In 1901 Albert Einstein unsuccessfully applied for the post of assistant in Heike Kamerlingh Onnes’ cryogenics laboratory. Ten years later the two scientists finally met each other. Einstein was interested in the experimental research taking place in Leiden into critical light scattering, a field to which he had made theoretical contributions himself. Kamerlingh Onnes on his part hoped Einstein might throw light on the unexplained phenomenon of superconductivity and on the influence of quantum effects on Leiden’s key research topic: equation of state.
Op 12 april 1901 solliciteerde Albert Einstein, 22 jaar oud, naar een assistentplaats in het Natuurkundig Laboratorium van de Leidse universiteit. De zomer ervoor was hij afgestudeerd aan de Eidgenössische Polytechnische Schule in Zürich.
Sollicitatie brief van Albert Einstein naar een assistentplaats in het Natuurkundig Laboratorium van de Leidse universiteit, 12 april 1901. Met bijgevoegde antwoordkaart. (Museum Boerhaave, Leiden)
Waarom deze sollicitatie? Einstein was eind juli 1900 in Zürich afgestudeerd, vastbesloten om na de vakantie op de ‘Poly’ terug te keren als assistent, ter voorbereiding op een promotie.
Daar werkte Heike Kamerlingh Onnes onvermoeibaar aan de opbouw van een cryogeen laboratorium.
In die oratie ontvouwde Kamerlingh Onnes zijn onderzoeksprogramma: het experimenteel toetsen van de moleculaire theorieën van zijn vriend en leermeester Johannes Diederik van der Waals.
Het werd zijn levenswerk. Direct na zijn benoeming startte Kamerlingh Onnes in het Fysisch Kabinet, dat sinds 1859 de rechtervleugel van een universitair verzamelgebouw aan de Leidse Steenschuur bezette, een grootscheepse verbouwing.
Toen Einstein in 1901 bij Kamerlingh Onnes solliciteerde, kon het Leidse cryogeen laboratorium al bogen op brede internationale belangstelling. In 1892 was de installatie voor vloeibare zuurstof gereed gekomen en vier jaar later sprak
Het Leidse onderzoek liep langs twee lijnen. Naast experimentele verificatie van de theorieën van Van der Waals (toestandsvergelijking, wet der overeenstemmende toestanden, mengsels), waarbij op de achtergrond het daadwerkelijk bestaan van moleculen speelde, werd ook het theoretisch werk van Lorentz proefondervindelijk getest.
Einstein had zijn sollicitatiebrief toen al gestuurd. Wat had theoreticus Einstein bij Kamerlingh Onnes te zoeken? Dreunende pompen, kranenvet en manometers waren niet de wereld die Einstein zich wenste. Kamerlingh Onnes zal verbaasd hebben opgekeken. Wie was in vredesnaam die Einstein? Het meegestuurde artikel over capillaire werking stelde weinig voor, zoals Einstein later zelf erkende. Onduidelijk is of Kamerlingh Onnes bij Weber informatie heeft ingewonnen. Vanwege een chronische bronchitis bracht hij de zomervakantie in Zwitserland door om ‘lucht te happen’. Hij was bevriend met Pierre Weiss, aan het Polytechnicum afgestudeerd en na een Frans uitstapje op weg naar een benoeming tot hoogleraar in Zürich in 1902. Mocht Kamerlingh Onnes zich de moeite hebben getroost via dit kanaal naar Einstein te informeren – iets waar de archieven over zwijgen – dan zal hij te horen hebben gekregen dat Einstein een eigenwijs heerschap was, lak had aan autoriteit en zich niets liet gezeggen. Zijn hoogleraar aanspreken met ‘Herr Weber’, in plaats van ‘Herr Professor’, zal weinig hebben geholpen. Ook van Pernet was geen aanbeveling te verwachten. Einstein, die het altijd anders wilde aanpakken dan de practicumhandleiding voorschreef, had een explosie veroorzaakt waarbij hij zijn rechterhand ernstig bezeerde.
