Einsteinovo izredno leto
Einsteinovo izredno leto
LETA 1905 je 26-letni uslužbenec na patentnem uradu, Albert Einstein, objavil štiri znanstvene članke, ki so spremenili naš pogled na vesolje – vse od njegovih najmanjših sestavnih delcev do najmogočnejših galaksij. Nekateri teh člankov so postali tudi odskočna deska za številne iznajdbe v zadnjih sto letih, ki so ljudem spremenile življenje.
»V sodobni fiziki ni skorajda nobene pomembne temeljne zamisli,« pravi Nobelov nagrajenec za fiziko, Isidor Rabi, »ki vsaj delno ne bi bila povezana z Einsteinom.« Kaj je pravzaprav Einstein pred sto leti odkril?
Razkril skrivnosti svetlobe
Einstein je v članku, ki ga je objavil marca 1905, razkril nekaj skrivnosti o tem, kaj svetloba sploh je. Znanstveniki so pred tem ugotovili, da se svetloba pri potovanju skozi prostor očitno obnaša kot valovanje, precej podobno valovanju vode v ribniku. Vendar z valovno teorijo niso mogli pojasniti, zakaj temna modra svetloba proizvaja električni tok, kadar zadene ob določene kovine, medtem ko svetla rdeča svetloba tega ne zmore. Einsteinov članek je pomagal pojasniti ta tako imenovani fotoelektrični pojav.
Einstein je utemeljeval, da svetlobo v določenih okoliščinah sestavljajo delci energije, ki so jih kasneje poimenovali fotoni. Ko imajo ti fotoni dovolj energije oziroma pravo barvo, lahko iz atomov nekaterih kovin izbijejo elektrone. (Fotoni rdeče svetlobe tega ne morejo storiti, ker imajo premajhno energijo.) Ta medsebojni vpliv povzroči, da po materialu steče električni tok. Z Einsteinovim opisom fotoelektričnega pojava so povezane sodobne iznajdbe, kot so televizijske katodne cevi, sončne celice in fotometri.
Einstein je za to, kako je pojasnil svetlobo, leta 1921 dobil Nobelovo nagrado za fiziko. Njegov članek je pripomogel k temu, da se je odprlo novo znanstveno področje, imenovano kvantna teorija. Ta teorija pa je postala temelj novim področjem, tudi jedrski znanosti, elektroniki in nanotehnologiji.
Zakaj pelod pleše
Leta 1905 je Einstein svojo pozornost namenil tudi atomom in molekulam. Teoretično je pojasnil, kako ti v vodi učinkujejo na drobcene potopljene pelode trav. Leta 1827 je biolog Robert Brown pod mikroskopom opazil, da se ti pelodi trav v vodi zibljejo. Ta ples je poimenoval Brownovo gibanje, ni pa znal pojasniti, zakaj se to dogaja.
Einstein je v članku, ki je izšel maja 1905, povedal, da to Brownovo gibanje po njegovem mnenju povzročajo nihajoče vodne molekule. Ni le izračunal velikosti vodnih molekul, ampak je tudi napovedal posebne značilnosti njihovih atomov. Drugi znanstveniki so na tej teoriji gradili nadaljnje raziskovanje in odstranili dvome o tem, da atomi obstajajo. Sodobna fizika temelji na zamisli, da je materija sestavljena iz atomov.
Čas je relativen
Einsteinova posebna teorija relativnosti, ki je bila objavljena junija 1905, se ni skladala s temeljnim prepričanjem znanstvenikov, kot je bil Issac Newton – da čas v vsem vesolju teče enako. To, kaj Einsteinova danes splošno sprejeta teorija pravzaprav pomeni, se zdi precej nenavadno.
Predstavljajte si na primer, da s prijateljem svoji ročni uri časovno povsem uskladita. Vaš prijatelj nato z letalom obkroži svet, medtem ko vi ostanete doma. Ko se vrne, bo njegova ura malo zaostajala za vašo. Iz vašega zornega kota se je čas za prijatelja, ki je bil na potovanju, malo upočasnil. Pri naših hitrostih je razlika seveda izredno majhna. Toda ko hitrost masnih delcev toliko naraste, da se približa svetlobni hitrosti, čas teče občutno počasneje, poleg tega pa se tudi predmeti zmanjšajo in njihova masa poveča. Einsteinova teorija relativnosti je trdila, da je hitrost svetlobe enaka v vsem vesolju, čas pa ne teče povsod enako hitro.
Formula, ki je spremenila svet
Septembra 1905 je Einstein objavil še en članek, ki velja za matematično dopolnilo k njegovi posebni relativnostni teoriji. Vsebovala je formulo, ki je danes razpoznavni znak njegovih dosežkov, E = mc2. Ta enačba pravi, da je količina energije, ki se sprosti ob razcepu atoma, enaka izgubi njegove mase pomnožene s kvadratom svetlobne hitrosti.
Zaradi prizadevanj znanstvenikov, kot je bil Einstein, je človeštvo veliko spoznalo o tem, kakšno je vesolje. Ne glede na to pa je človekovo sedanje znanje še vedno podobno temu, ki ga je opisal starodavni Job. Ko je govoril o Stvarnikovih delih, je ponižno priznal: »Glej, to je majhen obris dejanja Njegovega; in kako rahlo šepetanje, ki ga slišimo o Njem!« (Job 26:14)
[Diagram/slike na na strani 20]
(Glej publikacijo)
Svetloba se obnaša kot valovanje in kot delci. Na tem odkritju temeljijo kalkulatorji na sončno energijo in svetlobna tipala v digitalnih fotoaparatih.
[Diagram/slike na strani 21]
(Glej publikacijo)
Zibanje pri Brownovem gibanju je pomagalo dokazati obstoj atomov
[Diagram/slike na strani 21]
(Lega besedila – glej publikacijo)
E energija
= je enako
m masa
c2 krat svetlobna hitrost na kvadrat
c2 pomeni c krat c oziroma 300.000 kilometrov na sekundo krat 300.000 kilometrov na sekundo
Ker je c2 skrajno velika številka (90.000,000.000 km2/s2), se majhna količina mase lahko pretvori v velikansko količino energije. Ko se razcepi en atom urana, hitro nastaneta dva manjša atoma, vendar atom tudi izgubi približno 0,1 odstotka svoje mase; ta majhna količina pa povzroči sprostitev neizmerno veliko energije.
Sproščena energija
En sam kilogram katere koli snovi, ki se povsem pretvori v energijo, ustreza:
▪ približno 25 milijardam kilovatnih ur
▪ energiji, ki jo avto potrebuje, da bi 400.000-krat obkrožil zemljo
▪ energiji, s katero bi največji naftni tanker lahko 900-krat obšel svet
▪ električni energiji, ki jo v Združenih državah porabijo v dveh dneh
Velja pa tudi obratno. Za »nastanek« enega samega atoma je potrebna velikanska količina energije.
[Sliki na strani 21]
Hitreje ko potujete, počasneje teče čas
[Slika na strani 21]
Ure na satelitih sistema GPS ne tiktakajo enako hitro kakor ure na Zemlji. Če ne bi upoštevali popravkov, ki so nujni zaradi učinka relativnosti, bi bil GPS signal neuporaben.
[Navedba vira slike na strani 20]
Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; ozadje: CERN photo, Geneva