Einšteina neparastais gads

1905. gadā Alberts Einšteins, 26 gadus vecs patentu biroja darbinieks, publicēja četrus zinātniskus darbus, kas vēlāk izmainīja cilvēku priekšstatus par Visumu — sākot ar matērijas vissīkākajām daļiņām un beidzot ar milzīgajām galaktikām. Vairāki no šiem darbiem sekmēja daudzu izgudrojumu rašanos, kas pēdējos simts gados lielā mērā ir ietekmējuši cilvēku dzīvi.

”Mūsdienu fizikā faktiski nav nevienas pamatidejas, kas vismaz daļēji nebūtu saistīta ar Einšteina darbiem,” atzina Nobela prēmijas laureāts Izidors Rabi. Ko īsti pirms simts gadiem Einšteins atklāja?

Gaismas noslēpumus šķetinot

Alberta Einšteina pētījumā, ko viņš publicēja 1905. gada martā, bija runāts par gaismas dabu. Pirms tam zinātnieki jau bija atklājuši, ka gaisma telpā izplatās līdzīgi viļņiem uz ūdens virsmas. Tomēr ar viļņu teoriju nevarēja izskaidrot, kāpēc, blāvi zilai gaismai krītot uz noteiktu metālu virsmām, rodas elektriskā strāva, bet spilgti sarkanas gaismas ietekmē tas nenotiek. Einšteina darbs palīdzēja izskaidrot šo parādību, ko sauc par fotoefektu.

A. Einšteins uzskatīja, ka dažos gadījumos gaismu var uzlūkot par nelielu enerģijas porciju plūsmu. Ja šīm porcijām, ko vēlāk nosauca par fotoniem, ir pietiekami liela enerģija, uz ko norāda gaismas krāsa, tās var izsist elektronus no atsevišķu metālu atomiem. (Sarkanās gaismas fotoniem nav pietiekami daudz enerģijas, lai to paveiktu.) Šī mijiedarbība materiālā rada elektrisko strāvu. Tādi mūsdienu izgudrojumi kā televīzijas pārraides lampa, saules baterijas un eksponometrs ir netieši saistīti ar Einšteina pētījumiem par fotoefektu.

1921. gadā Alberts Einšteins ieguva Nobela prēmiju fizikā par savu darbu, kurā bija izskaidrota gaismas daba. Viņa darbam bija liela nozīme fundamentāli jaunas zinātniskas teorijas — kvantu teorijas — izstrādāšanā. Savukārt kvantu teorija pavēra ceļu daudziem jaunatklājumiem, kas ir izdarīti tādās zinātnes nozarēs kā kodolfizika, elektronika un nanotehnoloģija.

Ziedputekšņu kustība

1905. gadā A. Einšteins pievērsās arī atomiem un molekulām. Viņš sniedza teorētisku izskaidrojumu tam, kāda ietekme ir atomiem un molekulām uz ziedputekšņiem ūdenī. 1827. gadā biologs Roberts Brauns ar mikroskopa palīdzību bija novērojis  ziedputekšņus un pamanījis mikroskopisku daļiņu zigzagveida kustību ūdenī. Šī kustība tika nosaukta viņa vārdā, bet pats zinātnieks nevarēja izskaidrot parādības cēloņus.

Savā darbā, kas bija publicēts 1905. gada maijā, Einšteins izskaidroja vibrējošo ūdens molekulu izraisītās Brauna kustības mehānismu. Viņš ne tikai aprēķināja ūdens molekulu izmērus, bet arī paredzēja, kādām jābūt ūdens molekulu atomu īpašībām. Citi zinātnieki savos pētījumos izmantoja šīs prognozes un galu galā izkliedēja visas šaubas par atomu eksistenci. Priekšstats, ka matēriju veido atomi, ir viens no mūsdienu fizikas stūrakmeņiem.

Laiks ir relatīvs

Einšteina speciālā relativitātes teorija, kas bija publicēta 1905. gada jūnijā, bija pretrunā ar uzskatu, kam bija piekrituši tādi zinātnieki kā Izaks Ņūtons, — ka laiks ir konstants visā Visumā. Secinājumi, kas izrietēja no tagad jau vispārpieņemtās Einšteina teorijas, šķita diezgan dīvaini.