Hoe dan ook, Einsteins meegestuurde antwoordbriefkaart verdween bij Kamerlingh Onnes in een map. De vraag dringt zich op of Einstein werkelijk geïnteresseerd was in een assistentschap bij Kamerlingh Onnes. Wilde hij langs die weg in de nabijheid komen van Lorentz, de theoretisch fysicus die hij hoog achtte en bewonderde als ‘schepper en persoonlijkheid’, zoals hij het in een brief ter gelegenheid van Lorentz’ honderdste geboortedag uitdrukte?
In februari 1911, tien jaar na de vergeefse sollicitatie, ontmoetten Einstein en Kamerlingh Onnes elkaar alsnog. Op uitnodiging van studenten was Einstein naar Leiden gereisd om een lezing te geven. Een week lang logeerden Einstein en zijn vrouw Mileva Marić in huize Lorentz aan de Hooigracht. Ook een bezoek aan het cryogeen laboratorium van Kamerlingh Onnes stond op het programma.
In de aanloop naar dat bezoek had Kamerlingh Onnes in december 1910 Einstein twee artikelen toegestuurd die hij samen met zijn assistent (en latere opvolger) Willem Keesom had gepubliceerd.
Einstein was geïnteresseerd in kritische opalescentie: het sloot aan bij zijn werk aan de Brownse beweging. Op 20 december 1910 had hij in
Zes weken later kwam Einstein in een brief aan Kamerlingh Onnes op het onderwerp terug.
Toen Albert Einstein in februari 1911 in Leiden het Natuurkundig Laboratorium bezocht, werd daar volop gebouwd aan een constructie om vloeibaar helium over te hevelen van de liquefactor waarin het was geproduceerd naar een aparte cryostaat: een opvangvat met ruimte voor te onderzoeken preparaten en meetinstrumenten. Een technisch hoogstandje dat Kamerlingh Onnes klaarspeelde met behulp van meester-instrumentmaker Gerrit Jan Flim, tevens chef van het cryogeen laboratorium, en meester-glasblazer Oskar Kesselring. Het waren hun inventiviteit en technisch kunnen die de doorslag gaven bij het realiseren van Kamerlingh Onnes’ ontwerpen.
Het was James Dewar die in de Londense Royal Institution in 1896 als eerste vloeibaar waterstof wist te produceren. Het jaar ervoor had William Ramsay, ook een Schot, op aarde helium ontdekt, en dus was er nog één gas te gaan. Ook Karol Olszewski uit Krakau was in de race, maar uiteindelijk ging het tussen Londen en Leiden. Daarbij gaf de fabrieksmatige, grootschalige aanpak van Kamerlingh Onnes de doorslag. Terwijl Dewar in de kelder van de Royal Institution ruzie zocht met zijn technicus en de mening was toegedaan dat, als het erop aan komt, assistenten beter kunnen ophoepelen, stond in Leiden Kamerlingh Onnes aan het roer van een omvangrijke, geoliede organisatie. Pas in 1906 had Leiden zijn eigen waterstofliquefactor, maar die was dan ook ontworpen met het oog op de volgende etappe (vloeibare waterstof als voorkoeling van helium) en produceerde vier liter per uur. Dat was voldoende om de aanval op het helium met vertrouwen te kunnen inzetten.
