Albert Einstein en de relativiteitstheorie

In 1999 riep Time Magazine hem uit tot meest invloedrijke persoon van de twintigste eeuw: Albert Einstein (1879-1955). Zijn bijdragen aan de wetenschap zijn van onschatbare waarde. Hij wordt beschouwd als de vader van de moderne natuurkunde en als een van de belangrijkste natuurkundigen uit de geschiedenis van de mensheid. Einstein dankt zijn faam met name aan zijn twee relativiteitstheorieën. In 1921 ontving hij de Nobelprijs voor natuurkunde.

Albert Einstein wordt op 14 maart 1879 geboren in Ulm, een stad in het Duitse keizerrijk. Zijn ouders zijn de Joods-liberale Pauline en Hermann Einstein. Zij brengen hem de beginselen bij van de joodse godsdienst en hij leert vioolspelen. Op de lagere school is de jonge Albert de beste van zijn klas en dan al zeer geïnteresseerd in wetenschap. Rond zijn vijfde levensjaar krijgt hij van zijn vader een magnetisch kompas. Dit wonderlijke object fascineert hem mateloos.

Toelatingsexamen

Als het gezin Einstein in 1895 van München naar het Italiaanse Pavia verhuist, blijft Albert in München om zijn middelbare school af te ronden. Dit lukt hem echter niet en hij voegt zich bij zijn ouders. Later dat jaar doet hij een toelatingsexamen bij de technische Universiteit van Zürich, de Eidgenössische Technische Hochschule (ETH). Albert, die eigenlijk twee jaar te jong is maar speciale toestemming krijgt het examen toch af te leggen, zakt op de vakken Frans en Geschiedenis. De bètavakken daarentegen gaan erg goed. In 1896 rondt Albert Einstein uiteindelijk zijn middelbare school af in Aurau. Met zijn diploma op zak gaat hij alsnog naar de ETH. In 1900 haalt Einstein aan de EHT zijn lesbevoegdheid met de volgende cijfers:

• 4,5 voor een opstel over warmte geleiding
• 5 voor sterrenkunde en experimentele en theoretische fysica
• 5,5 voor functietheorie

Niet slecht als je bedenkt dat een 6 het hoogst haalbare cijfer is. Aan de EHT wordt Einstein verliefd op zijn Servische jaargenote Mileva Marić met wie hij 1902 een dochter krijgt: Lieserl. Op 6 januari 1903 stappen Einstein en Marić in het huwelijksbootje.

Werk en twee zoons

Na zijn afstuderen vindt Albert geen werk in de wetenschap. Wel kan hij aan de slag als leraar natuurkunde. In december 1901 solliciteert hij bij het Zwitserse Patentbureau in Bern waar hij vanaf juni 1902 als technisch expert derde klas de ingediende patentaanvragen beoordeelt. Einstein, inmiddels woonachtig in Bern, krijgt in 1904 een vaste aanstelling. In hetzelfde jaar, op 14 mei om precies te zijn, wordt zijn eerste zoon geboren: Hans Albert. Op 28 juli 1910 ziet zijn tweede zoon het daglicht: Eduard Einstein.

Wonderjaar

Het jaar 1905 wordt alom beschouwd als het wonderjaar van Albert Einstein. Dat jaar promoveert hij op zijn proefschrift ‘Een nieuwe bepaling van moleculaire afmetingen’ waarin hij aantoont hoe de afmeting van atomen moet worden bepaald. Dit proefschrift was zijn tweede poging om de doctorsgraad te behalen. Zijn eerdere proefschrift over moleculaire krachten was in 1901 afgewezen.

In het ‘wonderjaar’ schrijft Einstein ook vier artikelen waarmee hij de natuurkunde voorgoed zal veranderen. Drie van deze artikelen verdienen, volgens natuurkundigen, ieder op zich al een Nobelprijs. Het gaat om de stukken over:

• De Brownse beweging;
• Het foto-elektrisch effect;
• De speciale relativiteitstheorie

Speciale relativiteitstheorie

In het op 30 juni 1905 gepubliceerde artikel Zur Elektrodynamik bewegter Körper (Over de elektrodynamica van lichamen in beweging) introduceerde Einstein zijn fameuze speciale relativiteitstheorie die de beweging beschrijft van objecten waar geen kracht op werkt. De theorie in gebaseerd op de volgende aannames:

Elke waarnemer die zich eenparig beweegt ondergaat dezelfde natuurwetten

De lichtsnelheid in vacuüm is onafhankelijk van de snelheid van de bron
Wikipedia

Het revolutionaire gevolg van deze aannames is dat ruimte, tijd en afstand relatief zijn. Dit staat loodrecht op de Newtoniaanse opvatting dat ruimte en tijd absolute entiteiten zijn.

E = mc2

In zijn vierde baanbrekende artikel van 1905 stelt Albert Einstein dat massa en energie gelijk zijn aan elkaar, een gevolg van zijn speciale relativiteitstheorie. Dit equivalent van massa en energie drukt Einstein uit in zijn wereldberoemde formule E = mc2: Energie = Massa * Lichtsnelheid2. (De snelheid van het licht is 299.792.458 meter per seconde) Uit deze formule vloeit voort dat een hele kleine massa kan worden omgezet in een reusachtige hoeveelheid energie.

