Het brein van Albert Einstein (1): Relativiteitstheorie

Posted on 15 februari 2015 by Jeppe Kleijngeld

‘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’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.

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.

Het brein van Albert Einstein (2): Zwaartekrachttheorie

Posted on 15 februari 2015 by Jeppe Kleijngeld

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.

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:

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.’

De 30 jaar te late opkomst van een rasartiest

Posted on 24 augustus 2014 by Jeppe Kleijngeld

Sugarman.
Won’t you hurry.
Cause I’m tired of these scenes.
For a blue coin.
Won’t you bring back.
All those colours to my dreams.
Silver magic ships, you carry.
Jumpers, coke, sweet Mary Jane.

Sugar Man
Rodriquez (1970), Cold Fact

Kleine tip: Ik raad je aan deze blog niet te lezen, maar de documentaire ‘Searching for Sugar Man’ te kijken. Het is een ongelofelijk verhaal, dat je een werelds goed gevoel zal geven. Maar als je tijd wilt besparen, hieronder de samenvatting.

In de jaren 70’ deden enkele succesvolle muziekproducenten in de VS een ontdekking: Sixto Rodriquez (artiestennaam Rodriquez), een briljante zanger en tekstschrijver uit Detroit. Rodriquez zingt poëtisch en profetisch over het leven in de grote stad, en doet sterk denken aan Bob Dylan, zowel qua stemgeluid als qua teksten.

De documentaire opent met het liedje ‘Sugar Man’, en ik dacht meteen, WOH! dit is één van de vetste nummers ooit. Die tekst, die stem, die melodie… Waarom ken ik dit niet?

En dat hebben meer mensen zich afgevraagd sinds de jaren 70’. Rodriquez nam twee platen op met de producers – Cold Fact en Coming From Reality – die het beide in thuismarkt USA slecht deden. Daarna verdween Rodriquez van het toneel. Onbegrijpelijk als je dit talent hoort. Wat ging er mis? Er is niemand die het kan uitleggen, maar de realiteit is dat het nooit voor hem gebeurd is…

In Amerika althans, want in Zuid Afrika, waar een stapel illegale kopietjes terecht kwam in de jaren 70’, werd Rodriquez een fenomeen. Iedereen had een kopie van ‘Cold Fact’ in zijn platencollectie. Rodriquez was groter dan Elvis in het Zuid Afrika van de apartheid. Alleen niemand wist wie de artiest was. Rodriquez had zich naar verluidt van kant gemaakt op het podium, en tot eind jaren 90’ werd dit door iedereen gelooft.

Toen ging een journalist en muzikale fan op zoektocht, en na lang speuren (onder meer via de songteksten van Rodriquez) belandde hij in Detroit en kwam hij erachter dat Rodriquez nog leefde! Hij had al die tijd sloopwerk gedaan in Detroit waar hij woonde met zijn drie dochters, en hij had geen idee dat hij een half miljoen platen had verkocht en een mega rockster was in Zuid Afrika. Wat in de documentaire niet verteld wordt is dat Rodriquez ook in Australië een culthit was en daar in de jaren 80’ rondgetoerd heeft. Maar in Amerika had niemand ooit van hem gehoord.

Tot nu… Door de documentaire heeft Rodriquez bekendheid in eigen land verworven, en is hij in diverse talkshows verschenen. De Zuid Afrikaanse journalist heeft hem ook naar Zuid-Afrika gehaald om grote concerten te geven. En zo heeft Rodriquez – decennia na de opnames van zijn platen – eindelijk de carrière gekregen die hij heeft verdiend. Respect.

Hoe werken onze hersenen? – Deel 2

Posted on 15 april 2014 by Jeppe Kleijngeld

Hoe uniek zijn menselijke hersenen?
Waarin verschillen mensen van chimpansees, het soort waarmee we het nauwste verwant zijn? Mensen hebben het vermogen om te plannen, en naar een doel toe te werken, ons aanpassend gedurende de reis ernaartoe. Chimpansees lijken zich meer bezig te houden met basale activiteiten zoals eten, seksen en bescherming zoeken tegen gevaar. Is dat het verschil, ons vermogen om hogere doelen na te streven?

Onze frontale kwab stelt ons in staat een hoger doel voor ogen te houden, terwijl we in het hier en nu leven. Uit onderzoek blijkt echter dat chimpansees dit vermogen ook hebben. Zij blijken in staat een figuurtje in een computerspel uit een doolhof te leiden, waarvoor ze de uitgang voortdurend in het oog moeten houden. De slimste apen lukt dit vrijwel moeiteloos, ook bij doolhoven die ze nooit eerder hebben gezien, en ze nemen zelden een verkeerde afslag. Vooruit plannen is dus niet uniek voor de menselijke soort. Wat wel?

Is het wellicht taal dat menselijke hersenen onderscheid? Daarmee zijn we immers in staat geweest complexe beschavingen op te bouwen, doordat we snel de kennis van de duizenden generaties voor ons kunnen doorgeven aan onze kinderen. Maar nee, de hersenen van chimpansees zijn weliswaar kleiner dan die van mensen, ze functioneren bijna hetzelfde. En apen blijken verdomd goed in staat taal te begrijpen, zelfs wanneer die complex en verwarrend is. Zo begrijpen ze dat een hot dog niet noodzakelijk heet hoeft te zijn, en dat er geen hond aan te pas komt.

