„Leg je hand een minuut op een hete kachel en het lijkt een uur; zit een uur naast een mooi meisje en het lijkt een minuut. Dat is relativiteit”, zou Einstein eens lachend de speciale relativiteitstheorie uitgelegd hebben. Een verbluffend eenvoudige theorie, lijkt het zo. Wel een theorie die de wereld van de wetenschap in 1905 op z’n kop zette. Ook een theorie die aan de basis ligt van de atoombom.
Toegegeven: bij Einsteins relativiteitstheorie gaat het om een ander soort zaken dan brandende kachels of mooie meisjes. Maar de kern van het dertig pagina’s lange artikel ”Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, dat Einstein in het juninummer van het Duitse wetenschappelijk tijdschrift Annalen der Physik publiceerde, is wel dat waarnemingen niet los staan van de omstandigheden waaronder ze worden waargenomen. Oftewel: ze zijn relatief; tijd is niet absoluut, maar hangt in Einsteins theorie af van de snelheid.
Het opmerkelijke gevolg is dat bewegende klokken langzamer gaan lopen. Er is geen eenduidig begrip van tijd en omdat afstand en snelheid met de tijd samenhangen ook geen eenduidig begrip van afstand. Wat voor de één een meter is, is voor de ander 80 centimeter; een minuut is niet altijd een minuut, maar kan door de omstandigheden langer gaan duren. En daardoor kan het -theoretisch- dat een man die met een zeer hoge snelheid een jarenlange ruimtereis maakt, bij terugkomst op aarde jaren jonger is dan zijn tweelingbroer.
Dat het verschijnsel bestaat, is inmiddels bewezen. Als de navigatiesystemen in auto’s en vliegtuigen er geen rekening mee hielden, zouden ze er geregeld honderden meters naast zitten. De satellieten waar deze systemen gebruik van maken, scheren namelijk met een snelheid van zo’n 14.000 kilometer per uur door het luchtruim, zodat de tijd in de satelliet langzamer loopt dan die op aarde.
Overigens zijn de vergelijkingen die Einstein in zijn artikel opstelt identiek aan de elektronentheorie die de Nederlandse natuurkundige Hendrik Antoon Lorentz eerder al opstelde. Lange tijd is daarom gesproken over de Lorentz-Einstein-theorie. Dat de speciale relativiteitstheorie van Einstein echter de ether -een veronderstelde, theoretische stof die overal aanwezig zou zijn, ook in het luchtledige- overbodig maakt, drong pas veel later in de wetenschappelijke wereld door.
Straaljager
Het onvoorstelbare verschijnsel van een vertraging van de tijd maakt dat de speciale relativiteitstheorie -tegenover de algemene relativiteitstheorie, die Einstein in 1915 naar buiten bracht- als bijna onbegrijpelijk te boek staat. Wiskundig gezien is hier helemaal geen reden voor. De basis van de speciale relativiteitstheorie is verbluffend eenvoudig. In tegenstelling tot de algemene relativiteitstheorie handelt deze namelijk alleen over voorwerpen die met een constante snelheid in een rechte lijn bewegen.
Lage snelheden kunnen, volgens de wetten van de Engelsman Isaac Newton, eenvoudig bij elkaar opgeteld worden. Een kogel die met 1000 kilometer per uur uit een 900 kilometer per uur vliegende straaljager wordt geschoten, heeft een snelheid van 1900 kilometer per uur. Dat betekent dat, wanneer een kracht onbeperkt lang op een voorwerp werkt, de snelheid ook onbeperkt toeneemt.
Maar bij extreem hoge snelheden gaat het mis. De wetten van Newton gaan dan niet meer op, aldus Einstein. „Materie kan de lichtsnelheid alleen maar benaderen, omdat het energieverbruik bij hogere snelheden zeer sterk toeneemt.” Om een voorwerp dat met de lichtsnelheid beweegt een extra zetje te geven, is een oneindige hoeveelheid energie nodig; onmogelijk dus.
Sneller dan de lichtsnelheid bestaat daarom niet, aldus Einstein. Als een lichtstraal van een lichtbron afgeschoten wordt die zelf ook net zo snel gaat als het licht, dan heeft die lichtstraal weer de lichtsnelheid en niet de dubbele lichtsnelheid, zoals je zou verwachten. En bovendien: de lichtsnelheid is overal en altijd gelijk, bijna 300.000 kilometer per seconde, ongeacht de snelheid van de lichtbron zelf. Dat blijkt uit de vergelijkingen van de Schotse fysicus James Clerk Maxwell. De twee stellingen hebben de theorie van de ongelijke klokken tot gevolg waar men aanvankelijk in Bern -gezien het grote belang van tijd en klokken in de Zwitserse hoofdstad- niets van wil weten.
Hiroshima
Kort voor het verschijnen van het septembernummer van Annalen der Physik stuurt Einstein het vijfde manuscript van dat jaar, waarin hij naar eigen zeggen „een interessante bijkomstigheid” van de speciale relativiteitstheorie noemt. „Alleen als de massa zichzelf vernietigt en overgaat in een nieuwe bundel licht of warmtestraling, kan het de snelheid van het licht bereiken; massa en energie zijn onderling uitwisselbaar”, schrijft Einstein in het manuscript van enkele pagina’s lang.
Het is de basis voor de meest beroemde formule uit de natuurkunde, E=mc2, die voor het eerst in 1907 in Einsteins geschriften opduikt. Oftewel: energie is gelijk aan de massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat.
Met deze formule is de basis voor het atoomtijdperk gelegd. Jaren later ontdekten kernfysici namelijk dat bij het splijten van het molecuul uranium-235 een gigantische hoeveelheid energie vrijkomt, onder andere in de vorm van warmte. De winning van kernenergie is rechtstreeks een gevolg van de relativiteitstheorie.
Einstein realiseerde zich later ook dat zijn vinding voor militaire doeleinden geschikt was. In 1939 schreef hij aan de Amerikaanse president Roosevelt dat „één enkele atoombom een hele haven en het gebied daaromheen kan vernietigen.” Toen op 6 augustus 1945 de eerste atoombom boven de Japanse stad Hiroshima ontplofte, werd de verschrikkelijke werking van E=mc(su2( aangetoond.
