Το Ξεχωριστό Έτος του Αϊνστάιν

ΤΟ 1905, ένας 26χρονος υπάλληλος κάποιου γραφείου ευρεσιτεχνιών ονόματι Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τέσσερις επιστημονικές μελέτες που μετέβαλαν την άποψή μας για το σύμπαν μας​—από τα πιο μικροσκοπικά δομικά στοιχεία του μέχρι και τους πιο επιβλητικούς γαλαξίες του. Μερικές από αυτές τις μελέτες αποτέλεσαν επίσης το εφαλτήριο για πολλές εφευρέσεις των περασμένων 100 χρόνων οι οποίες άλλαξαν τη ζωή μας.

«Δεν υπάρχει σχεδόν καμία σπουδαία θεμελιώδης αρχή της σύγχρονης φυσικής», λέει ο νομπελίστας φυσικός Ίσιντορ Ράμπι, «που να μην έχει τις ρίζες της, τουλάχιστον εν μέρει, στον Αϊνστάιν». Τι ακριβώς ανακάλυψε ο Αϊνστάιν πριν από έναν αιώνα;

Ξεκλειδώνοντας τα Μυστικά του Φωτός

Η μελέτη του Αϊνστάιν που δημοσιεύτηκε το Μάρτιο του 1905 αποκάλυψε μερικά μυστικά για τη φύση του φωτός. Οι επιστήμονες είχαν ήδη ανακαλύψει ότι, καθώς το φως ταξιδεύει στο διάστημα, μοιάζει να συμπεριφέρεται πολύ παρόμοια με τον κυματισμό του νερού σε μια λίμνη. Ωστόσο, η θεωρία των κυμάτων δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί το αχνό μπλε φως παράγει ηλεκτρικό ρεύμα όταν προσπίπτει σε ορισμένα μέταλλα, ενώ δεν συμβαίνει το ίδιο με το έντονο κόκκινο φως. Η μελέτη του Αϊνστάιν εξήγησε αυτό το λεγόμενο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ο Αϊνστάιν υποστήριξε ότι το φως μπορεί μερικές φορές να θεωρηθεί ότι αποτελείται από μικρά «πακέτα» ενέργειας, που αργότερα ονομάστηκαν φωτόνια. Όταν αυτά τα φωτόνια έχουν την κατάλληλη ποσότητα ενέργειας, δηλαδή χρώμα, μπορούν να εκτινάξουν ηλεκτρόνια από τα άτομα ορισμένων μετάλλων. (Τα φωτόνια του κόκκινου φωτός είναι τόσο ασθενή ώστε δεν μπορούν να επιτύχουν κάτι τέτοιο.) Αυτή η αλληλεπίδραση προκαλεί τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο μέταλλο. Σύγχρονες εφευρέσεις όπως οι καθοδικοί σωλήνες των συσκευών τηλεοπτικής λήψης, οι ηλιακές κυψέλες και τα φωτόμετρα συνδέονται με την περιγραφή του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ο Αϊνστάιν κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1921 για την ερμηνεία του όσον αφορά το φως. Η μελέτη του άνοιξε το δρόμο σε έναν νέο τομέα επιστήμης, τη λεγόμενη κβαντική θεωρία. Με τη σειρά της, η κβαντική θεωρία έθεσε το θεμέλιο για ένα πλήθος εφαρμογών στους κλάδους της πυρηνικής επιστήμης, των ηλεκτρονικών και της νανοτεχνολογίας.

Γιατί Χορεύει η Γύρη

Το 1905, ο Αϊνστάιν έστρεψε επίσης την προσοχή του στα άτομα και στα μόρια. Έδωσε μια θεωρητική εξήγηση της επίδρασης που ασκούν αυτά στους μικροσκοπικούς κόκκους γύρης οι οποίοι κινούνται στο νερό. Το 1827, ένας βιολόγος ονόματι  Ρόμπερτ Μπράουν είχε παρατηρήσει στο μικροσκόπιο τις άτακτες κινήσεις των κόκκων της γύρης μέσα στο νερό. Ονόμασε αυτόν το χορό της γύρης κίνηση Μπράουν, αλλά δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει τα αίτιά του.

Στη μελέτη του που δημοσιεύτηκε το Μάιο του 1905, ο Αϊνστάιν εξηγούσε πώς τα παλλόμενα μόρια του νερού προκαλούσαν αυτή την κίνηση Μπράουν. Όχι μόνο υπολόγισε το μέγεθος των μορίων του νερού αλλά και πρόβλεψε τις συγκεκριμένες ιδιότητες των ατόμων τους. Άλλοι επιστήμονες έκαναν περαιτέρω έρευνα με βάση αυτές τις προβλέψεις, απομακρύνοντας τις αμφιβολίες σχετικά με την ύπαρξη των ατόμων. Η σύγχρονη φυσική στηρίζεται στην ιδέα ότι η ύλη αποτελείται από άτομα.

Η Σχετικότητα του Χρόνου

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο του 1905, ερχόταν σε αντίθεση με μια θεμελιώδη πεποίθηση που διέπνεε επιστήμονες όπως ο Ισαάκ Νεύτων​—ότι η μέτρηση του χρόνου είναι σταθερή σε όλο το σύμπαν. Οι επιδράσεις της θεωρίας του Αϊνστάιν, η οποία τώρα είναι κοινώς αποδεκτή, φαίνονται αρκετά παράδοξες.