Essentieel was de zuiverheid van het heliumgas. Bevatte dat verontreinigingen, dan vroren die bij het afkoelen uit, raakten leidingen verstopt en zat er niets anders op dan de installatie te laten opwarmen en overnieuw te beginnen. Kamerlingh Onnes beschikte over een heel legertje chemici dat helium uit monazietzand bevrijdde en grondig reinigde tot het nauwelijks nog verontreinigingen bevatte. En om het helium in zijn kringloop in de liquefactor zuiver te houden, diende zijn met bloed zweet en tranen gemodificeerde Cailletet-pomp. Dewar in Londen ploeterde in zijn eentje met onzuiver heliumgas en kampte voortdurend met vastvriezende kranen en ander onheil. Het was de big science-aanpak welke Kamerlingh Onnes op 10 juli 1908 de overwinning bracht: na een lange dag hard werken had hij 60 milliliter vloeibaar helium geproduceerd (een theekopje) bij een temperatuur van vier graden boven het absolute nulpunt (-273 °C). ‘Niet alleen de toestellen waren bij deze proef en hare voorbereiding tot het uiterste belast geweest,’ schreef Kamerlingh Onnes in zijn verslag voor de Akademie van Wetenschappen, ‘ook van mijn helpers was het uiterste gevorderd. Zonder hun volharding en bezielde samenwerking had niet elk deel van het programma zo onberispelijk tot zijn recht kunnen komen als nodig was om deze aanval op het helium te doen slagen’.
Een nieuw temperatuurgebied lag open voor wetenschappelijk onderzoek. En dat alleen in Leiden, dat tot 1923 het monopolie op vloeibaar helium bezat. Toch liet het verkennen van die ‘poolstreken van de fysica’ nog even op zich wachten. Omdat de heliumliquefactor geen ruimte bood aan experimenten, moest er een hevel komen naar een apart opvangvat. Op 12 maart 1910 lukte het om vloeibaar helium over te hevelen naar een lege cryostaat, waarna afpompen van de damp de temperatuur verlaagde tot 1,1 kelvin. Maar vier maanden later, toen in de cryostaat een platina-thermometer was gemonteerd, ging het mis omdat de warmtecapaciteit van het platina het helium wild deed koken zodat het in een mum van tijd verdampte. Het ontwerp van de hevel moest over, wat opnieuw negen maanden in beslag nam. Op 8 april 1911 was de verbeterde hevelconstructie klaar. Hij functioneerde prima en metingen van de elektrische weerstand van de in de cryostaat gemonteerde bevroren kwikdraad (vervat in zeven aaneen geschakelde U-vormige glazen capillairen – een kunststukje van Kesselring) leverden direct een daverende verrassing op: beneden een zekere sprongtemperatuur, bij kwik zo’n 4 kelvin, viel de weerstand plotseling compleet weg. ‘Kwik nagenoeg nul’, noteerde Kamerlingh Onnes: de ontdekking van de supergeleiding was een feit (
Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr en Heike Kamerlingh Onnes voor de helium- liquefactor in het Natuurkundig Laboratorium te Leiden waarmee supergeleiding tot stand is gebracht. (Museum Boerhaave, Leiden)
Een supergeleidende spoel uit het Natuurkundig Laboratorium te Leiden. (Museum Boerhaave, Leiden)
Weerstandsmetingen aan metalen waren voor Kamerlingh Onnes om twee redenen interessant. Om te beginnen werden platina- en gouddraden vanwege hun temperatuurafhankelijke weerstand ingezet als thermometer. De vraag rees of ze ook in het heliumgebied (beneden 10 kelvin) als zodanig bruikbaar waren. Maar er speelden ook overwegingen van theoretische aard. Wat deed de weerstand van metalen bij nadering van het absolute nulpunt? In 1902 voorspelde Lord Kelvin dat die weerstand aanvankelijk bleef dalen, maar bij het absolute nulpunt tot oneindig zou oplopen omdat de geleidingselektronen in het metaal zouden ‘vastvriezen’. Aan de andere kant hadden soortelijke warmtemetingen in Leiden en Berlijn een daling bij afnemende temperatuur te zien gegeven. Ter verklaring opperde Einstein in 1907 het bestaan van ‘fononen’ of roostertrillingen, aansluitend bij de quantumhypothese van Max Planck. In dat geval zou de weerstand bij dalende temperatuur naar nul gaan. Ook Kamerlingh Onnes speelde met dit ‘vibratoren’-model. De metingen gaven Kelvin ongelijk, zoveel was zeker. Maar op een daling van de weerstand in één klap naar nul was niemand voorbereid.
