100 jaar geleden bevestigde een zonsverduistering de relativiteitstheorie van Albert Einstein

De zonsverduistering van 29 mei 1919 bevestigde de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Maar het was nog geen gelopen race.

Tot overmaat van ramp regende het pijpestelen die ochtend. De omstandigheden op het tropisch eiland waren al zo zwaar. De astronomen werden belaagd door muskieten en door aapjes die hun apparatuur dreigden te stelen. De regen zelf was niet het probleem, maar de wolken ontnamen hen het zicht op de hemel. Om kwart over drie ’s middags zou de maan voor de zon kruipen. Dat bood een ideale kans om de nieuwe theorie te testen. Maar dan moest de verduisterde zon wel te zien zijn.

Ze hadden geluk. Kort voordat de zonsverduistering zou beginnen, klaarde het op. Koortsachtig werkten ze door, in het besef dat de eclips slechts vijf minuten zou duren. ‘Ik heb de verduistering niet gezien’, schreef expeditieleider Arthur Eddington in zijn dagboek. ‘Druk als ik was met het wisselen van de fotografische platen’. Hij nam zestien foto’s en stuurde een telegram naar zijn thuisbasis in Londen. ‘Door wolken heen, goede hoop. Eddington’.

De hoop bleek niet ijdel. Enkele foto’s waren goed gelukt en de beelden gaven Eddington het antwoord waar hij naar zocht. De metingen konden niet worden verklaard met de oude zwaartekrachtleer van Isaac Newton en juist wel met de nieuwe theorie, de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. De naam van Arthur Eddington zou voor altijd zijn verbonden aan deze zonsverduistering van 29 mei 1919, vandaag precies honderd jaar geleden. En de bevestiging maakte van Einstein in een klap een wereldster.

'En dan de figuur van Einstein, een Duitse professor. Zo iemand kon je als rechtgeaarde Brit, zo kort na de Eerste Wereldoorlog, niet serieus nemen.' Jeroen van Dongen, hoogleraar geschiedenis van de natuurwetenschappen

Die gekke theorie

In artikelen over Einstein en zijn algemene relativiteitstheorie is dit het beeld dat veelal wordt geschetst rond de zonsverduistering. Maar het was in 1919 geen gelopen race, zegt Jeroen van Dongen, hoogleraar geschiedenis van de natuurwetenschappen aan de Universiteit van Amsterdam. 'Velen twijfelden aan die gekke theorie met haar gekromde ruimte en klokken die langzaam liepen. Anderen hadden hun eigen theorie voor het heelal en de zwaartekracht. En dan de figuur van Einstein, een Duitse professor. Zo iemand kon je als rechtgeaarde Brit, zo kort na de Eerste Wereldoorlog, niet serieus nemen.'

Acht jaar had Einstein aan zijn theorie gewerkt. Het begin lag in 1907 toen hij een van zijn grootste ingevingen kreeg. Stel dat iemand in een lift staat, bedacht hij, en ineens voelt hoe de vloer tegen zijn voeten drukt. Wordt de lift omhooggetrokken of is hij in de greep van een zwaartekrachtveld beland? Als die persoon niet naar buiten kan kijken, weet hij dat niet, redeneerde Einstein. Dan moesten die twee krachten – trekkracht en zwaartekracht – hetzelfde zijn.

Met een ijzeren volharding en strikte logica werkte Einstein dit gedachtenexperiment uit. De wiskunde zou hem nog zware hoofdbrekens bezorgen, maar gaandeweg sloopte hij het bouwwerk dat Newton ruim twee eeuwen daarvoor had neergezet. Newton beschreef de zwaartekracht nog als een mysterieuze aantrekking die de ene massa op de andere uitoefende. Bij Einstein kromde een massa de ruimte waardoor andere massa’s gedwongen werden van hun rechte baan af te wijken. De zon trok volgens Einstein niet aan de aarde, maar creëerde een soort put in de ruimte waarin de aarde als een steilewandrijder rondjes draaide.

Drie opties

Einstein besefte dat er drie opties waren om zijn theorie te testen. Het licht dat sterren uitzenden zou, afhankelijk van hun massa, iets roder moeten worden. Maar die optie verviel; het beeld van sterrenlicht was nog niet scherp genoeg om daar een relativistisch effect uit te kunnen halen. Dan was er de baan van Mercurius, de kleinste planeet. Die baan was geen echte ellips, maar draaide zelf rondjes rond de zon waardoor het meer een rozet was. Met Newton viel dit niet te verklaren.

