Albert Einstein is bijna synoniem met de relativiteitstheorieën uit 1905 en 1915. Wie heeft er nou niet gehoord van E = mc²? Wat die formule nou precies betekent, en dat hij helemaal niet zo centraal in de theorie staat als je wel zou denken, is een stuk minder bekend.

De relativiteitstheorie gaat namelijk over van referentiekader wisselen. Wie een natuurkundige gebeurtenis bekijkt vanuit stilstand, of langsrazend met een kwart van de lichtsnelheid, ziet namelijk heel andere zaken gebeuren. Het begrip “gelijktijdig” verloor door zijn werk haar betekenis. Lengte werd relatief, klokken moest je bijstellen als je een lange en snelle reis ondernam. Einstein verklaarde dat in 1905 met wiskunde die een beetje VWO-er al kan begrijpen. Voor dat alles kreeg hij niet eens de nobelprijs, terwijl zijn theorie talloze tests glansrijk doorstond en toepassingen bij de vleet heeft.

Licht dat zich door zwaartekracht laat afbuigen en massa’s, zo compact dat het licht er niet aan kan ontsnappen, dat klinkt niet bepaald alledaags. Het zijn voorspellingen uit Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie (1915). Met die theorie maakte hij duidelijk hoe zwaartekracht inwerkt op tijd en ruimte. De voorspelde afbuiging van licht door de zon en het bestaan van zwarte gaten zijn ondertussen gemeten. Maar ook dichter bij huis werkt de ART: bijvoorbeeld in satellieten. Zonder een correctie uit de ART zouden die namelijk de tijd sneller voelen verstrijken dan mensen op het aardoppervlak. GPS-metingen, die tijdssignalen uitwisselen tussen satelliet en ontvanger op aarde, zouden er hopeloos van in de war raken.

Nobelprijs voor tegenspraak

Einstein kreeg wel degelijk een Nobelprijs voor zijn natuurkunde, alleen niet speciaal voor de relativiteitstheorie. In 1921 werd hij geëerd “voor zijn werk aan de Theoretische Natuurkunde, in het bijzonder voor zijn theorie over het foto-elektrisch effect”. Einstein liet zien hoe licht dat elektronen uit een metaaloppervlak losslaat en toonde ermee aan, dat licht uit deeltjes ( fotonen) moest bestaan. Wiskundig geen enkel probleem, maar wel degelijk een doorbraak in de natuurkunde. Al jaren was namelijk bekend dat licht een golfverschijnsel is. Einstein’s werk was een mooie ondersteuning van de kwantummechanica. Die zegt namelijk dat licht zowel golf als deeltje is, net als materie-deeltjes soms golven zijn.

Net zo onschuldig als het foto-elektrisch effect is Einstein’s korte uitstap naar de Brownse beweging. Als je door de microscoop naar een vloeistof met daarin zwevende vuiltjes kijkt, zie je die wanordelijk bewegen. Ook al is er geen stroming, een zwevend stofje stuitert als een dronkenman heen en weer. Einstein legde de oorzaak bloot: atomen in de vloeistof, zelf zoveel kleiner dan het stofje dat ze met een microscoop onzichtbaar zijn, botsen tegen het stofje en duwen het op en neer. Voorspelling en experiment klopten prachtig, waarmee hij had laten zien dat atomen niet alleen een handig rekenrecept, maar echt bestaande deeltjes waren.

Splitsen en fuseren

E = mc² is Einstein’s bekendste formule uit de speciale relativiteit, een stelling over het omzetten van energie in massa en andersom. De stelling was eigenlijk onverwacht; wie zoekt zoiets nou in een theorie over reizende klokken en meetlatten? Kerncentrales maken er hoe dan ook dankbaar gebruik van. Door uranium- of plutoniumkernen om te zetten in lichtere atoomsoorten maken ze energie vrij. Ook de zon weet door deze formule energie op te wekken; energie, die op aarde weer leven mogelijk maakt.

Helaas is E = mc² ook gewelddadig te gebruiken. Atoombommen zijn de afschrikwekkendste toepassing van Einstein’s theorie. Als overtuigd pacifist streed hij tegen de bouw van de eerste atoomwapens. Het mocht niet baten: in 1945 ontploften Little Boy en Fat Man op Hiroshima en Nagasaki.

Nalatenschap

Was Einstein na 1915 ‘klaar’ met de natuurkunde? Het is waar dat hij zijn grootste doorbraken in zijn jeugd maakte, maar tot zijn dood heeft Einstein bijgedragen aan de natuurkunde. Het overgeciteerde “Der Herrgott würfelt nicht” (God dobbelt niet) gaf prima weer hoe hij over het niet te verwijderen toeval van de kwantumtheorie dacht.

Esthetische weerzin tegen de kwantumtheorie weerhield Einstein er niet van aan de theorie bij te dragen. Met de Indiase natuurkundige Bose liet hij zien hoe identieke bosonen zich bij extreme koude gedragen: ze verliezen hun identiteit en vloeien samen in één groot collectief, een Bose-Einstein-condensaat (BEC). Als gedachtenexperiment om de onzin van de kwantumtheorie aan te tonen rekende hij voor hoe twee deeltjes sneller dan het licht konden communiceren – volgens zijn eigen relativiteitstheorie een onmogelijkheid.

Ook de meester kon ernaast zitten. De Podolsky-Einstein-Rosen-paradox is niet alleen een goed voorbeeld van hoe vreemd de kwantumwereld kan zijn, Zwitserse banken in Zürich gebruiken het principe nu om informatie met onkraakbare codes te teleporteren.

Einstein bleef tot aan zijn dood werken aan een Theorie van Alles, die de lastige kwantumonzekerheid zou wegpoetsen door een fusie met de spijkerharde relativiteitstheorie. Hoe moeilijk dat was blijkt wel uit het feit dat zelfs dé icoon van de moderne natuurkunde er geen oplossing voor wist te vinden. Zelfs 50 jaar later zijn natuurkundigen het er nog niet over eens hoe zo’n theorie moet werken. De kwantummechanica en relativiteitstheorie kloppen allebei, maar de ene theorie kan de andere niet omvatten; ze gelden alleen op hun eigen deelgebied. Pogingen om met de overkoepelende snarentheorie een Theorie van Alles te maken hebben tot nog toe weinig concrete vooruitgang opgeleverd.

Had Einstein nog een laatste inzicht, vlak voor hij overleed? Als een moderne Fermat liet hij een raadsel achter: zijn laatste woorden – in het Duits – zijn namelijk verloren gegaan. De zuster die ze hoorde moest na Einstein’s dood namelijk bekennen dat ze geen Duits sprak. Einstein werd op de dag van zijn dood gecremeerd. Zijn as werd , zoals hij zelf verzocht, op een geheime plaats verstrooid.