Einsteinov mimoriadny rok

V ROKU 1905 vydal 26-ročný zamestnanec patentového úradu Albert Einstein štyri vedecké články, ktoré zmenili náš pohľad na vesmír — od jeho najmenších stavebných prvkov až po najväčšie galaxie. Niektoré tieto články otvorili cestu mnohým vynálezom, ktoré za posledných sto rokov zmenili život človeka.

„V súčasnej fyzike ťažko nájdete nejakú fundamentálnu ideu, ktorá by aspoň čiastočne nesúvisela s Einsteinom,“ povedal laureát Nobelovej ceny za fyziku Isidor Rabi. Čo presne objavil Einstein pred sto rokmi?

Odhaľovanie tajomstiev svetla

V marci 1905 Einstein publikoval článok, ktorý odhalil niektoré tajomstvá podstaty svetla. Už predtým vedci zistili, že svetlo sa pri prechode priestorom správa podobne ako vlny na hladine rybníka. Ale táto vlnová teória nedokázala vysvetliť, prečo matné modré svetlo pri dopade na určité kovy vytvára elektrický prúd, kým jasné červené svetlo to nedokáže. Einstein vo svojej vedeckej práci vysvetlil tento takzvaný fotoelektrický jav.

Einstein tvrdil, že svetlo sa niekedy správa, ako keby sa skladalo z malých balíkov energie, ktoré boli neskôr nazvané fotóny. Keď majú tieto fotóny dostatočnú energiu, čiže správnu farbu, dokážu vyraziť elektróny z atómov niektorých kovov. (Fotóny červeného svetla na to nemajú dostatok energie.) Toto vzájomné pôsobenie vedie k tomu, že kovom tečie elektrický prúd. Mnohé moderné vynálezy, napríklad snímacie elektrónky televíznych kamier, solárne články a expozimetre, sú založené na Einsteinovom opise fotoelektrického javu.

V roku 1921 dostal Einstein za vysvetlenie podstaty svetla Nobelovu cenu za fyziku. Jeho vedecký článok prispel k vzniku nového vedného odboru nazvaného kvantová teória. Tá zase položila základy jadrovej vedy, elektroniky, nanotechnológie a mnohých iných oblastí.

Prečo peľ tancuje

V roku 1905 sa Einstein začal venovať aj atómom a molekulám. Podal teoretické vysvetlenie ich pôsobenia na zrnká peľu vo vode. V roku 1827 si biológ Robert Brown pod mikroskopom  všimol, že peľové zrnká sa vo vode chaoticky pohybujú. Tento „tanec“ nazval Brownov pohyb, ale nedokázal vysvetliť jeho príčinu.

V máji 1905 Einstein vo svojej práci vysvetlil, že Brownov pohyb spôsobujú vibrujúce molekuly vody. Nielenže vypočítal ich veľkosť, ale aj predpokladal konkrétne vlastnosti ich atómov. Ďalší vedci na týchto predpokladoch stavali a rozptýlili akékoľvek pochybnosti o existencii atómov. Myšlienka, že hmota sa skladá z atómov, je základom modernej fyziky.

Čas je relatívny

V júni 1905 Einstein uverejnil špeciálnu teóriu relativity, ktorá protirečila základnému názoru vedcov, ako bol Isaac Newton — že čas je v celom vesmíre konštantnou veličinou. Dôsledky tejto Einsteinovej teórie, ktorá je dnes už všeobecne prijímaná, sa javia ako dosť zvláštne.

Predstavte si napríklad, že si s priateľom presne zosynchronizujete hodinky. Priateľ potom obletí zemeguľu, zatiaľ čo vy zostanete doma. Keď sa vráti, jeho hodinky budú v porovnaní s vašimi trochu meškať. Z vášho pohľadu sa čas pre cestujúceho priateľa spomalil. Samozrejme, pri rýchlostiach, aké sú ľudia schopní dosiahnuť, je rozdiel v čase veľmi malý. No pri rýchlosti blížiacej sa rýchlosti svetla sa nielenže podstatne spomaľuje čas, ale aj predmety sa zmenšujú a ich hmotnosť rastie. Podľa Einsteinovej teórie relativity je v celom vesmíre konštantná rýchlosť svetla, nie čas.

Vzorec, ktorý zmenil svet

V septembri 1905 Einstein publikoval ďalšiu prácu, ktorú možno považovať za akýsi matematický dodatok k jeho špeciálnej teórii relativity. Obsahovala vzorec, ktorý sa stal synonymom jeho práce: E = mc². Podľa tejto rovnice sa množstvo energie uvoľnenej pri štiepení atómu rovná hmotnosti, ktorú pri tom atóm stratí, vynásobenej rýchlosťou svetla na druhú.

Vďaka úsiliu takých vedcov, ako bol Einstein, sa ľudstvo veľa dozvedelo o podstate vesmíru. No aj napriek tomu súčasné ľudské poznanie je na tom podobne, ako opísal Jób žijúci v staroveku. Keď hovoril o Stvoriteľových dielach, pokorne uznal: „Hľa, toto sú len okraje jeho ciest, a aký šepot veci je o ňom počuť!“ — Jób 26:14.

[Nákres/obrázky na strane 20]

(Pozri publikáciu)

Svetlo má vlastnosti vlnenia i častíc. Pochopenie tejto skutočnosti viedlo k vývoju kalkulačiek na solárne články a snímačov používaných v digitálnych fotoaparátoch

[Nákres/obrázky na strane 21]

(Pozri publikáciu)

Brownov pohyb pomohol dokázať existenciu atómov

[Nákres/obrázky na strane 21]

(Úplný, upravený text — pozri publikáciu)

E Energia

= sa rovná

m hmotnosť

c² krát rýchlosť svetla na druhú

c² znamená c krát c, čiže 299 792 458 metrov za sekundu × 299 792 458 metrov za sekundu

Keďže c² je neuveriteľne veľké číslo (89 875 517 873 681 764 m²/s²), malé množstvo hmoty možno premeniť na obrovské množstvo energie. Pri štiepení atómu uránu rýchlo vzniknú dva menšie atómy, ale dochádza aj k strate 0,1 percenta hmoty pôvodného atómu; toto malé množstvo hmoty sa mení na obrovské množstvo uvoľnenej energie

uvoľnená energia

Z jedného kilogramu akejkoľvek hmoty sa pri úplnej premene uvoľní energia:

▪ pomocou ktorej by sa dala vykonať práca zodpovedajúca približne 25 miliardám kilowatthodín

▪ s ktorou by auto mohlo prejsť 400 000-krát okolo sveta

▪ s ktorou by najväčší ropný tanker oboplával zem 900-krát

▪ ktorá uspokojí dvojdňovú spotrebu elektrickej energie v Spojených štátoch

Platí aj opačný proces. Na „zhmotnenie“ jedného atómu je potrebné obrovské množstvo energie

[Obrázky na strane 21]

Čím rýchlejšie cestujete, tým pomalšie plynie čas

[Obrázok na strane 21]

Hodiny na satelitoch globálneho polohového systému (GPS) netikajú rovnakou rýchlosťou ako hodiny na Zemi. Ak by sa tento účinok relativity neupravoval, signál GPS by bol nepoužiteľný

[Pramene ilustrácií na strane 20]

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