In de afgelopen honderd jaar hebben Einsteins ideeën onze wereld onomkeerbaar veranderd. Het is bijna onvoorstelbaar dat één enkele mens alleen door na te denken zoveel impact kan hebben.
'Er zijn maar twee dingen oneindig groot: het heelal en de stompzinnigheid van de mens. En eerlijk gezegd ben ik er in het geval van het heelal niet helemaal zeker van.’ Een typerende uitspraak van Albert Einstein, de geleerde met zijn wilde grijze haardos die onuitwisbaar in ons collectieve geheugen gegrift staat dankzij zijn iconische portretten – zittend op een fiets, zijn tong uitstekend, ons aankijkend met die doordringende ogen.
Einstein werd in de wetenschappelijke wereld in één klap beroemd in 1905, een jaar dat sindsdien bekendstaat als zijn wonderjaar. Terwijl hij zes dagen per week, acht uur per dag, op een octrooibureau in het Zwitserse Bern werkte, zag hij ook nog kans in zijn schaarse vrije tijd vier wetenschappelijke artikelen te schrijven die een compleet nieuwe wending zouden geven aan de natuurkunde. In maart van dat jaar kwam hij met de bewering dat licht, dat men lange tijd had beschouwd als een golf, in werkelijkheid bestaat uit deeltjes – de zogeheten fotonen. Die observatie riep een heel nieuw onderzoeksgebied in het leven, de kwantummechanica.
Twee maanden later leidden Einsteins berekeningen tot voorspellingen rond het atoom. Die konden later experimenteel worden getoetst, waarmee definitief was vastgesteld dat materie uit atomen bestaat. In juni voltooide hij zijn speciale relativiteitstheorie, waarmee hij liet zien dat ruimte en tijd zich op wonderbaarlijke manieren gedragen die niemand ooit voor mogelijk had gehouden. Kort gezegd komt het erop neer dat afstanden, snelheden en tijdsduren niet absoluut zijn, maar altijd relatief, afhankelijk van de waarnemer. En als kers op de taart leidde Einstein in september 1905 uit de speciale relativiteitstheorie een formule af die de beroemdste wiskundige vergelijking ter wereld zou worden: E=mc².
Gewoonlijk gaat de vooruitgang in de wetenschap geleidelijk, in kleine stapjes. Het gebeurt maar zelden dat iemand een bijdrage levert waardoor in de wetenschappelijke wereld alle alarmbellen afgaan omdat er kennelijk een revolutie op til is. Maar in dit geval deed één man binnen één jaar maar liefst vier keer die bellen rinkelen, een onvoorstelbare stortvloed van creatieve ideeën. De academische wereld besefte vrijwel meteen dat Einsteins werk verstrekkende gevolgen zou hebben voor de fundamenten van ons begrip van de realiteit. Maar voor het brede publiek was Einstein nog niet ‘Einstein’. Daar zou op 6 november 1919 verandering in komen.
Gekromde ruimte
In zijn speciale relativiteitstheorie had Einstein vastgesteld dat niets sneller kan bewegen dan met de snelheid van het licht. Daarmee kwam hij in conflict met de zwaartekrachttheorie van Newton, die stelt dat de zwaartekracht zijn invloed onmiddellijk doet voelen door de ruimte. Einstein zag die contradictie natuurlijk wel, maar hij liet zich daardoor niet uit het veld slaan en ging onverdroten aan de slag om de eeuwenoude zwaartekrachtwetten van Newton volledig te herschrijven. Zelfs zijn meest fervente medestanders dachten dat hij tot mislukken gedoemd was. Max Planck, de nestor van de Duitse fysica, drukte hem op het hart: ‘Als oudere vriend raad ik het je ten zeerste af... Het zal je niet lukken. En zelfs als het wel lukt, zal niemand je geloven.’ Maar Einstein was nu eenmaal niet het type dat zich door autoriteiten de wet laat voorschrijven en hij ging door. En door. En door. Bijna tien jaar lang.
