Nieuw ontdekte brieven laten zien dat zelfs Einsteins fysische intuïtie hem weleens in de steek liet

Niet lang voordat ze met pensioen zou gaan, ging Dalila Wallé, bibliothecaris van Rijksmuseum Boerhaave, nog even door een map met oude brieven van het Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden. Van drie ervan herkende ze direct het handschrift. En inderdaad, bij nadere inspectie bleken ze afkomstig van niet de minste: Albert Einstein, van wie het museum al zo’n veertig brieven in zijn bezit had.

De brieven, die alle dateren uit 1911, waren gericht aan de Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes, die een paar jaar daarvoor van Leiden het koudste plekje op aarde had gemaakt door helium vloeibaar te maken. Einstein was nog maar een paar maanden eerder zelf in Leiden komen kijken hoe hij dat voor elkaar had gekregen.


Lees ook

Het koudste plekje in het heelal vind je in een lab op aarde

Het koudste plekje in het heelal vind je in een lab op aarde

In zijn eerste brief dankt hij Onnes dan ook voor een paar schitterende dagen en „het inkijkje in de prachtige kring van activiteiten in uw laboratorium”. Verder schrijft Einstein over een optisch verschijnsel waar in Leiden metingen aan waren gedaan, maar die blijven hier verder onvermeld.

Het zijn namelijk de twee laatste brieven die een prachtig inkijkje bieden in de manier waarop deze twee natuurkundigen tegen onderzoek aankeken, Einstein als een briljante theoreticus en Onnes als de begenadigde experimentator en stichter van de Leidse koudefabriek.

Albert Einstein (links) op bezoek in Leiden, bij collega Paul Ehrenfest (tweede van links) thuis, vermoedelijk in 1915. Zittend: Paul Langevin. Geheel rechts Pierre Weiss en links van hem Heike Kamerlingh Onnes.
Foto Getty Images

Geheel nieuw temperatuurgebied

Helium is een gas en wordt pas enkele graden boven het absolute nulpunt vloeibaar. Door dat voor elkaar te krijgen had Onnes een geheel nieuw temperatuurgebied ontsloten om de wetten van de natuurkunde te testen. Een van de eerste verschijnselen waarop hij zich had gestort was de elektrische geleiding in metalen. Die is het gevolg van elektronen die onder invloed van een spanning allemaal dezelfde kant op gaan bewegen. Daarbij ondervinden ze weerstand van de atomen in het metaalrooster, die staan te trillen en zo de voortgang van de elektronen hinderen. Hoe lager de temperatuur, hoe minder heftig de trillingen en hoe lager de weerstand.

Onnes had inderdaad waargenomen dat de weerstand bijna helemaal verdween voordat het absolute nulpunt was bereikt en elektronen en atomen helemaal tot stilstand kwamen. Het laatste restje weerstand schreef hij toe aan onzuiverheden in het metaal. Om daar zo goed mogelijk vanaf te komen ging hij over op het (vloeibare) metaal kwik. Dat kon je betrekkelijk eenvoudig zuiver krijgen.

Uit de brieven blijkt nu dat Einstein op een heel ander spoor zat. Op basis van de jonge, nog uiterst controversiële quantumtheorie leidde hij in zijn tweede brief een formule af voor de elektrische geleiding bij lage temperaturen. Dat bracht hem ertoe Onnes te adviseren om juist extra onzuiverheden bij te mengen en opnieuw de weerstand bij lage temperaturen te meten. Daarmee zou hij ondersteuning kunnen leveren voor Einsteins quantuminterpretatie.

Zorgvuldig gezuiverd kwik

Maar Onnes vertrouwde op zijn experimentele gevoel, en deed een nieuwe serie metingen aan zorgvuldig gezuiverd kwik, ontdaan van alle verontreigingen. Toen hij daarvan stapje voor stapje bij steeds lagere temperaturen de elektrische geleiding bepaalde, zag hij de weerstand naar nul gaan. De elektronen liepen zonder ook maar enige hinder te ondervinden langs de kwikatomen. Het meest verbazingwekkend was dat dit proces allerminst geleidelijk verliep: bij min 269 graden viel de weerstand in één keer volledig weg. Dat plotselinge verdwijnen van alle weerstand (supergeleiding) was ongekend. Het was niet in overeenstemming met Onnes’ eigen theorie en al helemaal niet met die van Einstein.

Als Kamerlingh Onnes diens gedachtenlijn zou hebben gevolgd, dan had hij in 1911 nooit supergeleiding ontdekt. Zijn experimentele intuïtie bleek superieur aan die van Einstein. Waarom kwik (en naar later bleek ook andere metalen) supergeleidend werden, zou echter nog lang een raadsel blijven. Pas in 1957 begrepen drie Amerikaanse natuurkundigen hoe het verschijnsel in elkaar stak. Dat had Einstein dan weer wel goed gezien, zoals blijkt uit de woorden waarmee hij zijn derde brief eindigde: „In elk geval geloof ik dat we nog ver verwijderd zijn van een precieze theorie van de geleiding in metalen.”

Het verhaal van de ontdekking van Einsteins brieven verschijnt volgende week in het blad Wonderkamer: magazine voor wetenschapsgeschiedenis.