Op een lentedag in 1953 zat in Albert Einsteins post een brief van een gewone sterveling, een 20-jarige middelbare scholier met de naam John Moffat. Twee meer ongelijksoortige correspondenten zijn moeilijk voor te stellen. Moffat was een verarmde kunstenaar en autodidactisch natuurkundige. Einstein was een mythische figuur, ’s werelds beroemdste wetenschapper. Moffat woonde met zijn Britse vader en Deense moeder in Kopenhagen. Einstein zat op het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey. Toch waren beide mannen buitenstaanders. In zijn latere jaren was Einstein steeds meer geïsoleerd geraakt van de natuurkundige gemeenschap, omdat hij weigerde de vreemde maar krachtige theorie van de kwantummechanica te omhelzen – met zijn deeltjes die ook golven zijn en die op geen specifieke plaats bestaan totdat ze worden waargenomen. De natuur, zo redeneerde hij, kon niet zo pervers zijn. Dus streefde hij al bijna 30 jaar een quichotisch doel na: de schepping van een verenigde veldtheorie om alle natuurkrachten te beschrijven en de kwantumwereld te demystificeren.
Dat was de aanleiding voor de brief van Moffat. Hij dacht dat hij Einstein wat opbouwende kritiek kon bieden. “Ik schreef hem om te zeggen dat ik niet gelukkig was met wat hij aan het doen was,” herinnert Moffat zich. Daar was niets ongewoons aan. Veel mensen stuurden brieven naar Einstein, niet allemaal rationeel. Maar in het geval van Moffat gebeurde er iets onverwachts: Einstein schreef terug.
“Geachte Mr. Moffat,” begon het antwoord. “Onze situatie is als volgt. We staan voor een gesloten doos die we niet kunnen openen, en we doen ons best om te ontdekken wat er wel en wat er niet in zit.” Die gesloten doos is natuurlijk het heelal, en niemand had meer gedaan om het deksel eraf te wrikken dan Einstein. Toch had hij in de ogen van bijna al zijn collega’s bijna 20 jaar lang bijna niets van belang aan de natuurkunde bijgedragen.
Hadden ze gelijk? Heeft hij zijn genie verkwanseld door vergeefs te jagen op een ultieme theorie? Dat is de gangbare opvatting. Maar ten minste een paar natuurkundigen beweren nu dat Einstein zijn tijd ver vooruit was, wat vragen oproept die onderzoekers nog tientallen jaren zullen bezighouden. “Er wordt vaak gezegd dat Einstein later in zijn leven zijn tijd verspilde,” zegt Moffat, die later theoretisch natuurkundige werd. “Dit is natuurlijk onjuist. Einstein heeft zijn tijd nooit verspild.”
Einsteins breuk met de heersende natuurkunde kwam op het hoogtepunt van zijn carrière. In 1927, toen hij 48 jaar oud was, kwamen ’s werelds meest vooraanstaande natuurkundigen bijeen op een conferentie in Brussel om te debatteren over een vraagstuk dat tot op de dag van vandaag omstreden is: Wat heeft de kwantummechanica te zeggen over de werkelijkheid? Einstein had de Nobelprijs voor natuurkunde gewonnen voor zijn onderzoek waaruit bleek dat licht uit energiedeeltjes bestaat – onderzoek dat de basis legde voor de kwantummechanica. Toch wees hij de nieuwe theorie van de hand. Op de conferentie kwam hij in conflict met de grote Deense natuurkundige Niels Bohr, waarmee een vete begon die zou duren tot Einsteins dood in 1955.
Bohr was een voorstander van de vreemde nieuwe inzichten die uit de kwantummechanica voortkwamen. Hij geloofde dat elk afzonderlijk deeltje – of het nu een elektron, proton of foton is – nooit een bepaalde positie inneemt, tenzij iemand het meet. Totdat je een deeltje waarneemt, zo redeneerde Bohr, heeft het geen zin om te vragen waar het is: Het heeft geen concrete positie en bestaat alleen als een waas van waarschijnlijkheid.
Einstein spotte hiermee. Hij geloofde, nadrukkelijk, in een universum dat volledig onafhankelijk van menselijke waarneming bestaat. Alle vreemde eigenschappen van de kwantumtheorie zijn het bewijs dat de theorie gebrekkig is, zei hij. Een betere, meer fundamentele theorie zou dergelijke absurditeiten elimineren. “Geloof je echt dat de maan er niet is tenzij wij ernaar kijken?” vroeg hij.