Om te begrijpen waarin de hersenen verschillen moeten we teruggaan naar onze voorouders: de Neanderthalers. Zij maakten prachtige instrumenten, maar waren daarin lange tijd verdomd fantasieloos. Voor honderden duizenden jaren maakte zij steeds dezelfde stenen voorwerpen. Opeens is er iets veranderd en vond er een explosie plaats van creativiteit en innovatief vermogen. Mensen gingen materialen combineren en er ontstond een stroomversnelling van vernieuwing die tot de dag van vandaag voortduurt. Wat er precies in het brein is veranderd zullen we nooit exact weten, maar hiermee is de moderne denkende mens ontstaan.

Ontwikkeling van het brein
Hoe ontwikkelt het moderne brein zich? Wanneer men de hersenactiviteit van een baby meet terwijl gezichten worden getoond, is er een verschil in hersenactiviteit wanneer een gezicht omgekeerd wordt getoond. De vaardigheid om gezichten te herkennen is getraind door oefening. Bij iedere ervaring – hoe klein ook – maken hersencellen verbinding met elkaar. Door herhaaldelijke ervaringen worden bepaalde verbindingen sterker, net zoals dat ze zwakker worden wanneer ze niet getraind worden. Door op die manier te functioneren, is het brein flexibel en dynamisch.

Van een groot deel van onze hersenontwikkeling zijn we ons er niet van bewust, maar van sommige delen wel. Dat worden herinneringen. Voor de meeste mensen geldt dat hun eerste herinnering tussen de leeftijd twee en vier heeft plaatsgevonden. Maar we hebben ook veel herinneringen opgeslagen in de gigantische archiefkast die het brein is, waar we niet meer de sleutel van hebben. Herhaling traint het brein en vormt dus voor een belangrijk deel onze persoonlijkheid.

Het geheugen is opgebouwd uit verschillende delen. Met het semantische geheugen onthouden we feiten, zoals het verschil tussen een bloem en een boom, en een hond en een kat. Dit deel stelt ons in staat de wereld om ons heen te begrijpen. Het is als een gigantische databank die voortdurend wordt aangevuld en aangepast wanneer we nieuwe kennis en ervaringen opdoen.

Bij semantische dementie raakt iemand geleidelijk het vermogen kwijt onderscheid te maken tussen dingen. Dit ontstaat door celsterfte in een bepaald gebied, dat precies het omgekeerde proces in werking stelt als bij de hersenontwikkeling van een kind, waarbij het netwerk van neuronverbindingen wordt opgebouwd. De problemen bij semantische dementie zijn heel specifiek. Een patiënt kan zich bijvoorbeeld bepaalde gebeurtenissen nog prima herinneren, of de regels van favoriete spelletjes. Maar in het herkennen van dieren op plaatjes, is het kennisniveau vergelijkbaar met dat van een kind. De kennis is simpelweg afgebouwd.

Hoe ontstaat bewustzijn in de hersenen?
Het ultieme mysterie van het brein is bewustzijn. Een innerlijke wereld met het besef dat jij jij bent. Niet iets waar de meeste mensen veel over nadenken, maar desalniettemin een wonderlijk fenomeen. Hoe komt dit bewustzijn tot stand? De mening van de meeste neurowetenschappers is dat het bijzondere gevoel van bewustzijn ontstaat uit gewone hersenactiviteit. Het voelt misschien niet zo, maar veranderingen in de patronen van zenuwcellen die in het brein actief zijn, zijn de basis van alles wat we ervaren, redeneren zij. Maar dit is pure filosofie en geen wetenschappelijke theorie.

Vanuit de hersenonderzoekers gedacht moet bewustzijn dus ergens ontstaan in de maalstroom van elektrische activiteit in het brein. Maar hoe verklaren we dan welke van de vele netwerken van cellen boven de drukte uitgehoord worden? Welke eigenschap of welk proces in het brein zorgt voor bewustzijn? Een sterke prikkel kan zorgen voor een golf van hersenactiviteit die de rest tijdelijk overheerst. Anesthesie onderdrukken elektrische signalen tussen hersencellen, dat voorkomt dat de golven zich verder uitbreiden, waardoor een patiënt het bewustzijn verliest. Hallucinerende drugs, zoal Ketamine, creëren tijdelijk nieuwe netwerken tussen cellen die normaal niet actief zijn. Je hebt alleen geen drugs nodig om je hersenactiviteit te manipuleren. Door je op een andere plek te wanen en je voor te bereiden op een pijnlijke stimulus, kun je voorkomen dat je pijn voelt als je bijvoorbeeld een injectie krijgt toegediend. Je voorstellingsvermogen creëert dan een golf die sterker is dan de golf die door de pijnprikkel gecreëerd wordt.

En hoe zit het met het onbewuste? Het is aannemelijk dat al onze acties onbewust beginnen, en dat je je vervolgens bewust wordt van het resultaat. Er is een vertraging van ongeveer een halve seconde voor je iets merkt. We leven dus een halve seconde in het verleden, logisch gezien het grote aantal cellen dat moet samenwerken voor een bewuste ervaring. Een bekende filosofisch wetenschappelijke vraag is daarom of vrije wil wel bestaat. Bij het meten van hersenactiviteit van iemand die een bewuste beslissing neemt voor een actie, is al een opbouwende hersenactiviteit zichtbaar op de scan. De beslissingen die we dagelijks nemen die aanvoelen als bewuste keuzes zijn eigenlijk het resultaat van onbewuste processen in de hersenen, stelt de neurowetenschap.

Hoe ver neurowetenschappen ook zullen komen de komende eeuw, het zal nooit ondermijnen hoe het voelt om een uniek en individueel mens te zijn.

Zie ook:
Hoe werken onze hersenen? – Deel 1