Ypatingi Einšteino 1905-ieji

BŪTENT tada jaunas, vos 26 metų, patentų biuro ekspertas Albertas Einšteinas paskelbė keturis mokslinius darbus, kurie pakeitė sampratą apie visatą — nuo smulkiausių materijos dalelyčių iki didžiausių galaktikų. Be to, jie atvėrė kelią daugeliui reikšmingų praeito šimtmečio išradimų.

„Iš visų esminių šiuolaikinės fizikos sąvokų sunku rasti tokią, kuri nebūtų bent iš dalies susijusi su Einšteinu“, — pasakė Nobelio premijos laureatas fizikas Izidoras Rabis. Taigi ką svarbaus prieš šimtmetį atrado Einšteinas?

Aiškėja šviesos paslaptys

1905-ųjų kovą išspausdintas vienas iš Einšteino darbų paaiškino kai kurias mįsles apie šviesos prigimtį. Iki tol jau buvo žinoma, kad šviesa erdvėje sklinda panašiai kaip bangos vandens paviršiumi. Tačiau bangų teorija negalėjo paaiškinti, kodėl neryški mėlyna šviesa kai kuriuose metaluose sužadina elektros srovę, o ryški raudona — ne. Suprasti šį reiškinį, pavadintą fotoelektriniu efektu, padėjo Einšteino straipsnis.

Jis teigė, jog šviesa kai kuriais atvejais veikia tarsi būtų sudaryta iš mažų energijos porcijų (vėliau jos buvo pavadintos fotonais). Tam tikro energetinio lygmens, kitaip sakant, tam tikros spalvos fotonai iš kai kurių metalų atomų pajėgia išstumti elektronus. (Raudonos šviesos fotonai per silpni.) Dėl šitos sąveikos ima tekėti elektros srovė. Remiantis Einšteino aprašytu fotoelektriniu efektu, vėliau buvo sukurti, pavyzdžiui, televizijos perdavimo vamzdžiai, saulės baterijos, fotografijos eksponometrai.

1921 metais už atradimus, susijusius su šviesa, Einšteinas gavo Nobelio premiją. Jo tyrinėjimai padėjo atsirasti naujai mokslo sričiai, kuri vadinama kvantine teorija. O ši padėjo pamatą daugeliui branduolinės fizikos, elektronikos ir nanotechnologijos išradimų.

Kodėl blaškosi žiedadulkės?

Tais pačiais 1905-aisiais Einšteinas išleido straipsnį ir apie atomus bei molekules. Jis paaiškino, kaip jie veikia vandenyje skendinčias mažytes žiedadulkes. Dar 1827 metais biologas Robertas Braunas per mikroskopą  pastebėjo, kad vandenyje žiedadulkės chaotiškai juda. Reiškinį biologas pavadino Brauno judesiu, bet išaiškinti jo nesugebėjo.

Einšteinas 1905-ųjų gegužę paskelbtame straipsnyje teigė, kad Brauno judesį sukelia vibruojančios vandens molekulės. Jis ne tik apskaičiavo vandens molekulės dydį, bet ir numatė tam tikras jos atomų ypatybes. Remdamiesi tuo, kiti mokslininkai vėliau įrodė, jog atomai išties egzistuoja. Faktas, kad materija sudaryta iš atomų, yra šiuolaikinės fizikos pagrindas.

Laikas — reliatyvi sąvoka

1905-ųjų birželį Einšteinas paskelbė specialiąją reliatyvumo teoriją, kuri prieštaravo vienam svarbiausių mokslininko Izaoko Niutono teiginių, kad laiko tėkmė visatoje esanti nekintama. Jei šią Einšteino teoriją — dabar jau visuotinai pripažintą — galėtume pritaikyti praktiškai, imtų dėtis be galo keisti dalykai.

Pavyzdžiui, įsivaizduok, jog su draugu savo laikrodžius suderinote taip, kad rodytų absoliučiai tą patį laiką. Tada draugas išsiruošia į skrydį aplink Žemę, o tu lieki namie. Draugui sugrįžus, jo laikrodis nuo taviškio bus truputėlį atsilikęs. Tavo požiūriu, per skrydį laikas draugui ėjo lėčiau. Aišku, judant mums įmanomais greičiais tas skirtumas praktiškai nepastebimas. Tačiau jei pavyktų priartėti prie šviesos greičio, laiko tėkmė gerokai sulėtėtų, skriejančio objekto matmenys sumažėtų, o svoris padidėtų. Pagal Einšteino teoriją, nekintamas dydis visatoje yra šviesos greitis, o ne laikas.

Formulė, apstulbinusi pasaulį

Tų pačių metų rugsėjį Einšteinas paskelbė dar vieną darbą — specialiosios reliatyvumo teorijos matematinį papildymą. Jame buvo formulė, vėliau tapusi visų Einšteino pasiekimų simboliu — E=mc². Ji reiškia, kad atomui skylant išsiskiria energija, lygi pranykusios materijos masės ir šviesos greičio, pakelto kvadratu, sandaugai.

Einšteino ir kitų mokslininkų dėka daug ką sužinojome apie visatos prigimtį. Vis dėlto žmonijos žinioms apibūdinti iki šiol tebetinka senovės vyro, vardu Jobas, žodžiai. Kalbėdamas apie Kūrėjo darbus, jis nuolankiai pripažino: „Tai tik jo galybės užuominos, mes tik jos šnabždesį teišgirstame“ (Jobo 26:14).

[Schema/iliustracijos 20 puslapyje]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

Šviesai būdingos ir bangų, ir dalelių savybės. Remiantis šiomis žiniomis sukurti saulės elementų maitinami skaičiuotuvai, skaitmeninių fotoaparatų šviesos jutikliai

[Schema/iliustracijos 21 puslapyje]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

Brauno judesys padėjo įrodyti atomų egzistavimą

[Schema/iliustracijos 21 puslapyje]

(Prašom žiūrėti patį leidinį)

E Energija

= lygi

m masė

c² padauginta šviesos greitis kvadratu

c² reiškia c padauginta iš c, tai yra 299792 km/s iš 299792 km/s

Kadangi skaičius c² yra neįsivaizduojamai didelis (beveik 90000000000 km²/s²), mažas materijos kiekis gali būti paverstas į milžinišką kiekį energijos. Skylant urano atomui, tuoj pat susidaro du mažesni atomai, bet apie 0,1 procento urano atomo masės išnyksta — virsta didžiule energija

Išsiskiria energija

Jei vos kilogramą kokios nors materijos paverstume energija, jos užtektų:

▪ maždaug 25 milijardams kilovatvalandžių

▪ automobiliui apvažiuoti aplink Žemę 400000 kartų

▪ didžiausiam tanklaiviui apiplaukti Žemę 900 kartų

▪ dvi dienas aprūpinti elektra visas Jungtines Amerikos Valstijas

Atvirkštiniam procesui santykis tas pats. Vos vienam atomui „materializuoti“ reikia didžiulės energijos

[Iliustracijos 21 puslapyje]

Kuo greičiau judi, tuo lėčiau eina laikas

[Iliustracija 21 puslapyje]

Globalinės padėties nustatymo sistemos (GPS) palydovuose laikrodžiai „tiksi“ ne tokiu pat tempu kaip Žemėje. Šis reliatyvumo efektas būtinai koreguojamas, antraip GPS signalas nueitų niekais

[Iliustracijų šaltinių nuorodos 20 puslapyje]

Einšteinas: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; fonas: CERN photo, Geneva