Albert Einstein – ett fantastiskt år i hans liv

ÅR 1905 publicerade Albert Einstein, som då var 26 år och tjänsteman vid ett patentverk, fyra vetenskapliga avhandlingar som förändrade vår syn på universum – från de minsta byggstenarna till de största galaxerna. Hans arbete banade också vägen för många av de mest revolutionerande uppfinningarna under de hundra senaste åren.

Enligt Isidor Rabi, nobelpristagare i fysik, kan ”i stort sett alla grundläggande föreställningar inom den moderna fysiken åtminstone till viss del spåras tillbaka till Einstein”. Vad var det egentligen som Einstein kom fram till för hundra år sedan?

Ljusets sanna natur avslöjas

Einsteins avhandling som publicerades i mars 1905 löste några mysterier när det gäller ljusets natur. Vetenskapsmän hade redan upptäckt att ljus som färdas genom rummet verkar uppföra sig mycket likt vattnets vågrörelser i en vattensamling. Men vågteorin kunde inte ge någon förklaring till att blått ljus alstrar elektrisk ström när det träffar vissa metaller medan rött ljus inte gör det. I sin avhandling gav Einstein en förklaring till den här så kallade fotoelektriska effekten.

Einstein framhöll att ljus vid vissa tillfällen kan betraktas som en mängd små energipaket, eller partiklar, som senare kom att kallas fotoner. När dessa fotoner har rätt energinivå, eller färg, kan de frigöra elektroner ur vissa metallatomer. (Fotoner i rött ljus är för svaga för att kunna göra det.) Detta ger upphov till en elektrisk ström i materialet. Einsteins beskrivning av den fotoelektriska effekten har gett idén till moderna uppfinningar som kameraröret för tv, solcellen och ljusmätaren.

År 1921 fick Einstein nobelpriset i fysik för sin förklaring av ljuset. Hans avhandling banade vägen för en ny vetenskapsgren, kvantteorin. Kvantteorin lade i sin tur grunden till många andra tillämpningar, bland annat kärnforskningen, elektroniken och nanotekniken.

Varför pollen dansar

Einstein var också intresserad av atomer och molekyler. År 1905 gav han en teoretisk förklaring till hur dessa inverkar på små pollenkorn i vatten. År 1827 hade biologen Robert Brown med hjälp av mikroskop sett att pollenkorn i vatten dansar omkring. Detta  kom att kallas den brownska rörelsen, men han själv kunde inte förklara orsaken till den.

I sin avhandling från maj 1905 hävdade Einstein att vibrerande vattenmolekyler orsakade den brownska rörelsen. Han beräknade inte bara vattenmolekylernas storlek utan beskrev också specifika egenskaper hos atomerna i dessa molekyler. Andra forskare byggde vidare på dessa antaganden och kunde röja undan alla tvivel angående atomernas existens. Den moderna fysiken grundar sig på uppfattningen att all materia består av atomer.

Tiden är relativ

Einsteins speciella relativitetsteori, som publicerades i juni 1905, gick emot en grundläggande föreställning som Isaac Newton och andra vetenskapsmän haft – att tiden rör sig med samma hastighet i hela universum. Konsekvenserna av Einsteins nu allmänt accepterade teori förefaller ganska egendomliga.

Tänk dig till exempel att du och en vän synkroniserar era klockor exakt. Din vän flyger sedan runt jorden, medan du stannar hemma. När han återvänder kommer hans klocka att ha saktat sig lite jämfört med din klocka. Ur ditt perspektiv har tiden gått långsammare för din vän. Skillnaden är naturligtvis försumbar när man färdas i relativt låga hastigheter. Men när ett föremål närmar sig ljushastigheten går inte bara tiden mycket långsammare, utan själva föremålet syns dessutom förkortat i rörelseriktningen, och dess massa ökar. Enligt Einsteins teori är det ljuset, och inte tiden, som rör sig med konstant hastighet i hela universum.

Formeln som förändrade världen

I september 1905 publicerade Einstein ytterligare en avhandling, som ansågs mer som ett matematiskt tillägg till den speciella relativitetsteorin. Den innehöll en formel som numera står som en symbol för hans arbete: E=mc². När en atom klyvs förlorar den en liten mängd massa som omvandlas till energi. Den frigjorda energin motsvarar massförlusten gånger ljushastigheten i kvadrat.

Tack vare de insatser som Einstein och andra forskare har gjort har människan lärt sig mycket om universums uppbyggnad. Men när det gäller de kunskaper människan nu har stämmer fortfarande den forntida mannen Jobs ord. När han talade om Skaparens arbete erkände han ödmjukt: ”Se, detta är bara utkanterna av hans verk, och vad annat än en viskning har man hört om honom!” (Job 26:14)

[Diagram/Bilder på sidan 20]

(Se publikationen)

Ljus uppför sig både som vågor och som partiklar. Tack vare den insikten har man kunnat tillverka soldrivna miniräknare och ljussensorer i digitalkameror

Diagram/Bilder på sidan 21]

(Se publikationen)

Med hjälp av den brownska rörelsen kunde man bevisa att atomer existerar

Diagram/Bilder på sidan 21]

(För formaterad text, se publikationen)

E Energin

= är lika med

m massan

c² gånger ljushastigheten i kvadrat

c² betyder c gånger c, dvs. 299 792 458 meter i sekunden gånger 299 792 458 meter i sekunden

Eftersom c² är ett mycket stort tal (89 876 000 000 000 000, när man räknar i meter i sekunden), kan en liten mängd massa omvandlas till en enorm mängd energi. När en uranatom klyvs, bildar den snabbt två mindre atomer men förlorar också omkring 0,1 procent av sin massa. Den här lilla mängden massa omvandlas till energi

Energi som frigörs

Ett enda kilo av ett ämne som fullständigt omvandlas till energi motsvarar:

▪ 25 miljarder kilowattimmar

▪ den energimängd som behövs för att köra en bil 400 000 varv runt jorden

▪ den energimängd som behövs för att driva den största oljetankern 900 varv runt jorden

▪ den elkraft som förbrukas i USA under två dygn

Det omvända gäller också. Det krävs en enorm energimängd, relativt sett, för att få fram en enda atom

[Bilder på sidan 21]

Ju snabbare man reser, desto långsammare går tiden

[Bild på sidan 21]

Klockor på GPS-satelliter går inte med samma hastighet som klockor på jorden. Tack vare relativitetsteorin kan denna skillnad korrigeras, annars skulle GPS-signalerna vara oanvändbara

[Bildkälla på sidan 20]

Einstein: Foto från Topical Press Agency/Getty Images; bakgrund: CERN photo, Genève