W ROKU 1905 Albert Einstein, 26-letni pracownik biura patentowego, opublikował cztery rozprawy naukowe, które zmieniły nasz obraz wszechświata — od najmniejszych jego cząstek aż po największe galaktyki. Prace te przyczyniły się także do powstania w minionych 100 latach wielu wynalazków, które odmieniły życie ludzi.

Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Isidor Rabi powiedział: „We współczesnej fizyce trudno byłoby znaleźć choć jedną znaczącą teorię, która nie opierałaby się w jakimś stopniu na pracach Einsteina”. Cóż takiego odkrył 100 lat temu ten uczony?

Odkrycie tajemnic światła

Rozprawa Einsteina opublikowana w marcu 1905 roku dotyczyła pewnych zagadek związanych z naturą światła. Naukowcy już wcześniej zauważyli, że gdy światło mknie w przestrzeni, zachowuje się podobnie jak fale rozchodzące się po powierzchni stawu. Jednak teoria falowa nie tłumaczyła, dlaczego oświetlanie pewnych metali światłem ciemnoniebieskim powoduje przepływ prądu elektrycznego, a światło jasnoczerwone nie wywołuje takiego efektu. Zjawisko to, zwane zjawiskiem fotoelektrycznym, zostało wyjaśnione właśnie przez Einsteina.

Uznał on, że światło można czasem traktować jako małe porcje (kwanty) energii, które później nazwano fotonami. Kiedy światło ma określoną barwę, energia jego fotonów wystarcza, by wybijać elektrony z powierzchni pewnych metali (fotony światła czerwonego mają zbyt małą energię, by tego dokonać). W rezultacie w metalu płynie prąd elektryczny. Współczesne wynalazki, takie jak kamera telewizyjna, baterie słoneczne czy światłomierz fotograficzny, wykorzystują opisane przez Einsteina zjawisko fotoelektryczne.

W roku 1921 Einstein został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie praw rządzących światłem. Jego artykuł przyczynił się do powstania nowej dziedziny nauki — teorii kwantowej. Ta z kolei umożliwiła rozwój wielu innych dyscyplin, między innymi fizyki jądrowej, elektroniki i nanotechnologii.

Dlaczego pyłek kwiatowy tańczy

W 1905 roku Einstein zainteresował się również atomami i cząsteczkami. Obmyślił teoretyczne wyjaśnienie ich wpływu na zachowanie maleńkich pyłków kwiatowych w wodzie. W 1827 roku botanik Robert Brown dostrzegł przez mikroskop, że ziarna pyłku zawieszone  w wodzie bezładnie się poruszają. Taniec ten nazwano od jego nazwiska ruchami Browna, ale uczony ten nie potrafił wyjaśnić, skąd się one biorą.

W artykule opublikowanym w maju 1905 roku Einstein zasugerował, że ruchy Browna są spowodowane drganiami cząsteczek wody. Nie tylko obliczył wielkość tych cząsteczek, ale również przewidział specyficzne właściwości składających się na nie atomów. Dzięki jego wyjaśnieniom inni naukowcy ostatecznie rozproszyli wszelkie wątpliwości co do istnienia atomów. Współczesna fizyka opiera się na założeniu, że materia jest zbudowana z atomów.

Względność czasu

Szczególna teoria względności, ogłoszona przez Einsteina w czerwcu 1905 roku, podważała fundamentalne przekonanie naukowców pokroju Izaaka Newtona — mianowicie że czas biegnie tak samo w całym wszechświecie. Wnioski płynące z tej teorii, dzisiaj powszechnie uznawanej, są zdumiewające.

Wyobraź sobie na przykład, że razem z przyjacielem macie doskonale zsynchronizowane zegarki. Twój przyjaciel oblatuje całą ziemię dookoła, podczas gdy ty nie ruszasz się z domu. Kiedy on wraca, jego zegarek troszeczkę się późni w stosunku do twojego. Z twojego punktu widzenia dla podróżującego przyjaciela czas nieco zwolnił. Jeżeli poruszał się w jakiś tradycyjny sposób, to oczywiście ta różnica jest niezwykle mała. Ale jeśli jakieś ciało porusza się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, czas zwalnia bardzo wyraźnie. W dodatku staje się ono mniejsze, a jego masa wzrasta. Według teorii Einsteina w całym wszechświecie stała jest prędkość światła, a nie upływ czasu.

Wzór, który zmienił świat

We wrześniu 1905 roku Einstein opublikował kolejny artykuł, w którym podał matematyczne uzupełnienie swej szczególnej teorii względności. Zawarł w nim równanie, które stało się niemal symbolem jego wkładu w naukę: E=mc². Zgodnie z tym wzorem ilość energii wyzwolonej po rozszczepieniu atomu jest równa utracie masy pomnożonej przez prędkość światła podniesioną do kwadratu.

Dzięki wysiłkom naukowców takich jak Einstein ludzkość coraz więcej wie o naturze wszechświata. Mimo to obecny poziom wiedzy wciąż przywodzi na myśl słowa starożytnego patriarchy Hioba. Mówiąc o dziełach stwórczych, pokornie przyznał: „Oto zaledwie zarys jego dróg, a tylko jak cichy szept jego słowa słyszymy!” (Joba [Hioba] 26:14, Biblia warszawska).

[Ilustracje na stronie 20]

[Patrz publikacja]

Światło zachowuje się jak fala i jak strumień cząstek. Wiedza ta pozwoliła skonstruować kalkulatory zasilane energią słoneczną oraz czujniki światła w cyfrowych aparatach fotograficznych.

[Ilustracja na stronie 21]

[Patrz publikacja]

Wyjaśnienie ruchów Browna pomogło dowieść istnienia atomów

[Ramka i ilustracje na stronie 21]

[Patrz publikacja]

E Energia

= równa się

m masie

c² pomnożonej przez prędkość światła podniesioną do kwadratu

c² oznacza c razy c, czyli 299 792 kilometry na sekundę razy 299 792 kilometry na sekundę

Ponieważ c² jest ogromną liczbą (prawie 90 miliardów km²/s²), niewielką masę można przekształcić w olbrzymią ilość energii. Rozszczepiony atom uranu szybko tworzy dwa mniejsze atomy, ale traci przy tym około 0,1 procenta swej masy; ta maleńka masa zamienia się w dużą ilość energii

Uwolniona energia

Gdyby zaledwie jeden kilogram dowolnej substancji dało się całkowicie zamienić w energię, to:

▪ równałaby się ona 25 miliardom kilowatogodzin

▪ można byłoby 400 000 razy objechać samochodem ziemię dookoła

▪ największy tankowiec mógłby opłynąć ziemię 900 razy

▪ zostałoby pokryte dwudniowe zapotrzebowanie USA na energię elektryczną

Zasada ta działa także w drugą stronę. Do „zmaterializowania” zaledwie jednego atomu potrzebna byłaby znaczna ilość energii

[Ilustracje na stronie 21]

Im szybciej podróżujesz, tym wolniej płynie czas

[Ilustracja na stronie 21]

Zegary na satelitach GPS (Globalnego Systemu Lokalizacji) nie odmierzają czasu z tą samą prędkością, co zegary na ziemi. Bez uwzględnienia poprawki wynikającej z teorii względności sygnał GPS byłby bezużyteczny

[Prawa własności do ilustracji, strona 20]

Zdjęcie Einsteina: Topical Press Agency/​Getty Images; zdjęcie w tle: CERN, Genewa