Anul de excepţie al lui Einstein

ÎN 1905, Albert Einstein, pe atunci în vârstă de 26 de ani şi examinator la biroul de brevete elveţian, a publicat patru lucrări ştiinţifice care au zugrăvit un nou tablou al lumii, schimbând înţelegerea noastră asupra elementelor de bază ale universului şi chiar a vastelor lui galaxii. Câteva au constituit baza multora dintre invenţiile care au marcat o cotitură în istoria ultimilor o sută de ani.

„Nu există nici o idee fundamentală în fizica modernă care să nu fi pornit cel puţin în parte de la lucrările lui Einstein“, declară Isidor Rabi, un laureat al Premiului Nobel pentru Fizică. Dar ce a descoperit Einstein acum o sută de ani?

Secretele luminii sunt dezvăluite

Lucrarea pe care Einstein a publicat-o în martie 1905 dezvăluia unele secrete ale naturii luminii. La vremea aceea, oamenii de ştiinţă ştiau deja că, în timp ce străbate spaţiul, lumina se propagă asemenea undelor unei ape. Însă teoria ondulatorie nu putea explica de ce lumina albastră generează curent electric când vine în contact cu anumite metale, iar lumina roşie, nu. Lucrarea lui Einstein însă ajuta la înţelegerea acestui fenomen, şi anume efectul fotoelectric.

Einstein susţinea că lumina este constituită şi din particule de energie, sau cuante, numite mai târziu fotoni. Când fotonii ating un anumit nivel de energie, sau se află într-o anumită porţiune a spectrului luminos, pot smulge electroni din atomii anumitor metale. (Fotonii de lumină roşie sunt prea slabi pentru a produce acelaşi efect.) Această interacţiune determină apariţia unui curent electric în material. Invenţiile moderne, de pildă tuburile videocaptoare, celulele solare şi fotometrele au fost realizate potrivit explicaţiilor lui Einstein privind efectul fotoelectric.

Pentru explicaţiile sale asupra naturii luminii, Einstein a câştigat în 1921 Premiul Nobel pentru Fizică. Lucrarea sa a contribuit la apariţia unei noi ramuri a ştiinţei: teoria cuantică. Iar teoria cuantică a constituit baza a numeroase aplicaţii, de pildă fizica nucleară, electronica şi nanotehnologia.

De ce dansează polenul

În 1905, Einstein şi-a îndreptat atenţia spre atomi şi molecule. El a oferit o explicaţie teoretică privitoare la efectul pe care-l au atomii şi moleculele asupra granulelor de polen aflate în suspensie în apă. În 1827, un biolog pe  nume Robert Brown a observat la microscop că granulele de polen scufundate în apă sunt în continuă mişcare. El a numit dansul polenului „mişcarea browniană“, dar nu a putut oferi nici o explicaţie acestui fenomen.

În lucrarea sa din mai 1905, Einstein a arătat cum este generată mişcarea browniană de moleculele de apă care vibrează. El a calculat dimensiunile moleculei de apă şi a descris, pe baza observaţiilor ştiinţifice, proprietăţile caracteristice ale atomilor care compun molecula de apă. Alţi oameni de ştiinţă au folosit aceste observaţii în cercetările lor, înlăturând orice dubiu privind existenţa atomilor. Ideea că materia este compusă din atomi e fundamentul fizicii moderne.

Timpul este relativ

Teoria relativităţii restrânse (speciale) a lui Einstein, publicată în iunie 1905, contrazicea concepţia unor oameni de ştiinţă precum Isaac Newton că în univers timpul curge la fel. Implicaţiile teoriei lui Einstein general acceptate în prezent par de-a dreptul bizare.

De pildă, imaginează-ţi că tu şi prietenul tău vă sincronizaţi ceasurile. Prietenul tău face o călătorie cu avionul în jurul lumii, în timp ce tu rămâi acasă. Când se întoarce, ceasul lui a rămas puţin în urmă faţă de al tău. Din punctul tău de vedere, timpul a încetinit pentru prietenul care a fost în călătorie. Bineînţeles, diferenţa de timp este insesizabilă în raport cu viteza de deplasare a corpurilor de pe pământ. Însă, când aceasta se apropie de viteza luminii, timpul încetineşte considerabil, dimensiunile corpurilor se micşorează, iar masa lor creşte. Conform teoriei lui Einstein, viteza luminii, nu timpul, este constantă în univers.

O formulă care a schimbat lumea

În septembrie 1905, Einstein a mai publicat un mic articol, o completare la teoria restrânsă a relativităţii. El conţinea formula E=mc², simbolul cercetărilor sale de o viaţă. Potrivit acestei ecuaţii, cantitatea de energie eliberată când un atom se dezintegrează este egală cu masa pe care o pierde acel atom înmulţită cu viteza luminii la pătrat.

În urma eforturilor depuse de oameni de ştiinţă precum Einstein, omenirea a învăţat multe despre natura universului. Totuşi, cunoştinţele omului pot fi asemănate cu ceea ce a descris Iov, un om din vechime. Referindu-se la lucrările Creatorului, el a recunoscut cu umilinţă: „Şi acestea sunt doar marginile căilor Sale şi numai adierea lor uşoară ajunge până la noi“. — Iov 26:14.

[Diagrama/Fotografiile de la pagina 20]

(Vezi publicaţia)

Lumina are caracter dual, de undă şi de corpuscul. Înţelegerea acestui aspect a permis crearea calculatoarelor solare şi a camerelor digitale cu senzori de lumină

[Diagrama/Fotografiile de la pagina 21]

(Vezi publicaţia)

Aşa-numita „mişcare browniană“ a ajutat la demonstrarea existenţei atomului

[Diagrama/Fotografiile de la pagina 21]

(Pentru modul în care textul apare în pagină, vezi publicaţia)

E Energia

= este egală cu

m masa

c² viteza luminii la pătrat

c² înseamnă c înmulţit cu c, sau 299 792,5 kilometri pe secundă înmulţit cu 299 792,5 kilometri pe secundă

Întrucât c² reprezintă un număr extrem de mare (8 987 554 3056,25 km²/sec²), o mică fracţiune de masă poate fi transformată într-o cantitate enormă de energie. Dacă un atom de uraniu se dezintegrează, se formează instantaneu doi atomi mai mici, pierzându-se totodată 0,1% din masa totală; acea mică fracţiune de masă va duce la eliberarea unei cantităţi impresionante de energie

Energia eliberată

Mai puţin de 500 g din orice substanţă transformată total în energie echivalează cu:

▪ 11 miliarde de kilowaţi-oră

▪ energia necesară unei maşini pentru a face de 180 000 de ori ocolul pământului

▪ energia necesară celui mai mare petrolier pentru a face de 400 de ori înconjurul pământului

▪ energia electrică necesară Statelor Unite într-o zi

Şi reversul este posibil. E nevoie de o cantitate enormă de energie pentru a da masă unui singur atom

[Legenda fotografiilor de la pagina 21]

Cu cât viteza cu care te deplasezi este mai mare, cu atât timpul se scurge mai lent

[Legenda ilustraţiei de la pagina 21]

Ceasurile de la bordul sateliţilor sistemului de poziţionare globală (GPS) nu merg la fel de repede precum ceasurile de pe pământ. Dacă nu s-ar ţine cont de teoria relativităţii, semnalul GPS nu ar servi la nimic

[Provenienţa fotografiilor de la pagina 20]

Einstein: Fotografie de Topical Press Agency/Getty Images; fundal: CERN photo, Geneva