Supergeleiding zou nog lang een raadsel blijven – pas in 1957 leverden John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schrieffer een theoretische verklaring op microscopisch niveau. Kamerlingh Onnes probeerde van alles maar kwam er niet uit. Zijn laatste troef was Albert Einstein. Als dat genie zich er eens over zou buigen. En dus deed Kamerlingh Onnes in 1919 van harte mee aan pogingen om Einstein als hoogleraar uit Berlijn naar Leiden te halen. Initiatiefnemer was Paul Ehrenfest, in 1912 opvolger van Lorentz (die naar Teylers in Haarlem was vertrokken). Ehrenfest was de hopeloze bureaucratie rond Einsteins toch al spaarzame bezoekjes uit Berlijn – resultaat van de Wereldoorlog – beu. Op 2 september 1919 nodigde hij Einstein pontificaal uit zich in Leiden te vestigen. ‘[…] we zijn het er hier
Voorwaar een schitterend aanbod, maar had het de steun van de universiteit en de minister? Was er financiële ruimte voor een extra leerstoel theoretische natuurkunde die duur kon uitpakken? Het lijkt hoogst twijfelachtig in een tijd dat bezuinigingen troef waren. In de faculteit is Ehrenfests drieste aanbod niet aan de orde geweest. Dat hoefde ook niet want na vijf weken kwam Einstein met zijn reactie.
In oktober 1919 zocht Einstein zijn Leidse vrienden weer eens op. Net als in 1916 was er veel gedoe rond visa. Om de zaak vlot te trekken zag Kamerlingh Onnes zich genoodzaakt een brandbrief naar het Rijkspaspoortenkantoor te Den Haag te schrijven.
Intussen was Kamerlingh Onnes eveneens met de gedachte van een gasthoogleraarschap aan de gang gegaan. Daarbij maakte hij slim gebruik van de roem die Einstein zojuist ten deel was gevallen. Op 6 november 1919 bracht Arthur Eddington het nieuws naar buiten van de buiging van licht, eerder dat jaar waargenomen tijdens een zonsverduistering. Een triomf voor de algemene relativiteitstheorie; op slag was Einstein wereldberoemd. Kamerlingh Onnes stuurde een telegram naar Berlijn: ‘Hertzliche Glueckwunsch zur glaenzenden neuen Bestaetigung Ihrer Theorie’.
Het staaltje lobbykunst miste zijn uitwerking niet. In december kon Lorentz namens het Leids Universiteits Fonds Einstein een officieel voorstel doen voor het invullen van de bijzondere leerstoel: naar keuze één à twee keer per jaar in Leiden verblijven; haast geen verplichtingen; een traktement van
Zodra Einstein met zijn kometenbestaan akkoord was, gaf Kamerlingh Onnes aan hoge verwachtingen te koesteren. Omdat Einsteins werk aan quantumtheorie aansloot bij het Leidse lage temperaturen-onderzoek, zo schreef hij naar Berlijn, zou het gasthoogleraarschap de bloei van het cryogeen laboratorium zeer ten goede komen. ‘Uw hulp zal dus veel goeds tot stand kunnen brengen’, aldus Kamerlingh Onnes. Einsteins komst was voor het cryogeen laboratorium ‘net zo’n groot geluk als voor de theoretische fysica’ en hij zag ernaar uit samen met zijn nieuwe collega ‘plannen uit te werken en problemen te verhelderen’ (
Albert Einstein in gesprek met Heike Kamerlingh Onnes. Schets van Harm Kamerlingh Onnes uit 1920. (Museum Boerhaave, Leiden)
Op 27 oktober 1920 hield Einstein zijn inaugurele rede. Eigenlijk had hij dat op 5 mei zullen doen, maar de autoriteiten in Den Haag verwarden Albert Einstein met de revolutionair Carl Einstein.
