Ajnštajnova izuzetna godina

JEDAN 26-godišnji službenik zavoda za patente po imenu Albert Ajnštajn objavio je 1905. godine četiri naučna rada koja su promenila naše razumevanje kosmosa — i to počev od njegovih najsitnijih elemenata pa do najvećih galaksija. Neki od tih naučnih radova su ujedno postali odskočna daska za mnoge korisne pronalaske koji su se pojavili tokom proteklih sto godina.

„U modernoj fizici skoro da i nema temeljne postavke koja se barem delimično ne zasniva na Ajnštajnovim dostignućima“, rekao je Isidor Rabi, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku. Šta je to Ajnštajn otkrio pre jednog veka?

Razotkrivanje tajni svetlosti

U naučnom radu koji je objavljen u martu 1905, Ajnštajn je otkrio neke dotad nepoznate činjenice o prirodi svetlosti. Naučnici su znali da se svetlost, dok putuje kroz prostor, ponaša slično talasima na površini jezera. Međutim, talasna teorija nije mogla da objasni zašto izvesni metali proizvode struju kada su izloženi plavoj svetlosti, dok to nije slučaj kada se radi o crvenoj svetlosti. Ajnštajnov rad je pomogao da se razume ova pojava, poznata kao fotoelektrični efekat.

Ajnštajn je smatrao da se svetlost može shvatiti i kao niz malih „paketa“ energije koji su kasnije nazvani fotoni. Fotoni svetlosti koji poseduju određeni nivo energije, to jest određenu boju, mogu da izbace elektrone iz atoma nekih metala. (Fotoni crvene svetlosti suviše su slabi da proizvedu taj efekat.) Ova interakcija dovodi do toga da kroz provodnik počinje da teče električna struja. Moderni pronalasci kao što su detektori svetlosti u TV kamerama, solarne ćelije i fotosvetlomeri zasnivaju se na Ajnštajnovom opisu fotoelektričnog efekta.

Ajnštajn je za svoje objašnjenje prirode svetlosti 1921. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Njegov rad je pomogao da se otvori put za novo naučno polje, kvantnu teoriju. Kvantna teorija je postala temelj mnoštva novih grana nauke kao što su nuklearna fizika, elektronika i nanotehnologija.

Zašto polen „pleše“

Ajnštajn se 1905. bavio i atomima i molekulima. Pružio je jedno teoretsko objašnjenje njihovog uticaja na sićušna zrnca polena u vodi. Biolog Robert Braun je 1827. pomoću mikroskopa posmatrao zrnca polena  u vodi i zapazio je da se ona nasumično kreću u različitim pravcima. On je taj „ples“ polena nazvao Braunovo kretanje, ali nije mogao da objasni šta ga prouzrokuje.

U svojoj studiji objavljenoj u maju 1905, Ajnštajn je ukazao na to da je Braunovo kretanje posledica vibracije molekula vode koji se sudaraju sa zrncima polena. Osim što je izračunao veličinu molekula vode, predvideo je i specifične karakteristike njihovih atoma. Drugi naučnici su koristili njegove pretpostavke kao temelj za daljnja istraživanja, otklanjajući time sumnju u pogledu postojanja atoma. Moderna fizika se zasniva na shvatanju da je materija sačinjena od atoma.

Vreme je relativno

Ajnštajnova specijalna teorija relativiteta, koja je objavljena u junu 1905, kosila se s verovanjem naučnika kao što je Isak Njutn, naime da je protok vremena konstantan u čitavoj vasioni. Postavke Ajnštajnove teorije, koja je sada opšteprihvaćena, izgledaju vrlo neobično.

Zamislite, na primer, da ste vi i vaš prijatelj savršeno uskladili svoje časovnike. Vaš prijatelj zatim leti oko sveta, dok vi ostajete kod kuće. Kada se on vrati, njegov časovnik će neznatno kasniti za vašim. Iz vaše perspektive, za vašeg prijatelja koji je putovao vreme je sporije proticalo. Naravno, kada se radi o brzini kojom se ljudi kreću, ta razlika je beskonačno mala. Međutim, kako se brzina kretanja približava brzini svetlosti, ne samo što vreme znatno usporava, već i objekti postaju manji, a njihova masa se povećava. Prema Ajnštajnovoj teoriji, u svemiru nije konstantno vreme, već brzina svetlosti.

Formula koja je izmenila svet

U septembru 1905, Ajnštajn je objavio još jedan naučni rad koji je trebalo da bude matematička dopuna njegovoj specijalnoj teoriji relativiteta. U njemu se nalazila formula koja sada predstavlja sinonim za njegovo celokupno delo: E=mc⁠². Prema ovoj jednačini, količina energije koja se oslobađa cepanjem jednog atoma jednaka je gubitku njegove mase pomnoženom s kvadratom brzine svetlosti.

Zahvaljujući trudu naučnika kao što je Ajnštajn, čovečanstvo je saznalo mnogo o prirodi svemira. I pored toga, celokupno ljudsko znanje još uvek se može uporediti sa onim što je opisao Jov u drevno doba. Govoreći o Stvoriteljevim delima, on je ponizno priznao: „Eto, to su samo obrisi puteva njegovih, tek tihi šapat koji do nas dopire!“ (Jov 26:14, NW).

[Dijagram/Slike na 20. strani]

(Vidi publikaciju)

Svetlost se ponaša dvojako — kao talas i kao čestica. Na tom otkriću zasnivaju se solarni digitroni i svetlosni senzori u digitalnim fotoaparatima

[Dijagram/Slike na 21. strani]

(Vidi publikaciju)

Haotično kretanje sićušnih čestica, poznato kao Braunovo kretanje, pomoglo je naučnicima da dokažu postojanje atoma

[Dijagram/Slike na 21. strani]

(Za kompletan tekst, vidi publikaciju)

E Energija

= je jednaka

m masi

s⁠² pomnoženoj sa brzinom svetlosti na kvadrat

s⁠² znači s puta s, to jest 299 792 kilometra u sekundi puta 299 792 kilometra u sekundi

Budući da je s⁠² izuzetno veliki broj (89 875 243 264 km⁠²/sek⁠²), jasno je da se mala količina materije može pretvoriti u neverovatnu količinu energije. Kada se pocepa jedan atom uranijuma, on brzo formira dva manja atoma, ali i gubi oko 0,1 posto svoje mase, pri čemu se ta krajnje mala količina mase pretvara u ogromnu količinu energije

Oslobađanje energije

Samo kilogram bilo koje materije pretvorene u energiju predstavlja približan ekvivalent za:

◼ 25 milijardi kilovat-časova

◼ energiju s kojom bi automobil mogao da obiđe oko naše planete 400 000 puta

◼ energiju potrebnu da najveći naftni tanker 900 puta oplovi oko sveta

◼ električnu energiju koja se u Sjedinjenim Državama potroši za dva dana

Isto važi i u suprotnom slučaju — potrebna je ogromna količina energije da bi se „materijalizovao“ samo jedan atom

[Slike na 21. strani]

Što je veća brzina kojom putujete, vreme teče sporije

[Slika na 21. strani]

Časovnici koji se nalaze na satelitima Sistema za globalno pozicioniranje (GPS) ne otkucavaju istom brzinom kao časovnici na Zemlji. Ukoliko se to odstupanje koje je posledica relativiteta ne bi ispravilo, signali sa tih satelita bili bi beskorisni

[Izvori slika na 20. strani]

Ajnštajn: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; pozadina: CERN photo, Geneva