Piemēram, iedomāsimies, ka divi cilvēki pilnīgi precīzi saskaņo savus pulksteņus. Viens no viņiem aplido apkārt pasaulei, bet otrs paliek mājās. Kad ceļotājs atgriezīsies, viņa pulkstenis salīdzinājumā ar mājās palicēja pulksteni būs nedaudz atpalicis. No mājās palicēja viedokļa ceļotājam laiks būs ritējis lēnāk. Protams, pārvietojoties ātrumos, kas ir cilvēku iespēju robežās, šī atšķirība ir ārkārtīgi niecīga. Bet, kad ātrums tuvojas gaismas ātrumam, ne tikai ievērojami palēninās laiks, bet arī samazinās ķermeņu izmēri un pieaug masa. Pēc Einšteina teorijas Visumā nemainīgs ir nevis laiks, bet gaismas ātrums.

Formula, kas izmainīja pasauli

1905. gada septembrī Einšteins publicēja vēl vienu darbu, kas bija domāts kā matemātisks papildinājums speciālajai relativitātes teorijai. Tajā bija dota slavenā formula E=mc², kas tagad nesaraujami saistās ar Einšteina atklājumiem. No šī vienādojuma izriet, ka enerģijas daudzums, kas tiek iegūts, sašķeļot atomu, ir vienlīdzīgs zaudētās masas reizinājumam ar gaismas ātrumu kvadrātā.

Pateicoties tādu zinātnieku pūlēm kā Alberts Einšteins, cilvēki daudz ko ir uzzinājuši par Visuma likumsakarībām. Tomēr mūsu pašreizējais zināšanu līmenis joprojām atgādina vārdus, ko senatnē izteica Ījabs. Runājot par Radītāja darbiem, viņš pazemīgi atzina: ”Redzi, tās ir tikai Viņa valdīšanas pamales, un cik klusa čukstoņa ir tas, ko mēs no Viņa dzirdam!” (Ījaba 26:14.)

[Shēma/Attēli 20. lpp.]

(Skatīt publikācijā)

Gaismai piemīt gan viļņu, gan daļiņu plūsmas daba. Šī atziņa ir devusi iespēju radīt, piemēram, kalkulatorus ar saules baterijām, kā arī gaismas sensorus digitālajās kamerās

[Shēma/Attēli 21. lpp.]

(Skatīt publikācijā)

Brauna kustība palīdzēja pierādīt atomu eksistenci

[Shēma/Attēli 21. lpp.]

(Pilnībā noformētu tekstu skatīt publikācijā)

E Enerģija

= vienāda

m ar masas

c² reizinājumu ar gaismas ātrumu kvadrātā

c² nozīmē c reizināts ar c jeb aptuveni 300 000 kilometri sekundē reiz 300 000 kilometri sekundē

Tā kā c² ir milzīgi liels skaitlis, no neliela daudzuma masas var iegūt ārkārtīgi daudz enerģijas. Ja sašķeļ urāna atomu, rodas divi mazāki atomi un zūd 0,1 procents no urāna atoma sākotnējās masas. Šis nelielais masas daudzums pārvēršas milzīgā enerģijas daudzumā.

Atbrīvotā enerģija

Pilnībā pārvēršot enerģijā vienu kilogramu jebkuras vielas, var iegūt:

▪ aptuveni 25 miljardus kilovatstundu enerģijas

▪ enerģiju, kas vajadzīga, lai ar automašīnu apbrauktu apkārt pasaulei 400 tūkstošus reižu

▪ enerģiju, kas vajadzīga, lai lielākais naftas tankkuģis apbrauktu apkārt pasaulei 900 reizes

▪ elektroenerģiju, kas vajadzīga ASV divām dienām

Spēkā ir arī pretējais: lai iegūtu tikai vienu atomu, ir vajadzīga milzīga enerģija.

[Attēli 21. lpp.]

Jo lielāks ātrums, jo lēnāk rit laiks

[Attēls 21. lpp.]

Uz globālās pozicionēšanas sistēmas (GPS) satelītiem laiks rit nedaudz citādā ātrumā nekā uz Zemes. Ja šo satelītu pulksteņi netiktu koriģēti saskaņā ar relativitātes teoriju, GPS signāli būtu neprecīzi.

[Norādes par attēlu autortiesībām 20. lpp.]

A. Einšteins: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; fons: CERN photo, Geneva