Als voorzitter van de wetenschappelijke commissie van het Institut International du Froid greep Kamerlingh Onnes Einsteins oratie van 1920 aan voor het organiseren van een driedaags symposium over magnetisme. Deelnemers waren naast Einstein, Ehrenfest, Keesom en hijzelf, de magnetisme-experts Pierre Weiss en Paul Langevin. Als Einstein in Leiden was, zocht hij altijd Kamerlingh Onnes op, in het laboratorium of in Huize ter Wetering even buiten de stad. Kamerlingh Onnes organiseerde bij hem thuis etentjes ter ere van buitenlandse gasten waarop Einstein onbekommerd hypotheses opwierp, om een half uur later het tegenovergestelde te beweren. Ook supergeleiding had Einsteins aandacht. November 1921 gaf hij er in Leiden college over. In 1922 opperde hij in zijn bijdrage aan het jubileumboek ter ere van Kamerlingh Onnes’ veertigjarige professoraat een model van ‘ketens met quasi in ganzenpas lopende atoom-elektronen’. Zelfs deed hij drie voorstellen voor experimenten, waarvan er een door Kamerlingh Onnes daadwerkelijk is uitgevoerd. Met negatief resultaat, wat Einstein tot een naschrift bij zijn artikel noopte.
Behalve supergeleiding was ook de toestandsvergelijking in het Natuurkundig Laboratorium altijd dichtbij. Kamerlingh Onnes en Keesom hadden het onderwerp in de
In 1953 vroeg Maria Roosenboom, toen directrice van Museum Boerhaave, Einstein om een karakterschets van Kamerlingh Onnes, ter gelegenheid van zijn honderdste geboortedag. Einstein antwoordde met de opdracht niet goed raad te weten – van Lorentz, ook van 1853, maakte hij een prachtig portret – en herinnerde zich dat wetenschappelijke discussies met Kamerlingh Onnes nogal stroef verliepen. Met zijn intuïtie was helemaal niets mis, aldus Einstein, maar zich trefzeker uitdrukken kon Kamerlingh Onnes niet en ook stond hij weinig open voor de gedachtegang van anderen.
In 1911, toen het recht werd verkregen doctorstitels te verlenen, werd deze hogeschool omgedoopt tot Eidgenössische Technische Hochschule.
Albert Einstein, ‘Folgerungen aus den Capillaritätserscheinunge’,
Einstein aan Kamerlingh Onnes, 17 april 1901: Museum Boerhaave, archief Kamerlingh Onnes.
Albrecht Fölsing,
Dirk van Delft,
H. Kamerlingh Onnes,
A.Ya. Kipnis, B.E. Yavelov en J.S. Rowlinson,
J.D. van der Waals,
Tegenwoordig locatie van de Leidse Rechtenfaculteit.
Dirk van Delft, ‘Een tweesnijdend zwaard. Het Janssenfonds voor vakopleidingbeurzen en het ontstaan van de Leidse Instrumentmakersschool’,
‘The Physical Laboratory at Leiden (Holland)’,
Ibidem.
Ibidem.
