Geschiedenis en Cultuur

Een eeuw na Einsteins wonderjaar

Een eeuw is voorbijgegaan sinds Albert Einsteins annus mirabilis of ‘wonderjaar’, waarin de toen 26-jarige patentmedewerker een reeks artikelen schreef die een revolutie teweegbracht voor ons inzicht in het universum.

Door Stefan Lovgren
Foto's Van TIme Life Pictures, Mansell/Getty Images

15 april 2005

Om die gebeurtenis te herdenken, werd eerder al het jaar 2005 door de Verenigde Naties aangewezen als ‘Wereldjaar van de Natuurkunde’. Sinds Einstein zijn er uiteraard talloze baanbrekende wetenschappelijke ontdekkingen gedaan. Maar in de kern berust ons wetenschappelijke wereldbeeld nog altijd op de fundamenten die een eeuw geleden door Einstein werden gelegd.

"Hij veranderde niet alleen de wetenschap maar ook de wijze waarop je wetenschap behoort te beoefenen", zei Gerald Holton, professor in de natuurkunde en Einstein-kenner aan de Harvard University in Cambridge, Massachusetts. "Hij was niet bezig met het zoeken naar oplossingen voor kleine problemen, maar wilde de hele natuurkunde in één framework onderbrengen."

E = mc2

Einstein werd geboren in Zwitserland en werkte als eenvoudige patentmedewerker in het Zwitserse octrooibureau in Bern toen hij de radicale theorieën ontwikkelde die de basis van de moderne fysica zouden vormen.

Hij leverde zijn reeks van artikelen in bij de Annalen der Physik, destijds het toonaangevende Duitse vakblad op het gebied van de natuurkunde.

In een paper dat hij in mei 1905 had geschreven, liet Einstein zien hoe het bestaan van atomen – een idee waarover driftig werd gedebatteerd en dat nog lang niet door iedereen was geaccepteerd – bewezen kon worden door het meten van de trillende beweging van microscopisch kleine deeltjes in een glas water. Het proces, dat als ‘Brownse beweging’ (naar Brown) wordt aangeduid, stelde wetenschappers in staat om atomen te tellen, met behulp van een normale microscoop.

In juni van dat jaar introduceerde Einstein met het begrip ‘relativiteit’ een nieuwe theorie van tijd, afstand, massa en energie. Hij identificeerde de snelheid van het licht als de maximumsnelheid in het universum en liet zien dat afstand en tijd niet absoluut zijn maar afhankelijk zijn van iemands beweging.

"Tot dan toe zaten mensen vast aan het idee dat tijd constant is", zegt Clifford Will, professor in de natuurkunde aan de Washington University in St. Louis, Missouri. "Einstein keek naar de tijd als iets functioneels, als datgene wat door klokken wordt gemeten en niets anders." 

In een annex van drie pagina’s bij zijn theorie, die hij in september 1905 voltooide, kwam Einstein tot zijn befaamde formule: E = mc2. De vergelijking laat zien dat de energie van een object gelijk is aan de massa ervan, vermenigvuldigd met het kwadraat van de lichtsnelheid. Maar het was zijn eerste artikel, geschreven in maart, dat misschien wel het meest revolutionair was. Daarin stelde Einstein dat licht niet een golf is, zoals de meeste natuurkundigen tot dan toe meenden, maar een stroom van energiepakketjes die later als fotonen werden aangeduid. Deze zienswijze droeg bij aan de verklaring voor het ‘foto-elektrisch effect’ (de uitzending van elektronen door bepaalde stoffen als die worden blootgesteld aan licht of straling).

De theorie leverde Einstein in 1921 de Nobelprijs op en legde de basis voor de kwantumtheorie, die stelt dat in de natuurkunde geen precieze voorspellingen gedaan kunnen worden, maar alleen de mogelijkheid dat iets zich op een bepaalde wijze zal voordoen. De kwantumtheorie, met zijn statistische beschrijving van de natuur op subatomaire schaal, is de juiste zienswijze gebleken.

Maar Einstein verwierp de onvoorspelbaarheid van de kwantummechanica met zijn beroemd geworden woorden ‘God dobbelt niet’. In plaats daarvan zag hij de theorie als niet meer dan een tussenstop op weg naar een grondiger en completer beschrijving van het universum.

"Hij kon niet accepteren dat er op zo fundamentele wijze een element van onzekerheid in het weefsel van de kosmos bestond", zei Brian Greene, natuurkundige en hoogleraar in de wiskunde aan de Columbia University in New York. "Hij hoopte dat dit probabilistische raamwerk van de kwantummechanica slechts een tussenstation was dat de natuurkundigen in hun zoektocht hadden bereikt. Maar dat lijkt niet het geval te zijn", zegt Greene, auteur van de bestseller The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory.

Een unificatietheorie

Harvard-natuurkundige Holton zegt dat het niet juist is om Einsteins artikelen afzonderlijk te bekijken. "Ze getuigen allemaal van één en dezelfde motivatie", zegt Holton. "In de allereerste regels zegt Einstein dat er iets mis is met de manier waarop we de natuur begrijpen (…), dat er microscopische objecten zijn die groot genoeg zijn om waar te nemen, maar ook een submicroscopische wereld van atomen en moleculen die we niet kunnen waarnemen. Einstein zei: 'Nee, er moet één soort natuurkunde zijn. God zou nooit twee soorten natuurkunde hebben geschapen.'"

Einstein raakte ervan overtuigd dat één unificatietheorie de orde van het universum zou kunnen verklaren. "Zijn benadering van de natuurkunde was het zoeken naar verbanden tussen zaken die tot dan toe als gescheiden van elkaar werden gezien," zegt Greene. "Het was zijn uiteindelijke doel om een verband tussen alle krachten van de natuur te vinden."

Einstein zou zijn ‘Theorie van alles’ nooit opstellen. Maar veel mensen beschouwen ‘snaar-theoretici’ als Greene als de natuurlijke opvolgers van Einstein.

De snaartheorie is een natuurkundig model waarin wordt gesteld dat de fundamentele bouwsteentjes van het universum bestaan uit trillende snaren van energie binnen elk deeltje.

"We werken zeker aan een programma dat door Einstein in gang werd gezet", zegt Greene. "Of we op de juiste weg zijn, weet ik niet. Maar als de theorie klopt, zou het een theorie van het type zijn waarnaar Einstein dertig jaar heeft gezocht en dat hij nooit heeft kunnen vinden. Dat zou een heel bijzonder moment zijn."