Algemene relativiteitstheorie

Vanaf 1908 gaat Einstein achtereenvolgens aan de slag als privaatdocent en assistent-hoogleraar om dan te worden benoemd als volwaardig hoogleraar. Eerst aan de Duitse Universiteit van Praag, daarna aan de EHT waar hij nauw samenwerkt met zijn oude studievriend Marcel Grossman. Niet veel later treedt Einstein toe tot de Pruisische Academie van Wetenschappen in Berlijn waar hij november 1915 een serie lezingen geeft. In deze lezingen zet hij zijn algemene relativiteitstheorie uiteen. Deze theorie, die voortborduurt op de speciale relativiteitstheorie, stelt dat de zwaartekracht een gevolg is van de kromming van ruimte en tijd. De zwaartekracht is hiermee niet langer een absolute natuurkracht zoals in de wet van Newton. De voorpagina van de The Times van 7 november 1919 vat de betekenis van deze ontdekking samen in de kop:

Revolution in Science – New Theory of the Universe – Newtonian Ideas Overthrown!

Scheiding, huwelijk en Nobelprijs

Albert en Mileva zijn niet gelukkig getrouwd en op 14 februari 1919 wordt het huwelijk ontbonden. Binnen een half jaar huwt Einstein zijn nicht Elsa. In 1922 gaan de twee samen op wereldreis. Per schip reizen ze naar Hongkong, Sjanghai, Singapore en Japan. Als Einstein in 1921 wordt onderscheiden met de Nobelprijs voor de verklaring van het foto-elektrisch effect geeft hij, zoals afgesproken bij de scheiding, het prijzengeld aan zijn ex-vrouw Mileva.

Men tast in het duister over het lot van dochter Lieserl. Ze zou jong zijn gestorven, of misschien afgestaan ter adoptie. We zullen het wellicht nooit weten. De intelligente Eduard krijgt tijdens zijn studie schizofrenie en Hans Albert schopt het later tot hoogleraar hydraulische werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Californië.

Haatcampagne

In het nationalistische en antisemitische Duitsland wordt een georganiseerde haatcampagne gevoerd tegen de op dat moment wereldberoemde Nobelprijswinnaar van Joodse afkomst. De nazi’s beschuldigen hem ervan ‘Joodse natuurkunde’ te bedrijven. Duitse natuurkundigen, waaronder de nazi-gezinde Nobelprijswinnaars Philipp Lenard en Johannes Stark, doen alles om de theorieën van Einstein in diskrediet te brengen. Er wordt zelfs een zwarte lijst opgesteld van mensen die de theorieën van Einstein onderwijzen.

Als Adolf Hitler op 30 januari 1933 aan de macht komt bereikt de hetze tegen Einstein een nieuw hoogtepunt. De geleerde is op dat moment in de VS voor een cyclus van lezingen aan het California Institute of Technology, een van de meest prestigieuze technische universiteiten ter wereld. Hij besluit zich in de VS te vestigen en keert niet meer terug naar het land waar hij is geboren. De Duitse natuurkundige krijgt een verblijfsvergunning en een aanstelling bij het dan net opgerichte Institute for Advance Study in Princeton. In 1940 neemt Einstein de Amerikaanse nationaliteit aan en doet hij afstand van het Duitse staatsburgerschap. Hij behoudt zijn Zwitserse nationaliteit.

Atoombom

In augustus 1939 schrijft Albert Einstein een brief aan de Amerikaanse president Roosevelt waarin hij hem waarschuwt dat Duitsland bezig is met de ontwikkeling van een atoombom. Op aandringen van de Hongaarse natuurkundige Leo Szilárd stuurt Einstein in maart 1940 een tweede schrijven. De brieven missen hun uitwerking niet. Om de nazi’s voor te zijn lanceert Roosevelt in 1941 het ‘Manhattanproject’. Onder deze codenaam werken veel wetenschappers in het grootste geheim aan de ontwikkeling van de Amerikaanse atoombom. Einstein zelf nam geen deel aan het project maar was wel betrokken bij de totstandkoming ervan. Na de Tweede Wereldoorlog waarschuwt hij voor de rampzalige consequenties van een kernwapenwedloop.

Israël

Albert Einstein zet zich actief in voor de stichting van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en is betrokken bij de oprichting van de Technion-universiteit in Haifa. Als de eerste Israëlische president, Chaim Weizmann, in 1952 overlijdt biedt de regering van de jonge Joodse staat Einstein het presidentschap aan. Einstein zegt “vereerd te zijn met het aanbod maar ongeschikt voor de positie.” Hiermee is de natuurkundige de enige Amerikaans staatsburger ooit die een functie als buitenlands staatshoofd krijgt aangeboden.

Overlijden

Op 17 april 1955 werkt Einstein aan zijn speech voor een televisieoptreden in het kader van de zevende verjaardag van de Staat Israël als zijn abdominale slagader knapt. Met interne bloedingen wordt hij opgenomen in een ziekenhuis in Princeton. De artsen willen hem opereren maar de patiënt weigert. Hij beschouwt het als smakeloos een leven kunstmatig te verlengen. De volgende dag sterft hij in zijn slaap, 76 jaar oud. Hij wordt naar eigen wens gecremeerd en zijn as wordt uitgestrooid op het terrein van Institute for Advanced Study.

Wiskundeknobbel

Bij de autopsie verwijdert Thomas Stoltz Harvey, de patholoog van het ziekenhuis, de hersenen van het genie voor onderzoek. Hij hoopt er achter te komen wat Einstein zo briljant maakte. Harvey ontdekt echter niets bijzonders. Pas in 1999 ontdekt een onderzoeksteam van de McMaster-Universiteit in Hamilton iets opvallends: het deel van de hersenen dat men gebruikt voor ruimtelijke herkenning, bewegingsinzicht en wiskundig denken, was bij de wetenschapper vijftien procent breder: Einstein had daadwerkelijk een wiskundeknobbel.

Overzicht van uitspraken en citaten van Albert Einstein
Boek: Einstein, de biografie