Einsteinův mimořádný rok

V ROCE 1905 Albert Einstein, 26letý zaměstnanec patentového úřadu, vydal čtyři vědecké články, které změnily pohled na náš vesmír — od jeho nejmenších stavebních částic až po největší galaxie. Tato Einsteinova pojednání položila základ pro mnoho vynálezů, které během uplynulého století zásadně ovlivnily život lidí.

„V moderní fyzice sotva existuje nějaká podstatná myšlenka, která by alespoň z části nepocházela od Einsteina,“ prohlásil fyzik Isidor Rabi, nositel Nobelovy ceny. Co přesně Einstein před sto lety objevil?

Tajemství světla odhaleno

V pojednání, které Einstein zveřejnil v březnu 1905, odhalil některá z tajemství týkající se povahy světla. Vědci již tehdy věděli, že když světlo cestuje vesmírem, chová se podobně jako vlny na hladině rybníka. Tato teorie o vlnové povaze světla však nevysvětlovala, proč tlumené modré světlo při dopadu na určité kovy generuje elektrický proud, zatímco jasně červené světlo nikoli. Einsteinova práce přispěla k vysvětlení tohoto fotoelektrického jevu.

Einstein zastával názor, že někdy je na světlo možné pohlížet tak, jako by se skládalo z malých částic energie. Těm se později začalo říkat fotony. Pokud fotony mají potřebnou energii, což závisí právě na barvě světla, mohou z atomů některých kovů uvolnit elektrony. V důsledku toho začne kovem protékat elektrický proud. (Fotony červeného světla mají malou energii, a proto elektrony uvolnit nedokážou.) Řada moderních vynálezů, například snímací elektronky v televizních kamerách, solární panely a expozimetry, jsou založeny na fotoelektrickém jevu, který Einstein objasnil.

Právě za tento přínos k vysvětlení povahy světla Einstein získal v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku. Jeho vědecký článek připravil cestu pro nový vědní obor zvaný kvantová teorie. A kvantová teorie položila základ pro řadu dalších oborů, jako je nukleární věda, elektronika a nanotechnologie.

Proč pyl tančí

V roce 1905 Einstein věnoval pozornost také atomům a molekulám. Předložil teoretické vysvětlení jejich vlivu na pohyb drobných pylových zrnek ve vodě. V roce 1827 biolog Robert Brown pozoroval mikroskopem pylová zrnka  ponořená ve vodě a všiml si, že se trhavě pohybují. Tento tanec pylových zrnek nazval Brownovým pohybem. Nebyl však schopen vysvětlit, co je jeho příčinou.

V článku z května 1905 Einstein předložil teorii, v níž vysvětlil, že Brownův pohyb je způsoben kmitajícími molekulami vody. Nejenže vypočítal jejich velikost, ale také předpověděl specifické vlastnosti jejich atomů. Z Einsteinových předpokladů vyšli další vědci a jejich výzkum nade vší pochybnost potvrdil existenci atomů. A na skutečnosti, že hmota se skládá z atomů, je postavena celá moderní fyzika.

Čas je relativní

Speciální teorie relativity, kterou Einstein uveřejnil v červnu 1905, byla v rozporu se základním názorem vědců, například Isaaca Newtona, totiž že čas je v celém vesmíru neměnná veličina. To, co vyplývá z Einsteinovy teorie, která je dnes všeobecně přijímána, je velmi zvláštní.

Představte si, že vy a váš přítel si dokonale seřídíte čas na svých hodinkách. Vy zůstanete doma a váš přítel poletí kolem světa. Když se vrátí, jeho hodinky budou ve srovnání s vašimi hodinkami o zlomek času pozadu. Ano, pro vašeho přítele, který letěl kolem světa, plynul čas z vašeho pohledu pomaleji. Vzhledem k poměrně malé rychlosti, jakou lidé mohou cestovat, je však časový rozdíl skutečně nepatrný. Když se ale rychlost pohybu blíží rychlosti světla, nejenže se čas zpomaluje výrazně, ale předměty, které se takovou rychlostí pohybují, se dokonce zmenšují a narůstá jejich hmotnost. Einsteinova teorie tvrdila, že nikoli čas, ale rychlost světla je neměnná v celém vesmíru.

Vzorec, který změnil svět

V září 1905 Einstein publikoval další pojednání, které je považováno za matematický dodatek k jeho speciální teorii relativity. Obsahovalo vzorec, který se stal synonymem Einsteinovy práce — E=mc². Tato rovnice říká, že množství energie uvolněné při rozštěpení atomu odpovídá ztrátě jeho hmotnosti vynásobené druhou mocninou rychlosti světla.

Díky úsilí vědců, jako byl Einstein, se lidstvo hodně dozvědělo o našem vesmíru. Přesto se dnešní úroveň lidského poznání podobá tomu, co ve starověku prohlásil Job. Když mluvil o dílech Stvořitele, pokorně uznal: „Pohleď, to jsou okraje jeho cest, a jaký šepot je o něm slyšet!“ (Job 26:14)

[Nákres a obrázky na straně 20]

(Viz publikaci)

Světlo se chová jako vlnění i jako částice. Díky tomuto objevu bylo možné vyrobit kalkulačky poháněné sluneční baterií nebo světelná čidla pro digitální fotoaparáty

[Nákres a obrázky na straně 21]

(Viz publikaci)

Brownův pohyb částic vedl k potvrzení existence atomů

[Nákres a obrázky na straně 21]

(Úplný, upravený text — viz publikaci)

E Energie

= rovná se

m hmotě

c² vynásobené rychlostí světla na druhou

c² znamená c krát c neboli 299 792 kilometrů za sekundu krát 299 792 kilometrů za sekundu

Jelikož c² je neuvěřitelně velké číslo (89 875 000 000 km²/s²), i malé množství hmoty je možné přeměnit v obrovské množství energie. Když se rozštěpí atom uranu, rychle se rozdělí na dva menší atomy, ale také ztratí asi 0,1 procenta své hmotnosti. Toto malé množství však uvolní obrovskou energii

Uvolněná energie

Když by se pouhého půl kilogramu jakékoli látky úplně přeměnilo na energii:

▪ odpovídala by 11 miliardám kilowatthodin

▪ auto by mohlo 180 000krát objet zeměkouli

▪ největší ropný tanker by mohl obeplout svět 400krát

▪ pokryla by jednodenní spotřebu elektrické energie v celých Spojených státech

Platí to i naopak. K „vytvoření“ jediného atomu je zapotřebí obrovského množství energie

[Obrázky na straně 21]

Čím rychleji cestujete, tím pomaleji ubíhá čas

[Obrázek na straně 21]

Hodiny v satelitech globálního navigačního systému (GPS) měří čas jinou rychlostí než hodiny na zemi. Kdyby tento důsledek relativity nebyl upravován, GPS signál by byl k ničemu

[Podpisky obrázku na straně 20]

Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; pozadí: CERN photo, Geneva