Παραδείγματος χάρη, υποθέστε ότι εσείς και κάποιος φίλος σας συγχρονίζετε τέλεια τα ρολόγια σας. Κατόπιν ο φίλος σας κάνει το γύρο του κόσμου αεροπορικώς, ενώ εσείς μένετε στο ίδιο μέρος. Όταν επιστρέφει, το ρολόι του θα δείχνει λίγο πιο πίσω από ό,τι το δικό σας ρολόι. Από τη δική σας σκοπιά, ο χρόνος επιβραδύνθηκε για τον ταξιδιώτη φίλο σας. Ασφαλώς, η διαφορά είναι απειροελάχιστη στις ανθρώπινες ταχύτητες. Ωστόσο, όταν προσεγγίζεται η ταχύτητα του φωτός, όχι μόνο επιβραδύνεται σημαντικά ο χρόνος, αλλά επίσης τα αντικείμενα γίνονται μικρότερα και η μάζα τους μεγαλώνει. Η θεωρία του Αϊνστάιν υποστήριξε ότι η ταχύτητα του φωτός, και όχι ο χρόνος, έχει σταθερή τιμή στο σύμπαν.

Ο Μαθηματικός Τύπος που Άλλαξε τον Κόσμο

Το Σεπτέμβριο του 1905, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε μια άλλη μελέτη η οποία θεωρείται μαθηματική υποσημείωση στην ειδική θεωρία της σχετικότητας που διατύπωσε. Αυτή περιείχε το μαθηματικό τύπο που σήμερα ταυτίζεται με το έργο του, E=mc². Αυτή η εξίσωση λέει ότι το ποσό ενέργειας που εκλύεται όταν ένα άτομο διασπάται ισούται με την απώλεια της μάζας του επί την ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο.

Ως αποτέλεσμα των προσπαθειών που κατέβαλαν επιστήμονες όπως ο Αϊνστάιν, η ανθρωπότητα έχει μάθει πολλά για τη φύση του σύμπαντος. Παρ’ όλα αυτά, το επίπεδο γνώσεων που κατέχει ο άνθρωπος σήμερα εξακολουθεί να είναι περίπου αυτό που περιέγραψε ο Ιώβ της αρχαιότητας. Μιλώντας για τα έργα του Δημιουργού, εκείνος αναγνώρισε με ταπεινοφροσύνη: «Δείτε! Αυτά είναι τα κράσπεδα των οδών του, και μόνο ένας ψίθυρος του πράγματος έχει ακουστεί για αυτόν!»​—Ιώβ 26:14.

[Διάγραμμα/​Εικόνες στη σελίδα 20]

(Βλέπε έντυπο)

Το φως συμπεριφέρεται και ως κύματα και ως σωματίδια. Η κατανόηση αυτού του γεγονότος κατέστησε δυνατή την ύπαρξη αριθμομηχανών που λειτουργούν με ηλιακή ενέργεια και αισθητήρων φωτός σε ψηφιακές κάμερες

[Διάγραμμα/​Εικόνες στη σελίδα 21]

(Βλέπε έντυπο)

Η άτακτη κίνηση Μπράουν συνέβαλε στην πιστοποίηση της ύπαρξης των ατόμων

[Διάγραμμα/​Εικόνες στη σελίδα 21]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

E Η ενέργεια

= ισούται

m με τη μάζα

c² επί την ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο

c² σημαίνει c επί c, δηλαδή 299.792 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο επί 299.792 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο

Εφόσον το c² είναι εξαιρετικά μεγάλος αριθμός (89.875.243.264 km²/sec²), μια μικρή ποσότητα μάζας μπορεί να μετατραπεί σε τεράστια ποσότητα ενέργειας. Όταν ένα άτομο ουρανίου διασπάται, δημιουργούνται αμέσως δύο μικρότερα άτομα, αλλά επίσης χάνεται το 0,1 τοις εκατό περίπου της μάζας του. Αυτή η μικρή ποσότητα μετατρέπεται σε τεράστια ενέργεια

Εκλυόμενη ενέργεια

Η ενέργεια που εκλύεται από την εξ ολοκλήρου μετατροπή μόλις μισού κιλού περίπου από οποιαδήποτε ουσία ισοδυναμεί με:

◼ 11 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες

◼ την ενέργεια που χρειάζεται ένα αυτοκίνητο για να ταξιδέψει 180.000 φορές γύρω από τη γη

◼ την ενέργεια που απαιτείται για να περιπλεύσει το μεγαλύτερο πετρελαιοφόρο 400 φορές τον κόσμο

◼ τις ανάγκες των Ηνωμένων Πολιτειών σε ηλεκτρισμό για μία μέρα

Ισχύει και το αντίστροφο επίσης. Απαιτείται τεράστια ποσότητα ενέργειας για να σχηματιστεί ένα και μόνο άτομο

[Εικόνες στη σελίδα 21]

Όσο γρηγορότερα ταξιδεύετε, τόσο βραδύτερα κινείται ο χρόνος

[Εικόνες στη σελίδα 21]

Ο ρυθμός με τον οποίο μετρούν το χρόνο τα ρολόγια που βρίσκονται στους δορυφόρους του Παγκόσμιου Συστήματος Εντοπισμού Θέσης (GPS) δεν είναι ίδιος με το ρυθμό των ρολογιών στη γη. Αν δεν γίνονταν διορθώσεις με βάση αυτή την επίδραση του νόμου της σχετικότητας, το σήμα GPS θα ήταν άχρηστο

[Ευχαριστίες για την προσφορά των εικόνων στη σελίδα 20]

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