J. Levelt Sengers,
Carl Seelig,
A. Einstein, ‘H.A. Lorentz als Schöpfer und als Persönlichkeit’,
Dirk van Delft, ‘Een onbekende brief van Einstein’,
H. Kamerlingh Onnes & W.H. Keesom, ‘On the Equation of State of a Substance in the Neighbourhood of the Critical Point Liquid-Gas. I. The Disturbance Function in the Neighbourhood of the Critical State. II. Spectrophotometrical Investigation of the Opalescence of a Substance in the Neighbourhood of the Critical State’,
A. Einstein, ‘Theorie der Opaleszenz von homogenen Flüssigkeiten und Flüssigkeitsgemischen in der Nähe des kritischen Zustandes’,
Bij die gelegenheid stuurde Einstein ook zijn proefschrift naar Leiden en overdrukken van zijn artikelen, waaronder dat over de speciale relativiteitstheorie uit 1905. Ze bevatten aanpassingen in zwarte inkt, door Einstein zelf aangebracht. Zie: Dirk van Delft, ‘Albert Einstein in Leiden’,
Marian von Smoluchowski, ‘Molekular-kinetische Theorie der Opaleszenz von Gasen im kritischen Zustande, sowie einiger verwandter Erscheinungen’,
Van Delft,
Einstein aan Kamerlingh Onnes, 27 maart 1911: Instituut Lorentz, Leiden, Archief Huygenslaboratorium.
W.H. Keesom, ‘Spektrophotometrische Untersuchung der Opaleszenz eines einkomponentigen Stoffes in der Nähe des kritische Zustandes’,
Klein [e.a.],
Julius aan Einstein, 20 november 1911: Utrechts Universiteitsmuseum, Juliusarchief, map ‘vacature Wind’. Klein [e.a.],
Einstein aan Julius, 22 november 1911: Utrechts Universiteitsmuseum, Juliusarchief, map ‘vacature Wind’. Ibidem 356–358.
H. Kamerlingh Onnes, ‘Het vloeibaarmaken van helium’,
Rudolf de Bruyn Ouboter, Dirk van Delft en Peter Kes, ‘The Discovery and Early History of Superconductivity’. In Horst Rogalla en Peter H. Kes (eds.)
Ehrenfest aan Einstein, 2 september 1919: Museum Boerhaave, archief Ehrenfest.
Ibidem.
Einstein aan Lorentz, 5 oktober 1919: Noord-Hollands Archief – hierna NHA, archief Lorentz.
Martin J. Klein,
Ehrenfest aan Lorentz, 5 oktober 1919: NHA, archief Lorentz.
Einstein aan Ehrenfest, 9 november 1919: Museum Boerhaave, archief Ehrenfest.
Kamerlingh Onnes aan Einstein, 10 november 1919: Museum Boerhaave, archief Kamerlingh Onnes, inv.nr. 71.
Kamerlingh Onnes aan Vissering, 9 november 1919: Erfgoed Leiden, archief Leidsch Universiteits Fonds (hierna LUF), inv.nr. 63.
Lorentz aan Einstein, 21 december 1919 (Museum Boerhaave, archief 55).
Einstein aan Lorentz, 19 januari 1920 (Erfgoed Leiden, archief LUF, inv.nr. 72).
Kamerlingh Onnes aan Vissering, 9 november 1919: Erfgoed Leiden, archief LUF, inv.nr. 72.
Kamerlingh Onnes aan Vissering, 1 december 1919: Erfgoed Leiden, archief LUF, inv.nr. 204.
Kamerlingh Onnes aan Einstein, 8 februari 1920: Museum Boerhaave, archief Kamerlingh Onnes.
Jeroen van Dongen, ‘Mistaken Identity and Mirror Image: Albert and Carl Einstein, Leiden and Berlin, Relativity and Revolution’,
Van Vollenhoven aan De Visser, 27 maart 1920: Nationaal Archief, Den Haag. Geciteerd in: Van Dongen, ‘Mistaken Identity and Mirror Image’(n. 43) 139.
A. Einstein, ‘Theoretische Bemerkungen zur Supraleitung der Metalle’,
H. Kamerlingh Onnes en W.H. Keesom, ‘Die Zustandsgleichung’,
Einstein aan Kamerlingh Onnes, 4 november 1924: Museum Boerhaave, archief Kamerlingh Onnes.
Kamerlingh Onnes aan Einstein, 13 november 1924: ibidem.
Einstein aan Maria Rooseboom, 27 februari 1953, aangehaald in: