Винятковий рік у житті Ейнштейна

У 1905 році 26-річний експерт патентного бюро Альберт Ейнштейн опублікував чотири наукових праці, які перевернули уявлення про світ. З того часу люди по-іншому почали дивитись як на найдрібніші частинки матерії, так і на величезні галактики. Деякі його висновки лягли в основу багатьох винаходів, що за останні сто років змінили життя людства.

«Навряд чи в сучасній фізиці існує хоча б одне фундаментальне положення, котре якоюсь мірою не було б пов’язане з відкриттями Ейнштейна»,— сказав Нобелівський лауреат Ізідор Рабі. Що ж саме зробив Ейнштейн рівно сто років тому?

Розкриття таємниць світла

Ейнштейнова праця, опублікована в березні 1905 року, розкрила деякі таємниці природи світла. На той час учені вже знали, що світло, переміщаючись у просторі, поводиться подібно до бриж на поверхні води. Однак хвильова теорія не була спроможна пояснити, чому в деяких металах при дії на них ультрафіолетового випромінювання виникає електричний струм, а при дії інфрачервоного — ні. Праця Ейнштейна допомогла пояснити це явище, яке назвали фотоефектом.

Ейнштейн доводив, що світло іноді можна розглядати як маленькі порції енергії, які пізніше назвали фотонами. Коли фотони несуть достатньо енергії, тобто мають відповідну частоту коливань (колір), вони можуть виривати електрони з атомів деяких металів (фотони інфрачервоного світла не мають такої енергії). Ця взаємодія призводить до того, що через метал проходить електричний струм. Деякі сучасні прилади, як-от трубки телекамер, елементи сонячних батарей та експонометри, були створені завдяки Ейнштейновому поясненню фотоефекту.

У 1921 році за пояснення природи світла Ейнштейну присудили Нобелівську премію з фізики. Його праця уможливила створення нової теорії, яку назвали квантовою. Своєю чергою квантова теорія лягла в основу ядерної фізики, електроніки і нанотехнології.

Чому рухаються частинки

У 1905 році Ейнштейн звернувся також до вивчення атомів і молекул. Він знайшов теоретичне пояснення поведінки завислих у воді частинок  речовини. Хаотичне переміщення у воді цих крихітних частинок описав 1827 року біолог Роберт Броун, коли побачив їх під мікроскопом. Він назвав такий рух броунівським рухом, проте не міг його пояснити.

У травні 1905 року Ейнштейн пояснив, чому молекули води, що перебувають у безперервному русі, спричиняються до броунівського руху. Він не тільки обчислив розміри молекул води, але й передбачив властивості атомів. Інші вчені згодом розвинули його висновки, а це у свою чергу дало змогу усунути сумніви щодо існування атомів. Отож в основі сучасної фізики лежить постулат, що вся матерія складається з атомів.

Час відносний

Спеціальна теорія відносності була сформульована Ейнштейном у червні 1905 року. Вона суперечила основним уявленням учених, наприклад Ісаака Ньютона, про те, що плин часу постійний у будь-якій точці Всесвіту. Висновки тепер загальноприйнятої теорії Ейнштейна можуть здатися досить дивними.

Уявіть собі, що ви і ваш друг абсолютно точно синхронізували свої годинники. Потім ваш друг вирушив у навколосвітню подорож, а ви залишились удома. Коли він повернувся, його годинник трохи відставав від вашого. З вашого погляду, час для вашого друга сповільнився. Звичайно, ми не помічаємо такої різниці в часі. Однак при наближенні до швидкості світла плин часу значно сповільнюється, предмети в просторі стають меншими, а їхня маса збільшується. За теорією Ейнштейна, постійною величною є не час, а швидкість світла.

Формула, яка змінила світ

У вересні 1905 року Ейнштейн опублікував ще одну свою працю, яку називають математичною приміткою до його спеціальної теорії відносності. У ній містилася формула, яка тепер стала символом його праці: E=mc². Згідно з цим рівнянням, кількість енергії, яка вивільняється з атома при його поділі, еквівалентна втраті його маси помноженій на квадрат швидкості світла.

Завдяки зусиллям таких учених, як Ейнштейн, люди поглибили знання про будову світу. А втім, і сьогодні актуальні слова, сказані в стародавні часи Йовом. Говорячи про створений Богом світ, він скромно визнав: «Це все — самі кінці дороги Його,— бо ми тільки слабке шепотіння чували про Нього» (Йова 26:14).

[Схема/Ілюстрації на сторінці 20]

(Дивіться публікацію)

Світло поводиться і як хвиля, і як потік частинок. Розуміння цього уможливило створення сонячних калькуляторів і світлочутливих елементів у цифрових фотоапаратах.

[Схема/Ілюстрації на сторінці 21]

(Дивіться публікацію)

Хаотичний броунівський рух допоміг довести існування атомів.

[Схема/Ілюстрації на сторінці 21]

(Повністю форматований текст дивіться в публікації)

E Енергія

= дорівнює

m маса

c² помножена на швидкість світла в квадраті

c² означає c помножити на c, тобто 300 000 кілометрів за секунду помножити на 300 000 кілометрів за секунду.

Оскільки c² — надзвичайно велике число (9×10¹⁶ m²/c²), то незначна маса може бути перетворена на грандіозну кількість енергії. При поділі атом урану легко розпадається на два менших атоми і втрачає 0,1 відсотка своєї маси. Ця мізерна маса перетворюється на величезну кількість енергії.

Вивільнена енергія

З одного кілограма будь-якої речовини можна одержати таку кількість енергії, яка дозволить

▪ одержати приблизно 25 мільярдів кіловат-годин;

▪ об’їхати на машині 400 000 разів навколо Землі;

▪ обігнути Землю на супертанкері 900 разів;

▪ забезпечити потребу США в електроенергії на два дні.

І навпаки, величезна кількість енергії потрібна, щоб утворився тільки один атом.

[Ілюстрація на сторінці 21]

Що швидше ви подорожуєте, то повільніше йде час.

[Ілюстрація на сторінці 21]

Годинники на супутниках глобальної системи позиціонування (GPS) йдуть з іншою швидкістю, ніж годинники на землі. Якщо не враховувати цієї різниці, сигнали GPS були б непридатними для використання.

[Відомості про ілюстрації, сторінка 20]

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