Mwaka wa Kipekee wa Einstein

MNAMO 1905, karani wa kuwapa watu haki-miliki mwenye umri wa miaka 26, Albert Einstein, alichapisha hati nne za kisayansi zilizobadili maoni yetu kuhusu ulimwengu, kuanzia chembe zake ndogo hadi makundi yake makubwa ya nyota. Baadhi ya hati hizo zilitumiwa kuvumbua mambo mengi ambayo yamebadili maisha ya watu katika miaka 100 iliyopita.

Mshindi wa tuzo ya Nobeli ya fizikia, Isidor Rabi, anasema hivi: “Hakuna nadharia yoyote muhimu katika fizikia ya kisasa ambayo haikutokana na Einstein angalau kwa sehemu.” Kwani Einstein aligundua nini karne moja iliyopita?

Kuvumbua Siri za Nuru

Hati ya Einstein iliyochapishwa Machi 1905, ilifichua siri fulani kuhusu nuru. Tayari wanasayansi walikuwa wamegundua kwamba nuru inaposafiri angani, hufanana na viwimbi vya maji katika kidimbwi. Hata hivyo, nadharia ya mawimbi haingeweza kueleza sababu inayofanya nuru ya buluu hafifu itokeze mkondo wa umeme inapogonga metali fulani, huku nuru nyekundu nyangavu ikose kufanya hivyo. Hati ya Einstein ilisaidia kueleza ile inayoitwa athari ya umeme-nuru.

Einstein alidai kwamba nyakati nyingine nuru inaweza kuonwa kuwa imefanyizwa kwa kiasi kidogo cha nguvu ambacho baadaye kiliitwa fotoni. Fotoni hizo zinapokuwa na kiasi kilekile cha nguvu au rangi, zinaweza kufanya elektroni za metali fulani zitengane na atomu zake. (Fotoni za nuru nyekundu haziwezi kufanya hivyo kwa kuwa ni hafifu sana.) Muungano huo hutokeza mkondo wa umeme katika metali. Vitu vilivyovumbuliwa karibuni kama vile neli za televisheni za kutokeza picha, betri za jua, na vifaa vya kupima nuru, vilibuniwa kulingana na maelezo ya Einstein kuhusu athari ya umeme-nuru.

Einstein alishinda Tuzo ya Nobeli ya Fizikia ya mwaka wa 1921 kwa sababu ya ufafanuzi wake kuhusu nuru. Hati yake ilichangia kuanzishwa kwa nyanja mpya ya sayansi iliyoitwa nadharia ya kwanta. Kwa sababu ya hilo, nadharia ya kwanta ikawa msingi wa kuvumbua mambo mengine mengi kutia ndani sayansi ya nyuklia, elektroniki, na nanotechnology.

Sababu Inayofanya Chavuo Zicheze Dansi

Mnamo 1905, Einstein alianza kuchunguza atomu na molekyuli. Alifafanua jinsi vitu hivyo huathiri chembe za chavuo zilizo juu ya maji. Mnamo 1827, mwanabiolojia anayeitwa Robert Brown aliangalia kwa kutumia darubini na  kutambua kwamba chembe za chavuo zinapokuwa ndani ya maji hucheza-cheza. Aliita dansi hiyo ya chavuo msogeo wa Brown, lakini hakuweza kueleza sababu iliyofanya zicheze-cheze.

Katika hati yake ya Mei 1905, Einstein alieleza jinsi molekyuli za maji zinazotikisika zilivyosababisha msogeo huo wa Brown. Alikadiria ukubwa wa molekyuli za maji na pia akaeleza kimbele jinsi atomu za molekyuli hizo zilivyo. Wanasayansi wengine walitumia maelezo yake kuwa msingi wa kufanya utafiti, na hivyo kuondoa shaka kuhusu kuwepo kwa atomu hizo. Fizikia ya kisasa hutegemea nadharia ya kwamba mata imefanyizwa kwa atomu.

Wakati Hubadilika

Nadharia ya pekee ya Einstein kuhusu uwiano, iliyochapishwa mnamo Juni 1905, ilipingana na imani ya msingi ya wanasayansi kama vile Isaac Newton, kwamba wakati haubadiliki ulimwenguni kote. Maoni yaliyotolewa na nadharia ya Einstein ambayo inakubalika leo yanaonekana kuwa ya ajabu.