“Hij zag op een bepaalde manier duidelijker dan wie ook hoe de kwantummechanica werkelijk in elkaar zat,” zegt de Britse natuurkundige Julian Barbour. “En hij zei: ‘Ik vind het maar niks.'” In de jaren na de conferentie in Brussel deed Einstein de ene aanval na de andere op Bohr en zijn volgelingen. Maar voor elke aanval had Bohr een kant en klare repliek. Toen, in 1935, bedacht Einstein wat hij dacht dat de fatale klap zou zijn. Samen met twee collega’s in Princeton, Nathan Rosen en Boris Podolsky, ontdekte hij wat een ernstige inconsistentie leek te zijn in een van de hoekstenen van de kwantum theorie, het onzekerheidsprincipe.
Het onzekerheidsprincipe, in 1927 geformuleerd door de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg, stelt strikte grenzen aan hoe nauwkeurig men de positie, snelheid, energie en andere eigenschappen van een deeltje kan meten. De waarneming van een deeltje zelf verstoort het ook, stelde Heisenberg. Als een natuurkundige bijvoorbeeld de positie van een deeltje meet, verliest hij daarbij ook informatie over de snelheid ervan.
Einstein, Podolsky, en Rosen waren het daar niet mee eens, en zij stelden een eenvoudig gedachte-experiment voor om uit te leggen waarom: Stel je voor dat een deeltje vervalt in twee kleinere deeltjes van gelijke massa en dat deze twee dochterdeeltjes uit elkaar vliegen in tegengestelde richting. Om het momentum te behouden, moeten beide deeltjes dezelfde snelheid hebben. Als je de snelheid of positie van één deeltje meet, weet je ook de snelheid of positie van het andere deeltje – en dat weet je zonder het tweede deeltje op enigerlei wijze te storen. Het tweede deeltje, met andere woorden, kan te allen tijde nauwkeurig worden gemeten.
Einstein en zijn medewerkers publiceerden hun gedachte-experiment in 1935, met de titel “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?” Het artikel was in veel opzichten Einsteins zwanenzang: Niets wat hij de rest van zijn leven schreef, zou de impact ervan evenaren. Als zijn kritiek juist was, was de kwantummechanica inherent gebrekkig.
Bohr betoogde dat Einsteins gedachte-experiment zinloos was: Als het tweede deeltje nooit direct werd gemeten, was het zinloos om over zijn eigenschappen te praten voor of nadat het eerste deeltje was gemeten. Maar hoewel de kwantumfysica uiteindelijk aan het langste eind trok, was het pas in 1982, toen de Franse natuurkundige Alain Aspect een werkend experiment construeerde op basis van Einsteins ideeën, dat Bohr’s argument werd gerechtvaardigd. In 1935 was Einstein ervan overtuigd dat hij de kwantummechanica had weerlegd. En vanaf dat moment tot aan zijn dood, 20 jaar later, wijdde hij bijna al zijn inspanningen aan het zoeken naar een verenigde veldtheorie.
Einsteins werk was aanvankelijk niet zonder belofte. Hij probeerde de zwaartekracht – die hij met succes had beschreven in zijn algemene relativiteitstheorie – te verenigen met de kracht van het elektromagnetisme, en de twee krachten lijken in veel opzichten op elkaar. De kracht van beide is bijvoorbeeld omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen twee lichamen, en beide hebben een oneindig bereik. Einstein was niet de enige die geloofde dat hij het probleem kon oplossen. In 1919 hadden de Duitse wiskundige Theodor Kaluza en, later, de Zweedse natuurkundige Oskar Klein een andere manier voorgesteld om de twee krachten te verenigen. Net zoals Einstein een vierde dimensie in zijn algemene relativiteitsvergelijkingen had ingevoerd om de zwaartekracht te beschrijven, stelden Kaluza en Klein voor dat er een vijfde dimensie nodig was om het elektromagnetisme in te passen.
Einstein besteedde de laatste twee decennia van zijn leven aan het verfijnen van dit idee. Tegelijkertijd probeerde hij de problemen op te lossen die hij zag in zijn algemene relativiteitstheorie. In gevallen waarin de zwaartekracht extreem sterk was, gingen zijn theorieën niet op. Bovendien leken ze de vorming mogelijk te maken van wat we nu zwarte gaten noemen – objecten met zo’n enorme dichtheid dat hun zwaartekracht zelfs licht gevangen houdt. “Einstein hield niet van zwarte gaten,” zegt Moffat. “De echte motivatie om zijn zwaartekrachttheorie te veralgemenen was om te zien of hij, zoals hij het noemde, ‘overal regelmatige oplossingen’ kon vinden die aan de vergelijkingen voldeden. Zulke oplossingen, hoopte Einstein, zouden zwarte gaten geheel elimineren.
