van melkwegstelsels: de grote stap van de moderne kosmologie is direct afgeleid van deze vergelijking:

Einstein 3
Ruimte en tijd staan links, materie en energie staan rechts.

Dit is de algemene relativiteitstheorie, Einstein’s zwaartekrachttheorie.

‘Waarom was ik degene die dit bedacht?’, vroeg Einstein zich af. ‘Normale volwassenen denken nooit na over dingen als tijd en ruimte. Alleen kinderen vragen daar naar en ik ben altijd kind gebleven. Ik bleef de simpelste vragen stellen. Dat is mijn geheim.’

Einstein 5