En toen, in 1915, kon hij eindelijk zijn algemene relativiteitstheorie bekendmaken die een radicaal nieuwe beschrijving van de zwaartekracht gaf: in termen van krommingen in de ruimte en de tijd. Volgens de algemene relativiteitstheorie trekt de aarde niet aan een theekopje dat uit je hand glipt, maar maakt onze planeet een deuk in de omringende ruimtetijd, zodat het kopje als het ware langs een helling naar de grond glijdt. De zwaartekracht, aldus Einstein, vervormt de geometrie van het universum.
In de honderd jaar sinds Einstein zijn theorie publiceerde, hebben natuurkundigen en historici de ontstaansgeschiedenis ervan stukje bij beetje weten te reconstrueren tot een coherent, zij het ingewikkeld, verhaal dat doet denken aan het verslag van de beklimming van een hoge bergtop. Zo’n nauwgezette analyse van het ontstaansproces doet overigens niets af aan het ontzag voor zijn creatieve gedachtesprongen – integendeel: we krijgen alleen maar meer bewondering voor de verbazingwekkende originaliteit en overweldigende schoonheid van de theorie.
Op 6 november 1919, vier jaar nadat Einstein zijn algemene relativiteitstheorie had voltooid, meldden de wereldmedia dat uit zojuist vrijgegeven astronomische meetgegevens was gebleken dat de positie van de sterren aan de hemel net een tikkeltje anders was dan men op grond van de wetten van Newton zou verwachten – precies zoals Einstein had voorspeld. Deze bevindingen waren een triomf voor de theorie van Einstein en bezorgden hemzelf van de ene dag op de andere de status van een popster. Hij werd de man die Newton had onttroond en tegelijkertijd de mensheid een reuzenstap dichter bij de ontraadseling van de natuurwetten had gebracht.
Daar kwam nog bij dat Einstein bij uitstek geschikt was om uit te groeien tot lieveling van de media. Enerzijds keek hij met beduusd knipperende ogen in de camera’s en wekte de indruk dat hij het liefst een teruggetrokken kluizenaarsleven zou leiden, maar tegelijk wist hij maar al te goed hoe hij de media moest bespelen om bij het publiek belangstelling te wekken voor zijn mysterieuze, maar belangrijke onderzoeksgebied. Hij strooide met gevatte oneliners (‘Ik ben een strijdlustige pacifist’) en speelde met veel genoegen de rol van het archetype van de verstrooide professor. En het grote publiek, dat na alle ellende van de Eerste Wereldoorlog wel aan een verzetje toe was, sloot hem liefdevol in de armen.
Terwijl Einstein zijn zegetocht door de wereld van de celebrities voortzette, leek het erop dat zijn ideeën over relativiteit – althans de populaire versie daarvan – weerklank vonden in andere domeinen van de cultuur, waar zich ook revolutionaire ontwikkelingen voordeden. James Joyce en T.S. Eliot hakten de zin in mootjes. Pablo Picasso en Marcel Duchamp doorkliefden het schilderslinnen. Arnold Schönberg en Igor Strawinsky verbrijzelden de toonladder. Einstein bevrijdde ruimte en tijd uit de ketenen van achterhaalde modellen van de realiteit.
Sommigen gaan nog verder en schilderen Einstein af als de centrale inspiratiebron van de avant-gardebeweging in de twintigste eeuw, de wetenschappelijke impuls die het onontkoombaar maakte dat ook in andere culturele domeinen alles in een nieuw licht werd gezien. Het is een verleidelijk idee, maar ik heb er nooit overtuigende bewijzen voor gezien. Het vloeit voort uit een foute interpretatie van het natuurkundige begrip ‘relativiteit’ – namelijk alsof er geen objectieve waarheid meer zou bestaan. De ironie wil dat Einstein zelf juist een conventionele smaak had: hij luisterde liever naar Bach en Mozart dan naar het werk van moderne componisten en toen iemand hem nieuwe meubels in de Bauhausstijl wilde geven, sloeg hij dat aanbod af. Hij gaf de voorkeur aan het versleten, ouderwetse meubilair dat hij al bezat.