In 1939 gebruikte de natuurkundige J. Robert Oppenheimer de algemene relativiteit om in detail te laten zien hoe zwarte gaten konden ontstaan uit ineenstortende sterren. Maar Einstein liet zich niet afschrikken. Gedurende de jaren veertig bleef hij vruchteloos zoeken naar een revolutionaire nieuwe theorie, zelfs toen de kwantummechanica in een verblindend tempo voortschreed. “Hij was in ontkenning,’ zegt Moffat. “Zelfs Einstein ontkende het, omdat hij er zoveel tijd in had geïnvesteerd – jaren! Tegen het einde van zijn leven realiseerde Einstein zich dat hij niet zou leven om zijn werk te voltooien. “Ik heb mijzelf opgesloten in tamelijk hopeloze wetenschappelijke problemen,” schreef hij, “temeer daar ik, als bejaarde man, vervreemd ben gebleven van de maatschappij hier.”
Toen Moffat in 1953 voor het eerst het latere werk van Einstein las, wees hij het niet af, zoals veel natuurkundigen deden. Maar Moffat was geen natuurkundige in die tijd. Als werkloze 20-jarige in Kopenhagen was hij geïnteresseerd geraakt in kosmologie toen hij in zijn vrije tijd in de bibliotheek aan het snuffelen was. Tot zijn verbazing ontdekte hij dat hij de geavanceerde wiskunde en natuurkunde in populair-wetenschappelijke boeken en tijdschriften gemakkelijk tot zich kon nemen. In ongeveer een jaar tijd ploegde hij zich door vier jaar collegestof heen en ging vervolgens aan de slag met professionele natuurkundige tijdschriften. “Ik kreeg een aantal van Einsteins artikelen in handen en besloot dat er een zwak punt zat in wat hij deed,” zegt hij. “Dus schreef ik twee artikelen en stuurde ze naar hem in Princeton. Ik had nooit gedacht dat ik nog iets van hem zou horen.”
Moffat had een foutieve aanname ontdekt in de wiskunde die Einstein gebruikte om de elektromagnetische kracht te beschrijven. Einstein gaf toe dat Moffat een punt had. In de volgende zes maanden wisselden ze verschillende brieven uit, die Moffat inspireerden om een carrière in de fysica na te streven. Hoewel hij geen formele opleiding op dit gebied had, wist Moffat dat de brieven van Einstein hem een gehoor bij andere natuurkundigen zouden kunnen opleveren. Daarom nam hij contact op met de secretaris van Niels Bohr aan de Universiteit van Kopenhagen en vertelde over de brieven. Bohr stemde er direct mee in om hem te ontmoeten. “Einstein vertrouwde mij zijn natuurkundige problemen toe,” zegt Moffat, “en Bohr wilde weten wat hij zei.”
Tijdens het twee uur durende gesprek dat volgde, mompelde Bohr zo zachtjes dat Moffat moeite moest doen om hem te verstaan. Bohr had gehoopt te horen dat zijn rivaal van mening was veranderd, maar de brieven van Moffat stelden hem teleur: Einstein stond nog steeds openlijk sceptisch tegenover de kwantummechanica. “Uiteindelijk zei Bohr dat Albert wat hem betrof een alchemist was geworden,” herinnert Moffat zich. In zijn zoektocht naar een transcendente theorie had Einstein het contact verloren met de wereld van het experiment en was hij afgedwaald naar het rijk van de metafysica. “Hij dacht dat Einstein zijn tijd verspilde,” zegt Moffat. “En hij zei tegen mij dat ik mijn tijd verspilde met mijn interesse in Einsteins ideeën.”
Daar bleef het niet bij. Een plaatselijke krant publiceerde een verhaal over Moffats ontmoetingen met Einstein en Bohr, en dat verhaal was voor het Britse consulaat in Kopenhagen aanleiding om contact op te nemen met het Department of Scientific and Industrial Research in Londen. Het departement bracht Moffat naar Londen en betaalde zijn reis naar het Institute for Advanced Studies in Dublin, voor een interview met Erwin Schrödinger.