Ten slotte, de afbuiging van lichtstralen. Ook licht moest zich volgens Einstein aan de kromming van de ruimte houden en afbuigen als het bijvoorbeeld langs de zon scheerde. Sterren die aan de hemel in de buurt van de zon stonden, zouden daardoor iets verschoven moeten zijn. Dat zou normaal niet zijn te zien – de sterren verdrinken in het licht van de zon – maar tijdens een zonsverduistering wel.

In 1913 had Einstein zijn theorie in ontwerp gereed. Erg tevreden was hij niet over dit zogeheten Entwurf, hij kon er de baanverschuiving van Mercurius bij lange na niet mee voorspellen, maar een jonge sterrenkundige uit Berlijn, Erwin Freundlich, stond te trappelen om de eclipstoets uit te voeren. Op 21 augustus 1914 zou zich een ideale kans voordoen. Er werd een expeditie opgezet naar de Krim waar de zonsverduistering goed te zien zou zijn.

Spion

Het werd een flop. Freundlich was nog maar net in Rusland of de Eerste Wereldoorlog brak uit. De astronoom werd met zijn apparatuur aangezien voor een spion en gevangen gezet. Voor Einstein was het achteraf gezien een geluk. Zijn Entwurf zou ook hier hebben gefaald en niet de juiste afbuiging hebben voorspeld. Toen hij eind 1915 zijn theorie had voltooid, waren die fouten eruit. Hij vond nu wel de goede verschuiving voor Mercurius, maar een test met een eclips zat er even niet in.

De oorlog dreef een wig in de wetenschappelijke wereld. Een scheuring die werd verergerd door wat het ‘Manifest van de 93’ is gaan heten. Het Duitse leger had in België allerlei verwoestingen aangericht. Zo was bij de slag om Leuven de universiteitsbibliotheek in vlammen opgegaan. Britse en Franse kranten spraken schande van deze ‘barbaarse’ daad, maar in Duitsland werd dat anders gezien.

In een petitie werd de oorlog noodzakelijk genoemd. ‘Zonder het Duitse militarisme zou de Duitse cultuur van Goethe, Beethoven en Kant zijn weggevaagd’, heette het. Het manifest werd ondertekend door 93 intellectuelen onder wie vooraanstaande wetenschappers als Max Planck en Fritz Haber. Einstein zette zijn handtekening niet. Sterker: hij organiseerde een tegenmanifest dat weinig invloed had.

'Eddington koesterde het ideaal van een eensgezinde wetenschappelijke gemeenschap en wilde niets liever dan de tweespalt van de oorlog beëindigen' Jeroen van Dongen

Zijn actie viel wel op aan de andere kant van het front. Bij Arthur Eddington, in ieder geval. In tegenstelling tot veel van zijn collega’s in het VK was Eddington bekend met de relativiteitstheorie. Britse fysici waren druk met hun eigen theorieën, maar Eddington was dan ook een astronoom, geen fysicus. Bovendien had hij andere kanalen. Nederlandse kanalen, bijvoorbeeld. Met name dankzij de Nederlandse astronoom Willem de Sitter was Eddington goed op de hoogte. De Sitter schreef zelfs enkele artikelen in Britse astronomiebladen waarin hij de relativiteitstheorie uitlegde.

JEROEN VAN DONGEN «Wat ook een rol speelde: Eddington was een quaker en een overtuigd pacifist. Hij koesterde het ideaal van een eensgezinde internationale wetenschappelijke ­gemeenschap en wilde niets liever dan de tweespalt die door de oorlog was ontstaan beëindigen. Wat zou er mooier zijn dan de wetenschap weer te verenigen door een Duitse theorie te bevestigen met een Britse meting?»

Twee missies

Dat was makkelijker gezegd dan gedaan. Het was oorlog en de jonge Eddington moest onder de wapenen, een plicht waar de quaker ernstige gewetensbezwaren tegen had. Zijn baas, de Royal Astronomer Frank Dyson, loste de twee problemen behendig op. Hij wist de autoriteiten ervan te overtuigen dat zo’n missie naar een eclips van het grootste belang was. En dat Eddington dat moest doen.

Zo geschiedde. Op 29 mei 1919 moest het gebeuren. Een ideaal moment: de zon zou tijdens de verduistering voor een bekende groep sterren schuiven, de Hyaden. Dat gesternte gaf veel punten om de verschuiving te meten. Er werden twee missies op poten gezet. Eddington voer met een kompaan naar Principe, een eiland voor de westkust van Afrika, terwijl twee collega’s naar Sobral afreisden, een plaats in het noorden van Brazilië, waar de eclips ook te zien zou zijn.

Beide expedities kregen te kampen met het weer en de meetresultaten waren dan ook niet erg overtuigend. De relativiteitstheorie voorspelde dat de sterren 1,75 boogseconden zouden zijn verschoven, ongeveer het duizendste deel van de maanschijf. Als je het met de formules van Newton zou berekenen, dat wil zeggen, als je het licht van de sterren zou beschouwen als een komeet die door de aarde werd afgebogen, dan kwam je uit op ongeveer de helft.