Dat neemt niet weg dat er in het begin van de twintigste eeuw wel degelijk allerlei revolutionaire ideeën in de lucht hingen en dat die elkaar ook vaak beïnvloedden. En het is evenzeer waar dat Einstein een schoolvoorbeeld was van hoe het doorbreken van lang gekoesterde opvattingen zicht kan bieden op adembenemende nieuwe vergezichten.
Oerknal
Een eeuw later zijn de vergezichten die Einstein voor ons heeft ontsloten, nog altijd opmerkelijk vitaal en vruchtbaar. In de jaren 1920 baarde de algemene relativiteitstheorie de moderne kosmologie, de bestudering van het universum als geheel. De Russische wiskundige Aleksandr Friedmann en, onafhankelijk van hem, de Belgische natuurkundige en priester Georges Lemaître gebruikten Einsteins vergelijkingen om aan te tonen dat het heelal uitdijt. Einstein verzette zich aanvankelijk tegen die conclusie en ging zelfs zover dat hij de vergelijkingen aanpaste door er de roemruchte ‘kosmologische constante’ aan toe te voegen, zodat hij kon vasthouden aan zijn opvatting dat het universum statisch is. Maar toen de waarnemingen van Edwin Hubble later lieten zien dat verre sterrenstelsels allemaal met hoge snelheid van ons vandaan bewegen, liet Einstein zich overtuigen: hij keerde terug naar zijn oorspronkelijke vergelijkingen en accepteerde dat de ruimte uitzet. Maar als het heelal nu uitdijt, betekent dat dat het in het verleden kleiner geweest moet zijn, en als we de film steeds verder terugdraaien komen we uiteindelijk uit bij een beginpunt, het ‘oeratoom’, zoals Lemaître het noemde, waaruit de hele kosmos is ontstaan. Daarmee was de theorie van de oerknal geboren.
Ondertussen heeft de oerknaltheorie aanzienlijke ontwikkelingen doorgemaakt – de meest gangbare versie is momenteel de inflatietheorie – en heeft zij uiteenlopende empirische tests doorstaan. Een van die op waarnemingen gebaseerde bevindingen, die in 2011 is bekroond met de Nobelprijs voor Natuurkunde, was de ontdekking dat het heelal de afgelopen zeven miljard jaar niet alleen is uitgedijd, maar dat die uitdijing ook steeds sneller gaat. En wat bleek de beste verklaring voor die versnelde uitdijing? De oerknaltheorie, aangevuld met een variant van de lang geleden verworpen kosmologische constante van Einstein. Wat leren we hieruit? Als je maar lang genoeg wacht, blijken zelfs sommige van Einsteins vergissingen bij nader inzien toch te kloppen.
Zwarte gaten
Een eerdere ontdekking die voortvloeide uit de algemene relativiteitstheorie begon met een wiskundige analyse die de Duitse sterrenkundige Karl Schwarzschild maakte in de Eerste Wereldoorlog, toen hij bij de Duitse artillerie diende. Daar had hij als taak kogelbanen te berekenen, maar om zijn zinnen te verzetten, verdiepte hij zich af en toe in de vergelijkingen van Einstein. En hij slaagde er als eerste in die exact op te lossen en een precieze beschrijving te geven van de kromming van de ruimtetijd die ontstaat wanneer de ruimtetijd wordt vervormd door een bolvormig lichaam als de zon. Als bijproduct van Schwarzschilds oplossing kwam er een eigenaardig verschijnsel aan het licht. Wanneer je een willekeurig object voldoende samenperst – bijvoorbeeld de zon tot een bol met een diameter van slechts vijf kilometer – wordt de kromming van de ruimtetijd zo extreem dat alles wat in de buurt komt, erin gevangen wordt. Zelfs licht kan er niet meer uit ontsnappen. Tegenwoordig zouden we zeggen: er ontstaat een zwart gat.