Een polymaat die zes talen sprak, Schrödinger was het meest beroemd om de golfvergelijking die nu zijn naam draagt – een elegante wiskundige beschrijving van een van de centrale mysteries van de kwantumtheorie – die laat zien dat alle deeltjes zich ook als golven kunnen gedragen. Toen Moffat arriveerde voor een tweedaags bezoek, lag Schrödinger ziek in bed met een zware bronchitis. Tijdens hun gesprek keek de grote natuurkundige naar zijn jonge bezoeker door een ronde, randloze bril. Moffat wist dat hij niet zou aarzelen hem af te wijzen als een bedrieger en hem terug te sturen naar een leven van obscuriteit in Denemarken. Maar ook dit keer verliep alles op rolletjes, totdat Moffat zijn belangstelling voor het werk van Einstein ter sprake bracht.
“Hij werd erg boos,” herinnert Moffat zich. “Hij begon tegen me te schreeuwen vanuit zijn bed. Hij zei dat Einstein een dwaas was. Ik was nogal overdonderd.” Wat Schrödinger het meest kwaad maakte, was dat ook hij, een decennium eerder, had geprobeerd een verenigde theorie te ontwikkelen met een benadering die sterk leek op die van Einstein. Hij was steeds sceptischer geworden over de vraag of een verenigde veldtheorie überhaupt mogelijk was. Maar Einstein was in ieder geval de verkeerde kant opgegaan.
Moffat werd toegelaten tot het doctoraalprogramma in de wiskundige en theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Cambridge, mede dankzij een verrassend sterke aanbeveling van Schrödinger. In 1958 werd Moffat de eerste student in de 800-jarige geschiedenis van de school die zijn Ph.D. behaalde zonder een undergraduate graad te voltooien. Hij werkt nu aan het Perimeter Institute bij Toront – een iconoclastische veteraan te midden van enkele van ’s werelds beste en brutaalste jonge natuurkundigen. Hij werd in eerste instantie tot Einstein aangetrokken door diens fouten, maar nu gelooft hij dat de oude man misschien toch op het juiste pad zat.
In de jaren dertig, toen Einstein begon te werken aan een verenigde veldtheorie, geloofden natuurkundigen dat er slechts twee universele krachten waren die de theorie zou moeten verenigen: zwaartekracht en elektromagnetisme. Sindsdien hebben zij geleerd dat er ook nog twee andere fundamentele krachten zijn, een sterke kracht die atoomkernen samenbindt en een zwakke kracht die radioactief verval regelt. “Einstein definieerde wat later een fundamenteel probleem in de fysica werd,” zegt Carlo Rovelli, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van de Middellandse Zee in Marseille, Frankrijk. “Maar hij miste een ingrediënt.”
Dezer dagen houdt Einsteins eens zo eenzame zoektocht duizenden natuurkundigen over de hele wereld bezig, de meesten van hen werken aan een ambitieus natuurkundig raamwerk dat bekend staat als de snaartheorie. Hoewel dit werk is gebaseerd op de kwantummechanica, leunt het zwaar op enkele van dezelfde componenten die Einstein gebruikte. Volgens de snaartheorie zijn de fundamentele bestanddelen van de fysische wereld geen puntvormige deeltjes, maar infinitesimale eendimensionale lussen, of snaren. Alle deeltjes en krachten in het heelal ontstaan uit deze snaren die met verschillende frequenties trillen. Maar er is een addertje onder het gras, een die Einstein ongetwijfeld zou hebben doen glimlachen: De snaren hebben 11 dimensies nodig om te vibreren, en die extra dimensies worden beschreven door in wezen dezelfde wiskunde die Einstein gebruikte in zijn eigen verenigde veldentheorie.
Moffat is er niet zo zeker van dat de snaartheorie een verbetering is van Einsteins ideeën. Aan de andere kant denkt hij dat er nog wel wat leven zit in de late vergelijkingen van de meester. De afgelopen tien jaar heeft hij zich weer beziggehouden met de theorie waar Einstein aan werkte toen hij stierf – dezelfde theorie die de aanleiding vormde voor Moffats noodlottige brief. Moffat stelt dat de wiskunde waarvan Einstein hoopte dat ze elektromagnetisme zou beschrijven in zijn verenigde veldentheorie, in plaats daarvan aanleiding geeft tot een lichte afstotende kracht die de kracht van de zwaartekracht vermindert.
