Изключителната година на Айнщайн

ПРЕЗ 1905 г. Алберт Айнщайн, 26–годишен чиновник в патентно бюро, издал четири научни статии, които променили възгледа на хората за Вселената — от най–малките ѝ съставни части до най–големите ѝ галактики. Някои от тези статии положили основата за много от изобретенията през изминалите сто години, които промениха живота на хората.

Нобеловият лауреат по физика Изидор Раби казва: „Едва ли съществува някоя важна и основна идея в съвременната физика, която поне отчасти да не води началото си от делото на Айнщайн.“ Какви били откритията, които направил Айнщайн преди един век?

Загадката на светлината

В статията на Айнщайн, публикувана през март 1905 г., били разкрити някои от тайните относно естеството на светлината. Учените вече били открили, че когато пътува през пространството, светлината прилича на вълните по повърхността на някое езеро. Но схващането, че светлината се движи на вълни, не обяснявало защо бледата синя светлина произвежда електрически ток, когато се удари в определени метали, а ярката червена светлина — не. В статията на Айнщайн се обяснявал този т.нар. фотоелектричен ефект.

Айнщайн твърдял, че понякога светлината може да се разглежда като съставена от малки порции енергия, наречени по–късно фотони. Ако енергията на фотоните е достатъчно голяма, което определя и цвета на светлината, тогава те могат да откъснат електрони от атомите на някои метали. (Фотоните на червената светлина са твърде слаби за тази цел.) Това взаимодействие създава електрически ток в метала. Съвременни изобретения като предавателните електроннолъчеви тръби, панелите за събиране на слънчева енергия и фотографските светломери са свързани с описанието на фотоелектричния ефект, направено от Айнщайн.

През 1921 г. Айнщайн получил Нобелова награда по физика за своето обяснение на светлината. Неговата статия отворила пътя за развитието на нов дял от науката, наречен квантова механика. Квантовата теория от своя страна е особено важна в редица области като ядрената физика, електрониката и нанотехнологията.

Защо цветният прашец се движи?

През 1905 г. Айнщайн насочил вниманието си и към атомите и молекулите. Той обяснил на теория как те влияят на зрънцата на цветния прашец във вода. През 1827 г. биологът Робърт Браун наблюдавал с помощта  на микроскоп как зрънцата на цветния прашец се движат хаотично във вода. Той нарекъл това явление брауново движение, но не могъл да го обясни.

В статията, която публикувал през май 1905 г., Айнщайн изложил своето предположение, че брауновото движение се дължи на трептенето на водните молекули. Той не само изчислил размера на водните молекули, но и предположил какви са свойствата на техните атоми. Въз основа на тези предположения други учени след него направили допълнителни изследвания, с които премахнали всякакви съмнения за съществуването на атомите. В основата на съвременната физика е залегнала идеята, че материята е изградена от атоми.

Времето е относителна величина

Специалната теория на относителността, която Айнщайн публикувал през юни 1905 г., била в противоречие с общоприетото мнение на учени като Исак Нютон, че времето е постоянна величина навсякъде във вселената. Следствията от теорията на Айнщайн, днес приета повсеместно, звучат доста необичайно.

Да предположим например, че свериш точно часовника си с този на някой твой приятел. След това приятелят ти пътува със самолет около света, а ти оставаш у дома. Когато той се върне, ще установиш, че часовникът му е изостанал малко в сравнение с твоя. От твоя гледна точка, времето се е движило по–бавно за приятеля ти. Предвид скоростта, с която се движат хората, обаче, разликата е съвсем минимална. Но при скорост, близка до тази на светлината, не само че времето тече значително по–бавно, но и предметите стават по–малки и масата им се увеличава. Според теорията на Айнщайн не времето, а скоростта на светлината е онова, което не се изменя във вселената.

Формула, която промени света

През септември 1905 г. Айнщайн публикувал друга статия, смятана за математическо допълнение към неговата специална теория на относителността. В нея се съдържала формулата E=mc², с която днес се свързва делото на Айнщайн. Според това уравнение количеството енергия, отделено при разпадането на един атом, се равнява на загубата на атомна маса, умножена по скоростта на светлината на квадрат.

В резултат на усилията на учени като Алберт Айнщайн познанието на човечеството за вселената се е увеличило. Въпреки това относно знанието, което хората притежават днес, могат да се повторят думите на Йов, изказани в древността. Относно делата на Създателя той смирено признал: „Ето, тия са само краищата на пътищата Му; и колко малко шепнене ни дават да чуем за Него!“ (Йов 26:14)

[Диаграма/Снимки на страница 30]

(Виж публикацията)

Светлината се движи едновременно като вълна и като поток от частици. Благодарение на това откритие бяха създадени калкулаторите със слънчеви батерии и светлинните сензори на цифровите фотоапарати

[Диаграма/Снимки на страница 31]

(Виж публикацията)

С помощта на брауновото движение беше доказано съществуването на атомите

[Диаграма/Снимки на страница 31]

(Цялостното оформление на текста виж в печатното издание)

E Енергията

= е равна

m на масата

c² умножена по скоростта на светлината на квадрат

c² означава c по c, или 299 792 458 метра в секунда по 299 792 458 метра в секунда

Тъй като c² е изключително голямо число, малко количество маса може да се превърне в огромно количество енергия. При разпадането на един атом уран бързо се образуват два по–малки атома, но и се губи около 0,1% от първоначалната маса. Това минимално количество се преобразува в огромно количество енергия

Отделя се енергия

Дори само един килограм от дадено вещество, преобразувано изцяло в енергия, се равнява на:

◼ близо 25 милиарда киловатчаса

◼ 400 000 обиколки на земята с автомобил

◼ 900 обиколки на земята с най–големия петролен танкер

◼ електричеството, необходимо на САЩ за два дни

Обратното също е вярно. Необходимо е огромно количество енергия, за да се образува един–единствен атом

[Снимка на страница 31]

Колкото по–бързо се движиш, толкова по–бавно тече времето

[Снимка на страница 31]

При Глобалната позиционираща система (GPS) часовниците на сателитите не се движат със същата скорост като тези на земята. Ако това следствие от относителността на времето не се коригира, системата ще бъде напълно безполезна

[Информация за източника на снимката на страница 30]

Айнщайн: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; фон: CERN photo, Geneva