Einstein rendkívüli éve

EGY szabadalmi hivatal 26 éves munkatársa, Albert Einstein 1905-ben négy tanulmányt adott közre, melyek megváltoztatták a világegyetemről alkotott nézetünket, legyen szó akár az univerzum elemi részecskéiről, akár a leghatalmasabb galaxisairól. Egyik-másik tanulmány ugródeszkaként szolgált az elmúlt száz év számos olyan találmányához, mely megváltoztatta az emberek életét.

„A modern fizikában szinte nincs olyan fontos alapgondolat, mely nem vezethető vissza legalább részben Einsteinhez” — jelenti ki a Nobel-díjas fizikus, Isidor Rabi. Pontosan mit is fedezett fel Einstein egy évszázaddal ezelőtt?

Feltárja a fény titkait

Einstein 1905 márciusában kiadott tanulmánya feltárta a fény természetének néhány titkát. Akkoriban a tudósok már tisztában voltak vele, hogy a fény a térben nagyon hasonlóan terjed ahhoz, ahogy egy fodrozódó tó hullámai viselkednek. Ám a hullámelmélet nem adott választ arra, hogy a halványkék fény miért hoz létre elektromos áramot, amikor bizonyos fémekhez ér, míg a halványvörös fény nem képes erre. Einstein tanulmánya segített megmagyarázni ezt az úgynevezett fényelektromos jelenséget.

Einstein úgy érvelt, hogy a fényt időnként lehet úgy tekinteni, mint amely apró „energiacsomagokból” — későbbi nevükön fotonokból — áll. Amikor a fotonok megfelelő energiaszinten vannak, vagyis megfelelő színűek, képesek némelyik fém atomjaiból elektronokat leválasztani. (A vörös fény fotonjai túl gyengék ehhez.) Ettől a kölcsönhatástól elektromos áram keletkezik az anyagban. Korunk olyan találmányai, mint a televíziós képfelvevő cső, a napelem és a fényképészeti fénymérő egyaránt az Einstein által leírt fényelektromos jelenségen alapulnak.

Einstein 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott a fény természetének az ismertetéséért. Tanulmánya hozzájárult egy tudományos elmélet, a kvantumelmélet létrejöttéhez, a kvantumelméletet pedig számtalan területen lehet alkalmazni, például a magfizikában, az elektronikában és a nanotechnológiában.

Miért táncol a virágpor?

1905-ben Einstein foglalkozott az atomokkal és a molekulákkal is. Elméleti síkon rávilágított, hogy milyen  hatásuk van a vízben lebegő apró virágporszemcsékre. 1827-ben Robert Brown biológus mikroszkópos megfigyelést végezve megállapította, hogy a vízben lebegő virágpor rendezetlen mozgást végez. A virágpor táncát Brown-mozgásnak nevezte el, de nem tudta megmagyarázni a történteket.

Einstein az 1905. májusi tanulmányában közölt egy elméletet arról, hogy a rezgő vízmolekulák miként idézik elő a Brown-mozgást. Nemcsak a vízmolekulák nagyságát számolta ki, hanem az atomjaik sajátosságaira is következtetett. Más tudósok erre alapozva oszlatták el az atomok létével kapcsolatos kételyeket. A modern fizika arra az elméletre épül, hogy az anyagot atomok alkotják.

Az idő relatív

Einstein speciális relativitáselmélete, melyet 1905 júniusában tett közzé, azt a tételt cáfolta, hogy az idő mérése az egész világegyetemben állandó, ahogy azt egyebek között Isaac Newton is hitte. Einstein ma már általánosan elfogadott elméletének az alkalmazása elég szokatlannak tűnik.

Képzeld el például, hogy te és a barátod tökéletesen összehangoljátok az órátokat. A barátod körberepüli a világot, te pedig otthon maradsz. Amikor a barátod visszatér, órája valamennyit késni fog a tiédhez képest. A te nézőpontodból tekintve az idő lelassult utazó barátod számára. A különbség természetesen elenyésző az emberi sebességhez mérve. Ám a fénysebességet megközelítve nem csupán az idő lassul le jelentősen, hanem a tárgyak is kisebbé válnak, és nő a tömegük. Az einsteini elmélet szerint a fény sebessége, nem pedig az idő állandó a világegyetemben.

Egy képlet, mely megváltoztatta a világot

1905 szeptemberében Einstein közrebocsátott egy másik tanulmányt, melyet speciális relativitáselmélete matematikai kiegészítésének tartottak, és amely tartalmazta a képletet, mely mára a munkássága jelképévé vált: E=mc². Az egyenlet kimondja, hogy az atom hasadásakor kibocsátott energia egyenlő a tömegveszteség és a fénysebesség négyzetének a szorzatával.

Az olyan tudósok, mint Einstein munkásságának köszönhetően az emberiség sokat megtudott a világegyetemről. Az emberiség jelenlegi ismeretei azonban még mindig nem haladják meg azt a szintet, amelyről Jób beszélt az ókorban. A Teremtő munkáiról szólva alázatosan elismerte: „Íme, szegélyei ezek útjainak, és csak suttogás, amit róla hallottunk!” (Jób 26:14).

[Ábra/képek a 20. oldalon]

(Lásd a kiadványt.)

A fény hullámként és részecskeként is viselkedik. Ennek megértése tette lehetővé napenergiával működő számítógépek elkészítését, és digitális kamerák fényérzékelőinek a kialakítását

[Ábra/képek a 21. oldalon]

(Lásd a kiadványt.)

A Brown-mozgásnál jelentkező rendezetlen mozgás segített az atomok létének igazolásában

[Ábra/képek a 21. oldalon]

(A teljes beszerkesztett szöveget lásd a kiadványban.)

E energia

= egyenlő

m tömeg

c² szorozva a fénysebesség négyzetével

c² jelentése: c szorozva c-vel, vagyis 299 792 458 méter/szekundum szorozva 299 792 458 méter/szekundummal

Mivel a c² rettentő nagy szám (89 875 517 873 681 764 m2/s2), kevés tömeg is hatalmas energiává alakítható. Az urániumatom a hasadásakor rövid idő alatt két kisebb atommá válik, de elveszíti tömegének úgy 0,1 százalékát; ez a csekély mennyiség óriási energiakibocsátáshoz vezet

Felszabadult energia

Bármely anyag 450 grammjának energiává való teljes átalakítása egyenlő:

▪ 11 milliárd kilowattórával

▪ annyi energiával, amellyel egy autó 180 000-szer megkerülheti a földet

▪ annyi energiával, amellyel a legnagyobb tankhajó 400-szor körbejárhatja a világot

▪ az Egyesült Államok egynapi áramszükségletével

Az ellentéte is igaz. Óriási energia szükséges mindössze egyetlen atom létrehozásához

[Képek a 21. oldalon]

Minél gyorsabban utazol, annál lassabban halad az idő

[Kép a 21. oldalon]

A Globális Helymeghatározó Rendszer (GPS) műholdjain lévő órák nem ugyanúgy mérik az időt, mint a földi órák. A relativitás hatásának a korrigálása nélkül a GPS használhatatlan lenne

[Képek forrásának jelzése a 20. oldalon]

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