Tweeduizend lichtjaar van de aarde draaien bijvoorbeeld twee jonge blauwe sterren in een systeem genaamd DI Herculis om de 101/2 dag om elkaar heen. Hun paden verschuiven een beetje van de ene baan naar de andere – een verschijnsel dat precessie wordt genoemd – maar als astronomen de algemene relativiteit gebruiken om de grootte van deze verschuiving te voorspellen, wijken hun antwoorden af met een factor vier. De meeste astronomen denken dat een derde ster, die nog niet is waargenomen, de baan verstoort. Moffat heeft een andere interpretatie. In zijn aangepaste versie van Einsteins latere theorie is de zwaartekracht tussen de twee sterren net genoeg verzwakt om de banen van de sterren iets te vertragen. Volgens zijn nieuwe berekeningen komt de voorspelde precessie bijna exact overeen met de waarnemingen.
Er zit een kleine historische ironie aan dit alles. Een van de eerste rigoureuze tests van de algemene relativiteit was een waarneming van de precessie van de baan van Mercurius rond de zon. Vóór Einstein veronderstelden de meeste astronomen, net als bij DI Herculis, dat een derde lichaam de baan in overeenstemming zou brengen met de vergelijkingen van Newton. Sommigen beweerden zelfs de mysterieuze planeet te hebben waargenomen en noemden hem Vulcanus. De algemene relativiteitstheorie van Einstein maakte de derde planeet overbodig.
Zou de derde ster in DI Herculis net zo’n illusie blijken te zijn als Vulcanus? Als dat zo is, zou dat groot nieuws zijn. Moffat beweert dat zijn theorie ook donkere materie en donkere energie overbodig zou maken – twee nog niet ontdekte fenomenen die natuurkundigen aanvoeren om de bewegingen van melkwegstelsels en de uitdijing van het heelal te verklaren. Het is een gok, zegt Moffat, maar Einsteins laatste theorie kan nog wat leven in zich dragen.
Op een dag vroeg ik hem tijdens de lunch in een bistro in de buurt van Moffats kantoor of we ooit nog een natuurkundige als Einstein zullen zien. Hij schudde zijn hoofd. “Als je de kathedraal van Chartres in Frankrijk bezoekt, besef je dat het 150 jaar duurde om hem te bouwen, en we kennen de namen van de ambachtslieden die hem hebben gebouwd niet. Ze zijn anoniem. Misschien wordt natuurkunde ook zo. Op een dag hebben we misschien een groot bouwwerk voor de westerse beschaving, maar het duurt misschien 200 jaar om het te bouwen.” Beweren dat er een ultieme theorie is, is “pure overmoed,” zei Moffat. “
Einstein was het eerste slachtoffer van zijn eigen succes, vertelt Giovanni Amelino-Camelia, natuurkundige aan de Universiteit van Rome, graag aan zijn studenten. Hij gaf aanleiding tot het romantische idee dat een genie dat zijn intuïtie volgt, een perfecte theorie kan creëren die alle gegevens verklaart. En toen viel hij zelf ten prooi aan dat idee. “Het is een succes dat echt een gemengde zegen is geweest voor de theoretische natuurkunde,” zegt Amelino-Camelia. “Als we dat ene voorbeeld niet hadden, zouden we geen voorbeelden hebben. En dat zou de mensen leren hoe wetenschap echt in elkaar zit.”
Ooit heeft Einstein echter wel degelijk een revolutie in de natuurkunde teweeggebracht, en hij slaagde daar voor een groot deel in door zijn koppige, onafhankelijke, vermetele geest. De algemene relativiteitstheorie werd ontwikkeld in weerwil van eeuwen natuurkunde. Het kostte Einstein 11 jaar – van 1905 tot 1916 – en uiteindelijk werd triomfantelijk bewezen dat hij gelijk had. Het is geen wonder dat de herinnering aan die prestatie hem later nog lang heeft bijgebleven. In 1953, toen de brief van John Moffat zijn weg naar Princeton vond, deed Einstein nog steeds wat hij altijd had gedaan – grote vragen stellen en naar grote antwoorden zoeken.
Tijdens de lunch die dag in Ontario zei Moffat dat hij nog een brief van Einstein had die hij me wilde laten zien. Hij snuffelde in een map, haalde er een kopie uit en wees op de datum: 25 mei 1953. Toen las hij de woorden voor die hem al meer dan een halve eeuw leiden: “Ieder individu . … moet zijn manier van denken behouden als hij niet wil verdwalen in het doolhof van mogelijkheden. Niemand is er echter zeker van dat hij de juiste weg heeft gekozen, ik nog het minst.”