Je leest:

Einsteins Maschinchen

Einsteins Maschinchen

Met alle festiviteiten van dit jaar kan het haast niemand nog ontgaan dat Einstein in 1905 met enkele verbluffende theorieën de toenmalige natuurkunde op haar kop zette. Wat echter maar weinig mensen weten is dat hij zichzelf ook de eerstgeroepene voelde om zijn theorieën experimenteel te toetsen.

In de jaren volgend op zijn annus mirabilis stortte Einstein zich op de ontwikkeling van een instrument om kleine hoeveelheden elektriciteit te meten. Zijn ambitie was om spanningen van slechts enkele tienduizendste Volt nauwkeurig te registreren, iets waartoe de toenmalige meetinstrumenten niet in staat waren. Daarmee verwachtte hij zijn berekeningen aan de Brownse beweging en de massa-energie-equivalentie van de speciale relativiteitstheorie te kunnen toetsen.

Einstein slaagde er inderdaad in het beoogde apparaat te ontwikkelen. Zijn idee was om spanningen die te klein waren om door een elektroscoop geregistreerd te kunnen worden, eerst tot meetbare proporties uit te vergroten. Vandaar dat het apparaat, dat door Einstein steevast het Maschinchen (machientje) werd genoemd, officieel als potentiaalmultiplicator bekend staat.

Het multipliceren geschiedt door gebruik te maken van het principe van de elektrofoor, een vinding van Allessandro Volta ongeveer honderd jaar eerder. Om te beginnen wordt de te meten lading overgebracht op een condensatorplaat. In de buurt van deze plaat met lading wordt een andere (ongeladen) condensatorplaat gebracht, waarin door influentie een potentiaalverschil wordt gecreeerd. Door deze condensatorplaat te aarden, stroomt elektriciteit toe (of weg). Hierdoor krijgt de voorheen neutrale plaat een lading. Deze plaat wordt in contact gebracht met een elektroscoop waar hij zijn lading afgeeft. Met de nu weer ontladen plaat kan de hele cyclus weer opnieuw worden doorlopen (aangenomen is dat de capaciteit van de elektroscoop klein is), zodat van het oorspronkelijke ladinkje uiteindelijk een veelvoud op de elektroscoop terechtkomt. Om het principe optimaal te benutten kwam Einstein tot een hele rij in serie geschakelde, roterende condensatoren (zie de figuren). Deze vormen de kern van zijn machientje.

Einsteins machientje (rechts) met zijn aandrijfmotor. Einstein bouwde dit apparaat samen met de broers Paul en Conrad Habicht. Hij wilde met dit machientje kleine hoeveelheden elektriciteit meten om zijn berekeningen aan de Brownse beweging en de massa-energie-equivalentie van de speciale relativiteitstheorie te kunnen toetsen. Klik op de afbeelding voor een grotere versie. Foto: Museum Boerhaave, Leiden

Handenarbeid

Dat Einstein, de man die de natuur toch vooral met potlood en papier te lijf ging, zich aan het instrumentbouwen waagde is niet zo vreemd als het misschien lijkt. Heel zijn leven heeft hij een affiniteit met het ontwerpen van instrumenten gehad. Al in zijn tienerjaren stak hij wel eens een helpende hand toe in de fabriek voor elektrische apparatuur van zijn vader Hermann en zijn oom Jacob Einstein. Ook tijdens zijn studie, aan de kantonnale (middelbare) school in Aarau en aan de Polytechnische School te Zürich, werkte hij enthousiast aan en met instrumenten. Bij zijn eerste vaste betrekking bij het patentbureau te Bern beoordeelde hij patentaanvragen die met name afkomstig waren van de opkomende elektra-industrie en breidde hij zijn kennis over elektrische apparaten en hun werking flink uit. Hij bracht in Bern acht plezierige jaren door. Het enthousiasme voor het handwerk beklijfde tot op latere leeftijd. Behalve het machientje heeft Einstein een hoortoestel, een nieuw soort koelkastpomp en een verbetering van het gyrokompas op zijn naam staan. Hij verrichtte de handenarbeid steevast met vrienden, waarbij ontspanning en sociale omgang minstens zo belangrijk leken als het eindresultaat. Ook zonder daadwerkelijk de handen uit de mouwen te steken, genoot Einstein ervan om bij wijze van intellectuele exercitie innovatieve instrumenten te bediscussiëren.

