Hoe veranderde Albert Einstein de wereld?

Hoewel de naam Einstein tegenwoordig een synoniem is voor genie, is daar in zijn jonge jaren nog geen sprake van. Sterker nog, nadat hij in 1900 afstudeert aan de technische Universiteit van Zürich kan hij geen werk in de wetenschap vinden. In plaats daarvan besluit hij te gaan werken bij een Zwitsers bureau in Bern. Hier beoordeelt hij patentaanvragen, wat hij een aantal jaren blijft doen. Toch geeft hij de wetenschap niet op en blijft hij ambitieus doorwerken aan zijn onderzoek.

In 1901 dient hij zijn eerste proefschrift in over moleculaire krachten, maar dat wordt al snel afgewezen. 1905 is het jaar waarin mensen Einsteins genialiteit beginnen te erkennen. Hij dient dan zijn tweede proefschrift in, waarin hij laat zien hoe je de afmetingen van atomen kunt bepalen. Daarnaast publiceert hij vier artikelen, waarmee hij de natuurkunde voorgoed verandert - en waardoor 1905 geldt als Einsteins wonderjaar. Het zijn de artikelen over de Brownse beweging, het foto-elektrisch effect en de speciale relativiteitstheorie. Voor zijn theorieën over die tweede ontvangt hij in 1921 zelfs de Nobelprijs voor natuurkunde.

Einsteins inzichten openen de weg voor tal van nieuwe natuurkundige theorieën, wat hem een van de grondleggers van de moderne natuurkunde maakt. Gedurende zijn leven publiceert Einstein honderden wetenschappelijke artikelen, maar hij geniet tot op de dag van vandaag de meeste faam door zijn twee relativiteitstheorieën. Naast de speciale, komt hij tien jaar later met de algemene relativiteitstheorie en het zijn deze theorieën die onze visie op tijd compleet veranderen. Veel fysici zien Einsteins theorieën nog steeds als de meest revolutionaire natuurkundige theorieën tot nu toe.

Einsteins speciale relativiteitstheorie lost een groot probleem op dat zich halverwege de 19e eeuw voordoet. Veel wetenschappers vragen zich dan af hoe natuurverschijnselen als licht, tijd, massa en beweging precies werken. Duidelijk is dat tussen deze fenomenen een verband bestaat, maar welk? Einstein biedt hierop een nieuw perspectief.

Wetenschappers bedenken aan het eind van de 19e eeuw al dat snelheid relatief is. Zij komen erachter dat wanneer je bijvoorbeeld naar iemand toe rent terwijl diegene ook richting jou rent, je elkaar nadert met dubbele snelheid. Zij dachten dat dit ook geldt voor licht. Rijd je met 100 kilometer per uur in een auto over de snelweg met een zaklamp in je hand, dan gaat het licht 100 kilometer per uur sneller dan wanneer je stilstaat, is het idee. Dit blijkt echter niet zo te zijn. Uit experimenten komt één ding naar voren: de lichtsnelheid blijft hoe dan ook hetzelfde.

Albert Einstein redeneert als eerste ooit dat dit logisch is door het principe van tijd in twijfel te trekken. Is het wel zo dat de tijd altijd gelijk verloopt? Volgens Einstein niet, en daarom kan het dat de lichtsnelheid constant is. Hij stelt dat ruimte en tijd vervormen bij extreem hoge snelheden. Einstein komt tot deze conclusie met een aantal gedachte-experimenten. Hiermee toont hij aan dat de waarneming van tijd niet absoluut is, maar afhankelijk van de snelheid waarmee je beweegt. Dit is een revolutie: een theorie die rechtstreeks ingaat tegen de opvattingen van toonaangevende natuurkundigen voor hem, zoals Newton.

Iedereen die ooit van Einstein heeft gehoord, heeft waarschijnlijk ook van de wereldberoemde formule E = MC² gehoord. Met deze vergelijking stelt hij dat massa en energie gerelateerd zijn aan elkaar, wat een gevolg is van de speciale relativiteitstheorie. In de formule staat E voor energie, m voor massa en c voor de lichtsnelheid. Doordat het kwadraat van de lichtsnelheid zo’n groot getal oplevert, komt uit deze formule onder meer naar voren dat iets met een hele kleine massa toch een gigantische hoeveelheid energie kan opleveren.

Einsteins speciale relativiteitstheorie kent aanvankelijk één groot probleem: hij geldt alleen in situaties waarin voorwerpen met een constante snelheid bewegen. Dit kan alleen als er geen luchtweerstand of zwaartekracht aanwezig is, wat niet vaak voorkomt. Einstein wil daarom een theorie ontwikkelen die breder is. Tien jaar later lukt hem dit. Hij komt met een theorie die de klassieke natuurkunde nog verder op zijn kop zet: de algemene relativiteitstheorie.

Al in de tijd dat Einstein nog leeft, wordt hij gezien als groot genie. Hij wordt hoogleraar aan de Universiteit van Zürich en kan onder meer ook op een positie als bijzonder hoogleraar rekenen aan de Rijksuniversiteit Leiden. Ondanks alle faam blijft Einstein zelf vrij bescheiden. Een goed voorbeeld hiervan kun je zien op een stuk briefpapier waarop in 1922 tijdens een Japanse reis een spreuk schrijft voor een gelukkig leven: “Een stil, bescheiden leven geeft meer geluk dan het streven naar succes, onder voortdurende onrust.”

Einsteins theorieën zijn inmiddels meer dan honderd jaar oud, zonder ook maar iets aan relevantie te hebben ingeboet. Einstein heeft hele generaties van uitvinders geïnspireerd met zijn abstracte ideeën. Zoals Stephen Hawking, bekend van zijn werk op het gebied van singulariteiten. Hij laat samen met wiskundige Roger Penrose zien dat de oerknal zo’n singulariteit moet zijn geweest. Sterker nog: zij claimen dat, volgens de regels van Einsteins relativiteitstheorie, zo’n singulariteit zelfs onvermijdelijk is als startpunt van het heelal. Een ander concreet voorbeeld zijn GPS-systemen die ons vertellen hoe we het snelst naar een adres moeten. Zonder Einsteins relativiteitstheorie zouden we tal van fouten maken bij het aflezen van data die we binnenkrijgen via satellieten.

Andere voorbeelden zijn zonnepanelen, automatische deuren en digitale camera’s. Einsteins theorie over het foto-elektrisch effect maakt de uitvinding hiervan mogelijk. Dit zijn slechts enkele voorbeelden van de aanhoudende invloed van Einsteins inzichten op de wereld en de wetenschap. Vele technologieën en theorieën zijn beïnvloed door zijn werk, van supercomputers tot kernwapens. Einstein bewijst dat abstracte natuurkundige theorieën veel meer impact op je leven kunnen hebben dan je op het eerste gezicht denkt.