Kwa mfano, wazia kwamba wewe na rafiki yako mmepatanisha saa zenu kabisa. Kisha rafiki yako anasafiri kuuzunguka ulimwengu nawe unabaki nyumbani. Atakaporudi, saa yake itakuwa nyuma kidogo tu kuliko yako. Kwa maoni yako, rafiki yako aliposafiri, wakati wake ulisonga polepole. Bila shaka, tofauti hiyo ni ndogo sana kulingana na mwendo wa kibinadamu. Hata hivyo, unapokaribia mwendo wa nuru, wakati husonga polepole sana na pia vitu huwa vidogo zaidi na uzito wao huongezeka. Nadharia ya Einstein ilisisitiza kwamba mwendo wa nuru haubadiliki ulimwenguni pote, wakati ndio hubadilika.

Kanuni ya Hesabu Iliyobadili Ulimwengu

Mnamo Septemba 1905, Einstein alichapisha hati nyingine inayoonwa kuwa nyongeza ya hati yake ya pekee kuhusu nadharia ya uwiano. Ilikuwa na kanuni ya hesabu ambayo huwakilisha mafanikio ya utafiti wake wote, yaani, E=mc². Kanuni hiyo inasema kwamba kiasi cha nishati kinachotokezwa wakati atomu inapogawanywa ni sawa na uzito unaopotezwa kwa kuzidishwa na mwendo wa nuru maradufu.

Kwa sababu ya jitihada za wanasayansi kama Einstein, wanadamu wamejifunza mengi kuhusu ulimwengu. Hata hivyo, ujuzi wa sasa wa mwanadamu ni sawa na ule unaofafanuliwa na Ayubu wa kale. Akizungumzia kazi za Muumba, alikiri hivi kwa unyenyekevu: “Tazama! Hizo ndizo kingo za njia zake, nao ni mnong’ono ulioje wa jambo lililosikiwa juu yake!”—Ayubu 26:14.

[Mchoro/Picha katika ukurasa wa 20]

(See publication)

Nuru hutenda kama viwimbi na pia kama chembechembe. Kuelewa jambo hilo kumefanya iwezekane kuwa na vifaa vya kufanyia hesabu vinavyotumia jua, na vifaa vya kunasa nuru katika kamera zinazotumia kompyuta

[Mchoro/Picha katika ukurasa wa 21]

(See publication)

Dansi ya msogeo wa Brown ilisaidia kuthibitisha kuwepo kwa atomu

[Mchoro/Picha katika ukurasa wa 21]

(Ona mpangilio kamili katika nakala iliyochapishwa)

E Nishati

= ni sawa na

m uzito

c² kuzidishi mwendo wa nuru maradufu

c² humaanisha c kuzidisha c, au kilometa 300,000 hivi kwa sekunde mara kilometa 300,000 hivi kwa sekunde

Kwa kuwa c² ni nambari kubwa sana, kiasi kidogo cha uzito kinaweza kubadilishwa na kuwa kiasi kikubwa sana cha nishati. Atomu ya urani inapogawanywa, hiyo hutokeza atomu mbili ndogo zaidi lakini pia hupoteza asilimia 0.1 hivi ya uzito wake; kiasi hicho kidogo hubadilika na kuwa nishati nyingi sana

Nishati inayotokezwa

Nusu kilo hivi ya kitu chochote ikibadilishwa kabisa kuwa nishati itakuwa sawa na:

▪ kiasi cha umeme kinachotumiwa kwa saa bilioni 11

▪ nguvu zinazohitajiwa kuendesha gari kuzunguka dunia mara 180,000

▪ nguvu zinazohitajiwa kuendesha meli kubwa zaidi ya mafuta kuzunguka dunia mara 400

▪ mahitaji ya umeme ya Marekani kwa siku moja

Kinyume chake ni kweli pia. Inachukua kiasi kikubwa sana cha nishati “kutokeza” atomu moja tu

[Picha katika ukurasa wa 21]

Kadiri unavyosonga kwa kasi, ndivyo wakati unavyosonga polepole

[Picha katika ukurasa wa 21]

Saa zilizo katika setilaiti za Mfumo wa Kupokea Habari Kutoka kwa Setilaiti (GPS) hazisongi kwa mwendo uleule na saa zilizo duniani. Bila kurekebisha saa kwa sababu ya athari za uwiano, ishara za setilaiti hizo zingekuwa bure

[Hisani ya Picha katika ukurasa wa 20]

Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; background: CERN photo, Geneva