Ontstaansgeschiedenis

De geschiedenis van het machientje begon in 1903 met zo’n exercitie, toen hij met zijn vriend Paul Habicht over de toepassing van het multiplicatiemechanisme filosofeerde. Het idee zou wellicht nooit werkelijk zijn uitgevoerd als Einstein niet in 1906 een vervolgstudie van zijn theorie van de Brownse beweging had gemaakt. Hij kwam daarin tot de conclusie dat het mogelijk moest zijn deze in de fluctuaties van kleine ladingen te meten. Een dergelijke meting zou een mooi bewijs kunnen vormen voor Einsteins berekeningen uit 1905. Dit kon echter alleen gerealiseerd worden als men nauwkeurig zeer kleine potentiaalverschillen kon registreren, wat misschien kon worden bereikt door het plan van 1903 ten uitvoer te brengen. Over hoe de massa-energie-equivalentie kon worden gemeten met het machientje was Einstein veel vager. De mogelijkheid die het apparaat in zijn ogen kon bieden om enkelvoudige radioactieve processen te meten, zou een toetsing op een of andere wijze mogelijk maken.

Paul Habicht en zijn broer Conrad waren Einsteins belangrijkste medewerkers bij de daadwerkelijke ontwikkeling van het machientje. Paul had in Schaffhausen een kleine instrumentmakerij ingericht in de kelder van zijn ouders, waar hij over de middelen beschikte om een eerste prototype in elkaar te zetten. In augustus 1907 had Paul met de hulp van zijn broer een eerste prototype gereed gekregen. Er bleken toen echter nog vele hobbels te nemen. Einstein zelf besteedde vooral in de daarop volgende anderhalf jaar vele vrije uren aan het apparaat. Hij richtte zelfs zijn eigen woning in als een soort provisorische werkplaats.

Het duurde tot 1910 tot alle technische problemen waren verholpen en het instrument door Paul Habicht in productie kon worden genomen. De eerste reacties erop waren zo bemoedigend dat Einstein – met kenmerkende bravoure – meende dat zijn apparaat op den duur alle kwadrant- en snaarelektrometers overbodig zou maken.

De binnenkant van Einsteins potentiaalmultiplicator. Klik op de afbeelding voor een grotere versie. Foto: Museum Boerhaave, Leiden

Geen succes

Het machientje is echter noch commercieel, noch wetenschappelijk een succes geworden. Het wekte – door wrijving tussen bewegende delen, door contact tussen metalen met verschillende eigenschappen en door zelfinductie – zelf elektrische verschijnselen op die de metingen beïnvloedden. Doordat bovendien andere typen potentiaalmeters zodanig werden verbeterd dat ze het machientje in bereik en nauwkeurigheid overtroffen, raakte Einsteins multiplicator snel in onbruik. Decennia later keek Einstein nostalgisch op de relatieve mislukking terug. ‘Schön wars, auch wenn nichts Brauchbares herausgekommen ist’, schreef hij in 1948 in een condoleance aan Conrad Habicht naar aanleiding van het overlijden van broer Paul.

Gewaagde theorieën op de wereld zetten is één ding. Ze experimenteel bewijzen blijkt een heel ander verhaal. De toetsing van zijn denkbeelden heeft Einstein aan andere, meer gekwalificeerde krachten moeten overlaten, zoals Jean Perrin die al in 1908 een overtuigend experimenteel bewijs voor Einsteins behandeling van de Brownse beweging wist te geven.

De Amsterdamse hoogleraar Pieter Zeeman moet ergens in de jaren 1910 bij Habicht een exemplaar van de potentiaalmultiplicator hebben aangeschaft. Jammer genoeg weten we niet waarvoor. Een blik in de publicaties van Zeeman en zijn medewerkers en de bij Zeeman geschreven proefschriften, toont geen enkele maal Habichts potentiaalmultiplicator. Bovendien is er geen spoor van terug te vinden in het archief van Zeeman, waarin toch een grote hoeveelheid correspondentie met instrumentmakers en nota’s van bestellingen bewaard zijn gebleven. We leren dat Zeeman in de loop der jaren een grote variëteit aan elektriciteitsmeters verzamelde, met kwadrantenelektroscopen, een snaargalvanometer volgens Einthoven, een spiegelgalvanometer naar Thomson, een elektrometer van Abraham, enzovoort, maar geen multiplicator die deze apparaten naar de schroothopen van de geschiedenis had moeten verwijzen. Af te leiden valt dat, zo het apparaat al enigszins naar behoren heeft gefunctioneerd, het in elk geval geen belangrijke rol heeft gespeeld in het onderzoek. In 1970 werd het door het Zeemanlaboratorium aan Museum Boerhaave geschonken. Het is daarmee een van de drie exemplaren die – voor zover bekend – van Einsteins Maschinchen zijn overgebleven.

Bezoek de website van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 juni 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE