Einsteini erakordne aasta

AASTAL 1905 avaldas 26-aastane patendibüroo ametnik nimega Albert Einstein neli teaduslikku artiklit, mis tõid pöörde meie arusaamadesse Universumist alates selle väikseimatest ehitusplokkidest kuni hiiglaslikemate galaktikateni. Osa neist teaduslikest töödest andis ka algtõuke paljudele viimase sadakonna aasta pöördelistele leiutistele.

„Peaaegu kõik fundamentaalsed mõisted nüüdisaja füüsikas on vähemalt osaliselt pärit Einsteinilt,” ütleb Nobeli füüsikaauhinna laureaat Isidor Rabi. Mis siis oli see, mida Einstein sajand tagasi avastas?

Valguse saladuste jälil

1905. aasta märtsikuus avaldatud Einsteini töö tõi selgust valguse olemusse. Teadlased olid juba avastanud, et kosmoses liikudes näib valgus käituvat tiigi pinnal leviva säbarlainetuse kombel. Ent laineteooria ei suutnud seletada seda, miks tekitab tuhmsinine valgus teatud metallidele langedes elektrivoolu, erkpunane valgus aga mitte. Einsteini töö aitas tuua selgust nõndanimetatud fotoelektrilise efekti olemusse.

Einsteini väitel võib valgust võtta mõnikord kui hiljem footoniteks kutsuma hakatud väikeste energiaosakeste kogumit. Sobival energiatasandil ehk õige värvuse korral suudavad need lüüa mõningate metallide aatomitest elektrone välja. (Punase valguse footonid on selleks liiga nõrgad.) Sellise vastastikmõju toimel läbib elektrivool materjali. Einsteini fotoelektrilise efekti kirjeldusele tuginevad sellised nüüdisaegsed leiutised nagu televisiooni-saatetorud, päikeseelemendid ja särimõõdikud.

Valguse olemuse selgituse eest pälvis Einstein aastal 1921 Nobeli auhinna. Tema uurimistöö rajas teed uudsele teaduslikule lähenemisele nimetusega kvantteooria. Kvantteooria omakorda andis tõuke paljude valdkondade, sealhulgas tuumateaduse, elektroonika ja nanotehnoloogia arengule.

Miks õietolm tantsiskleb

Aastal 1905 võttis Einstein vaatluse alla ka aatomid ja molekulid. Ta andis teoreetilise selgituse nende mõju kohta vees hõljuvatele õietolmu terakestele. Bioloog Robert Brown oli aastal 1827 läbi mikroskoobi vaadates  pannud tähele, et vette vajunud õietolmu terakesed hüplevad seal ringi. Ta nimetas seda tolmuterakeste tantsisklemist Browni liikumiseks, ent ei osanud toimuvat selgitada.

Einstein tõi 1905. aasta maikuus avaldatud uurimuses ära selgituse, kuidas vee võnkuvad molekulid tekitavad Browni liikumise. Lisaks sellele, et ta arvutas välja veemolekulide suuruse, tõi ta välja ka nende aatomite arvatavad tunnusjooned. Teised teadlased võtsid need arvutused oma tööde aluseks ning hajutasid seeläbi kahtlused aatomite olemasolus. Idee, et aine koosneb aatomitest, on tänapäeva füüsika alus.

Aeg on suhteline

1905. aasta juunis avaldatud Einsteini erirelatiivsusteooria läks vastuollu sellise teadlase nagu Isaac Newtoni välja toodud ja hiljem kinnistunud arusaamaga, et aeg on kogu Universumis konstantne suurus. Sellest praegusel ajal üldtunnustatud Einsteini teooriast tulenevad järeldused tunduvad olevat üsna eriskummalised.

Kujutlegem näiteks, et te ühtlustate sõbraga oma kellade numbrinäidud. Sõber lendab tiiru ümber maakera, sina aga jääd koju. Naastes on tema kella näit sinu omast pisut taha jäänud. Sinu seisukohalt vaadates on reisi teinud sõbra aeg aeglustunud. Inimlikest mõõdetest lähtudes on see erinevus muidugi kaduvväike, ent kui on tegemist valguse kiirusega, siis lisaks sellele, et aeg märkimisväärselt aeglustub, muutuvad objektid ka väiksemaks ning nende mass kasvab. Einsteini teooria järgi on kogu Universumis konstantne valguse kiirus, aga mitte aeg.

Valem, mis muutis maailma

Einstein avaldas 1905. aasta septembris järjekordse uurimistöö, mis pidi olema tema erirelatiivsusteooria arvutuslik lisa. Selles oli toodud ära praeguseks tema saavutuste sümboliks kujunenud valem E=mc². Selle võrrandi järgi võrdub aatomi lõhustumisel vabanev energia tema massi ja valguse kiiruse ruudu korrutisega.

Tänu selliste teadlaste nagu Einstein pingutustele on inimkond Universumi kohta palju teada saanud. Ja ikkagi võiks praegust teadmiste taset võrrelda muistsel ajal elanud Iiobi kirjeldatuga. Looja töödest kõneldes tunnistas ta alandlikult: „Vaata, need on ainult tema tee ääred! Ja see on siiski ainult sosin, mida me temast kuuleme!” (Iiob 26:14).

[Joonis/pildid lk 20]

(Vt trükitud väljaannet.)

Valgus käitub nii lainete kui ka osakestena. Tänu sellisele arusaamale osatakse valmistada päikeseelemendiga kalkulaatoreid ja digitaalkaamerate valgusandureid

[Joonis/pildid lk 21]

(Vt trükitud väljaannet.)

Browni liikumist iseloomustav kaootiline liikumine aitas tõestada aatomite olemasolu

[Joonis/pildid lk 21]

(Kujundatud teksti vaata trükitud väljaandest.)

E Energia

= võrdub

m mass

c² korda valguse kiirus ruudus

c² tähendab c korda c ehk 299 792 458 meetrit sekundis korda 299 792 458 meetrit sekundis

Kuna c² on fantastiliselt suur arv, võib väike mass muunduda ülisuureks energiakoguseks. Uraani aatomist moodustub lõhustumise käigus kiiresti kaks väiksemat aatomit, ent samas kaotab ta ka 0,1 protsenti oma massist. Selle üliväikse koguse muundudes vabaneb hiigelhulgal energiat

Vabanenud energia

Kui vaid napilt pool kilo mis tahes ainet täielikult energiaks muundada, võrdub see:

▪ 11 miljardi kilovatt-tunniga

▪ sellise energiahulgaga saab auto sõita 180 000 korda ümber Maa

▪ suurim naftatanker võib teha 400 tiiru ümber maakera

▪ võidakse rahuldada USA ööpäevane elektritarve

Sama kehtib vastupidise kohta. Vaid üheainsa aatomi „materialiseerimiseks” läheb tarvis hiigelkoguses energiat

[Pildid lk 21]

Mida kiiremini liikuda, seda aeglasemalt kulgeb aeg

[Pilt lk 21]

Kellad globaalse asukoha määramise süsteemi (GPS) satelliitide pardal ei tiksu samal kiirusel kui maapealsed kellad. Kui jätta kellad seda relatiivsusefekti silmas pidades korrigeerimata, muutuks GPS-signaal kasutuks

[Piltide allikaviited lk 20]

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