Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Denk je aan een wetenschapper, dan is de kans groot dat je aan Albert Einstein denkt. ‘Hij’ speelt ook regelmatig een rol in films, denk bijvoorbeeld aan Oppenheimer en de Netflix-biopic Einstein and the Bomb. Maar hoe kon een voormalige kantoorklerk zo beroemd worden?
Een wetenschappelijke revolutie’, kopt The Times in Londen. ‘Het licht staat scheef in de hemel’, schrijft The New York Times. En direct daaronder meldt de krant: ‘Einsteins theorie triomfeert.’ Het is 7 november 1919 en de wetenschappelijke wereld schudt op zijn grondvesten. Metingen aan het licht van sterren hebben een revolutionaire theorie over de zwaartekracht bevestigd. En daarmee stoot Albert Einstein de historische natuurkundeheld Isaac Newton van zijn troon.
Maar toen Einstein de eerste stappen richting zijn ‘algemene relativiteitstheorie’ zette, was hij een onbeduidende figuur in de wetenschappelijke wereld. Wat bracht uitgerekend hem ertoe om Newtons eeuwenoude erfenis in twijfel te trekken? En hoe veranderde hij vervolgens de manier waarop er naar ruimte, tijd en licht wordt gekeken?
Lees ook:
Einstein deed lekker saai werk
Einstein had vroegtijdig de middelbare school verlaten en was gezakt voor het toelatingsexamen van de Universiteit van Zürich. Nadat hij alsnog zijn diploma behaalde, solliciteerde hij naar verschillende wetenschappelijke baantjes, maar werd steevast afgewezen.
Uiteindelijk kon hij aan de slag bij een octrooibureau in Bern. Op het eerste gezicht geen inspirerende omgeving voor geniale ingevingen, maar daarin vergissen we ons, schrijft sterrenkundige Pedro Ferreira in zijn boek De volmaakte theorie. “De saaiheid van het octrooibureau, met de duidelijk omschreven taken en het totale gebrek aan afleiding, leek voor Einstein een ideale omgeving om na te denken.”
En dat deed Einstein dan ook. Hij piekerde over ruimte, tijd en beweging. De simpele kantoorklerk ontdekte zelfs problemen met Newtons theorie over de zwaartekracht, die op dat moment meer dan tweehonderd jaar had standgehouden.
Volgens Newton trokken massa’s, zoals planeten, aan elkaar. Maar wat als één planeet nu plotseling verdween? Hoe ‘wist’ een andere planeet dan direct dat er niets meer aan hem trok?
Volgens Einstein was dit onmogelijk: een signaal van de zwaartekracht mocht niet sneller reizen dan het licht. Om de haarscheuren in Newtons theorie te dichten, wilde Einstein de zwaartekracht doorgronden. Hij wist toen nog niet dat zijn werk een complete omwenteling van het denken zou betekenen.
Experimenteel denken
In 1907 bedacht Einstein dat een persoon in vrije val geen zwaartekracht voelt, waardoor het voor deze persoon lijkt alsof hij in rust is. Hij noemde dit later “de gelukkigste gedachte van mijn leven”. Waarom was Einstein zo verrukt over dit besef?
Stel dat je opgesloten zit in een doos in een vliegtuig, terwijl je een appel eet. Op grote hoogte wordt de doos uit het vliegtuig gegooid. Als de appel uit je handen glipt, zou hij met dezelfde snelheid als jij blijven vallen. De appel lijkt voor je neus te zweven. Dat is precies wat een astronaut zou ervaren als hij een appel laat vallen terwijl hij in een doos door de ruimte zweeft. Dus, besefte Einstein, is het binnenin de doos onmogelijk om te bepalen of je een vrije val maakt, of dat je je buiten het zwaartekrachtsveld bevindt. Althans, totdat de smak tegen het aardoppervlak je verpulvert.
Zo is het ook onmogelijk om te bepalen of de zwaartekracht aan je trekt of dat de doos versnelt. Als je zit opgesloten in een doos die op de grond staat en je laat een appel vallen, dan valt hij naar je voeten. Zit je in een doos die steeds sneller door de ruimte vliegt, bijvoorbeeld doordat hij raketaandrijving heeft, dan duwt deze versnelling je tegen één wand van de doos. Als je de appel loslaat, valt hij naar dezelfde wand toe, die dan dus aanvoelt als ‘beneden’.
Einstein begreep dankzij zulke gedachte-experimenten dat een versnellende massa en een massa in een zwaartekrachtsveld vergelijkbaar zijn. Dit concept – het equivalentieprincipe – is de hoeksteen van de algemene relativiteitstheorie. Einstein publiceerde zijn eerste artikel erover al in 1908, maar het zou tot 1915 duren voordat zijn algemene relativiteitstheorie volledig op poten stond. Toen pas beschreef Einstein wat het equivalentieprincipe voor zwaartekracht, massa, ruimte, tijd en licht betekent.
Lees ook: Tien uitspraken die Einstein (niet) heeft gedaan
Einsteins theorie
Volgens Einsteins theorie bleek vooral licht zich vreemd te gedragen. Om dat te begrijpen, gaan we terug naar het gedachte-experiment. Stel je voor dat je door de ruimte zweeft in een doos die door een raketmotor wordt voortgestuwd. Die doos heeft een gaatje in de zijwand waardoor een lichtstraal naar binnen valt. Het licht doet er heel even over om de ruimte in de doos te doorkruisen. Voordat de lichtstraal de andere zijde van de doos bereikt, is er dus wat tijd verstreken – tijd waarin de doos bleef versnellen. Het licht zal daarom niet precies tegenover het gat de achterwand raken, maar een stukje eronder.