Eén reeks uit Sobral kwam te hoog uit: 1,98 boogseconde. De andere op 0,86. De Newtoniaanse waarde, maar met een grote foutenmarge. De twee foto’s uit Principe resulteerden in 1,61. Eddington oordeelde dat de lage waarde uit Sobral niet betrouwbaar was en middelde de overige resultaten tot een nagenoeg perfect op de verwachting aansluitende 1,7.

Geen twijfel

De analyse had wat voeten in de aarde maar op 6 november 1919 kon het hoge woord eruit. Op een bijeenkomst van de Royal Society was het de eer aan Frank Dyson om te verkondigen dat er ‘na zorgvuldige bestudering van de fotografische platen geen twijfel over bestaat dat ze Einsteins voorspelling bevestigen’.

Daar was niet iedereen het mee eens. Velen vroegen zich af of Eddington niet al te gretig het bewijs in zijn metingen had ontdekt. Maar een paar jaar geleden dook de Ierse wetenschapshistoricus Daniel Kennefick nog eens in de archieven van Eddington, om tot de conclusie te komen dat deze een juiste afweging had gemaakt en dat van manipulatie geen sprake was. En dat Eddington met zijn team een prestatie van formaat had geleverd. Pas bij de eclips van 1952 lukte het om de bevestiging onomstotelijk te herhalen.

VAN DONGEN «Einstein was intussen een wereldster geworden. Overal dook hij op in de krantenkolommen. Op de society-pagina’s, maar ook in de politieke commentaren. Hij werd gezien als een revolutionair, hij was in zekere zin de wetenschappelijke pendant van de Weimar-republiek, maar die rol riep ook weerstand op. Er was ook een politiek-cultureel sentiment dat zich tegen de relativiteitstheorie keerde. Einstein werd een wetenschappelijke dadaïst genoemd.»

'The New York Times schreef destijds dat slechts ‘twaalf wijze mannen’ Einsteins relativiteitstheorie begrepen'

VAN DONGEN «Je kunt je afvragen hoe de relativiteitstheorie was ontvangen als de Eerste Wereldoorlog niet was uitgebroken. Of als Freundlich zijn metingen op de Krim wel had kunnen uitvoeren toen Einstein zijn theorie nog niet op orde had en dus later zijn fout had moeten toegeven. Als historicus vind ik het niet zo gek zoals het nu is verlopen. Wat als Einstein niet zo tegendraads was geweest, vraag ik me wel eens af. Stel dat hij een aartsconservatief zou zijn geweest. Hoe was zijn theorie dan ontvangen?»

Twaalf wijze mannen

'Is het waar', vroeg Ludwig Silberstein na afloop van de zitting van de Royal Society op 6 november 1919 aan Arthur Eddington, 'dat maar drie mensen de relativiteitstheorie begrijpen?' Eddington aarzelde, waarop Silberstein uitriep: 'Doe niet zo bescheiden man!' Eddington antwoordde: 'Ik vraag me af wie de derde is.'

Zo erg was het niet. Silberstein had zich echter nogal sceptisch over de metingen van Eddington uitgelaten. U heeft het in ieder geval niet begrepen, leek de astronoom tegen Silberstein te willen zeggen.

The New York Times schreef destijds dat slechts ‘twaalf wijze mannen’ de theorie begrepen. Eén van die twaalf was de Nederlander Hendrik Lorentz. Deze Leidse hoogleraar had in de NRC een artikel over de theorie en de zonsverduistering geschreven en de NYT nam het in vertaling over: ‘Dutch colleague explains Einstein’.

In de eerste twee decennia van de vorige eeuw hoorde de Nederlandse natuurkunde tot de absolute wereldtop. Met name Lorentz genoot internationale faam. Nederland was in de Eerste Wereldoorlog neutraal en Leiden was een soort spil en doorgeefluik voor de fysica. Ruim voor de bijeenkomst van de Royal Society wist Lorentz Einstein al het goede nieuws te melden. Op 22 september 1919 stuurde hij hem een telegram: ‘Eddington vond sterafbuiging aan rand van zon. Voorlopig tussen 0,9 boogseconde en het dubbele’.

Dat zei eigenlijk nog niks, maar Einstein had niet meer nodig. Trots liet hij het telegram aan een promovenda zien. Maar wat als de experimenten hadden uitgewezen dat de theorie niet klopte, vroeg zij. 'Dan was dat spijtig geweest voor Onze-Lieve-Heer', antwoordde Einstein. 'De theorie klopt.'

© Trouw