In die tijd beschouwden veel wetenschappers de notie van zwarte gaten als een weinig plausibele wiskundige eigenaardigheid met weinig of geen reële relevantie. Inmiddels hebben astronomische observaties definitief aangetoond dat zwarte gaten echt bestaan, en in groten getale. We kunnen ze nog niet direct bestuderen – daarvoor staan ze te ver weg – maar als een soort theoretische laboratoria maken zwarte gaten tegenwoordig een onmisbaar onderdeel uit van het kosmologisch en natuurkundig onderzoek. Sinds Stephen Hawking in de jaren 1970 zijn invloedrijke berekeningen publiceerde, zijn de natuurkundigen er steeds meer van overtuigd dat de extreme eigenschappen van zwarte gaten hen bij uitstek geschikt maken als proeftuin voor pogingen om de algemene relativiteitstheorie verder te ontwikkelen en, misschien belangrijker, om die theorie te verenigen met de kwantummechanica tot één overkoepelende theorie. Sterker nog, sommige van de meest verhitte discussies in de moderne kosmologie en fysica gaan over de vraag of en op welke manier kwantumprocessen van betekenis zijn voor de manier waarop we tegen de buitenste rand van een zwart gat – de zogeheten waarnemingshorizon – aankijken en voor de voorstelling die we ons maken van het inwendige van een zwart gat.
Het zal inmiddels wel duidelijk zijn dat de viering van de honderdste verjaardag van de algemene relativiteitstheorie veel meer is dan een nostalgische terugblik op een gebeurtenis die alleen nog van geschiedkundig belang is. Einsteins theorie is onlosmakelijk verweven met het meest geavanceerde onderzoek dat nu plaatsvindt.
Hoe is hij er in zijn eentje in geslaagd zo’n grote bijdrage aan de wetenschap te leveren, die bovendien honderd jaar later nog steeds een belangrijke rol speelt? Als wetenschapper was Einstein een sociaal mens, maar zijn grote ontdekkingen waren eenzame aha-ervaringen. Kwamen die inzichten bij hem op doordat zijn brein anders gebouwd was dan dat van de gemiddelde mens? Waren ze te danken aan zijn non-conformistische kijk op de wereld? Of aan zijn taaie, nergens voor wijkende concentratievermogen? Misschien. Ja. Vermoedelijk. Het enig juiste antwoord is natuurlijk dat niemand het weet. We kunnen wel speculeren over de vraag hoe en waarom iemand op een bepaald idee is gekomen, maar in laatste instantie moeten we toch constateren dat ideeën en inzichten het resultaat zijn van ontelbare invloeden, te veel om te analyseren.
Het beste dat we zonder overdrijving kunnen zeggen is dat Einstein op het juiste moment het juiste intellect bezat om een aantal belangrijke problemen in de natuurkunde op te lossen. En het was een heel bijzonder moment. Het feit dat hij in de decennia nadien weliswaar nog diverse bijdragen aan de fysica heeft geleverd, maar van relatief bescheiden belang, doet vermoeden dat het moment waarop het toppunt van zijn wetenschappelijke creativiteit samenviel met bepaalde problemen in de fysica, voorbij was.
Als we bedenken wat hij allemaal heeft gepresteerd, dringt zich een andere vraag op: zou er een nieuwe Einstein kunnen opstaan? Als we daarmee een nieuw supergenie bedoelen dat de wetenschap weer een flinke stap verder brengt, moet het antwoord zonder meer bevestigend luiden. En in de vijftig jaar die er sinds het overlijden van Einstein zijn verstreken, zijn er ook zeker zulke geleerden geweest. Maar als we een persoonlijkheid bedoelen waar de hele wereld vol bewondering naar opkijkt – en dan niet vanwege een prestatie op het gebied van sport of entertainment, maar als een inspirerend voorbeeld van wat de menselijke geest vermag – hangt het antwoord op die vraag van ons af, van wat wij als samenleving belangrijk en waardevol achten.
Brian Greene is hoogleraar natuurkunde en wiskunde, en voert onderzoek aan de supersnaartheorie.