Wie zich in de doos bevindt, ziet het licht als een gebogen straal. Maar het equivalentieprincipe eist dat er geen verschil is tussen een versnelde doos in de ruimte of een doos in een zwaartekrachtsveld. De conclusie die Einstein trok, lijkt bizar: een lichtstraal zal ook in een zwaartekrachtsveld afbuigen. Om dat te verklaren, stelde Einstein voor dat zwaartekracht de ruimte kromt.
Maar weinig mensen konden Einsteins theorie doorgronden
Einsteins theorie maakte daarmee een einde aan de ruimte als een onbuigzaam rooster waarin sterren en planeten bewegen. Ruimte en tijd zijn beweeglijk – en onlosmakelijk met elkaar verbonden. Objecten met een massa veroorzaken krommingen in de ruimtetijd en de effecten daarvan zien wij als zwaartekracht.
Vergelijk de ruimtetijd met een trampoline. Zolang er niets op de trampoline ligt (de ruimtetijd is leeg), is het oppervlak recht. Ligt er een golfballetje op de trampoline, dan deukt het oppervlak iets in. Als je een bowlingbal op de trampoline legt, deukt hij veel meer in. Met andere woorden: een grotere massa kromt de ruimtetijd sterker. Stel nu dat je een knikker op de trampoline gooit. Hij zal naar de diepe kuil van de bowlingbal rollen. De kromming treedt op als de zwaartekracht, die een massa (knikker) naar een grotere massa (bowlingbal) trekt. Zelfs licht moet zich aan de kromming van de ruimtetijd houden.
Dankzij Einstein was zwaartekracht niet langer een effect in de ruimte, maar een effect van de ruimtetijd. Of zoals de natuurkundige John Wheeler het in zijn boek A journey into gravity and spacetime verwoordt: “De ruimtetijd bepaalt hoe massa beweegt, maar massa bepaalt hoe de ruimtetijd kromt.”
‘Wie is dan de derde?’
Op 25 november 1915 presenteerde Einstein zijn werk aan de Pruisische Academie van Wetenschappen in Berlijn. Zijn formules, die beschrijven hoe massa de kromming van de ruimtetijd beïnvloedt, waren ongelooflijk complex. “Toch waren ze veelbelovend,” schrijft Ferreira, “want de uitkomsten waren te gebruiken om te voorspellen wat er in de natuur kan gebeuren, van de baan van een kogel tot de banen van de planeten. Het leek erop dat de geheimen van het heelal waren te ontdekken door het oplossen van Einsteins vergelijkingen.”
Slechts weinig mensen konden Einsteins theorie destijds doorgronden. De Engelse astrofysicus Arthur Eddington was een van hen. Het verhaal gaat dat de natuurkundige Ludwik Silberstein tijdens een lezing van Eddington zei: “Professor, u moet een van de driemensen in de wereld zijn die de algemene relativiteitstheorie begrijpen.” Toen Eddington wat bedenkelijk keek, voegde Silberstein eraan toe dat hij niet zo bescheiden moest zijn. Eddington wuifde dat weg: “Integendeel. Ik vraag me af wie de derde is.”
Niet alleen de moeilijkheidsgraad van Einsteins bizarre theorie was een probleem. Hij moest ook een manier bedenken om aan te tonen dat hij gelijk had. Einstein kon zijn collega’s niet zomaar een gebogen lichtstraal laten zien: op aarde was het krommingseffect te klein om waar te nemen. Maar hij besefte dat de zwaartekracht van de zon wél sterk genoeg is om licht meetbaar te buigen.
Daarom stelde hij voor dat sterrenkundigen nauwkeurig de positie van een sterrencluster zouden bepalen. Vervolgens konden ze dan de positie van dezelfde sterren opnieuw meten wanneer de cluster bijna achter de zon stond. Als de zwaartekracht van de zon het sterlicht daadwerkelijk omboog, zou het lijken alsof de sterren een beetje waren opgeschoven.
Genadeslag voor Newton
Eddington wilde dit experimentele bewijs maar al te graag leveren. Omdat fel zonlicht een meting gewoonlijk onmogelijk maakte, moest hij wachten op een zonsverduistering. Zodra de maan het zonlicht blokkeerde, kon hij de achtergrondsterren fotograferen en hun posities bepalen.
Op 29 mei 1919 kreeg Eddington die kans. Tijdens een zonsverduistering van slechts vijf minuten maakte hij een aantal heldere foto’s. Op 6 november van datzelfde jaar deelde Eddington zijn meetresultaten met Britse collega’s. Zijn oordeel betekende de genadeslag voor Newton: op de foto’s leken de sterren inderdaad verschoven te zijn. De zwaartekracht van de zon had het sterlicht afgebogen. Einsteins theorie was bewezen.
Dat maakte de algemene relativiteitstheorie vanaf dat moment dé manier om over de zwaartekracht na te denken. In één klap was Albert Einstein, de man die zijn carrière begon als kantoorklerk, wereldberoemd.
Dit verhaal verscheen oorspronkelijk in KIJK 4/2015.
Tekst: Ans Hekkenberg