У 1905 році Альберт Ейнштейн працював експертом патентного бюро. Він мав на той час усього 26 років, але це не завадило йому опублікувати чотири наукові статті, які змінили наше уявлення про Всесвіт – від найдрібніших частинок до величезних галактик. Під впливом ідей, що були викладені у цих статтях, у минулому столітті було зроблено цілий ряд винаходів, які змінили наше життя.
“Навряд чи в сучасній фізиці можна знайти ідеї, які б хоча б частково, не корінилися на працях Ейнштейна”, – так оцінив його відкриття лауреат Нобелівської премії по фізиці Ізідор Рабі. Так які саме відкриття зробив Ейнштейн того далекого і, з іншого боку такого близького, 1905-го року?
ЩО ТАКЕ СВІТЛО
У березні 1905 року побачила світ стаття Ейнштейна, в якій він глибше розкрив природу світла. До того часу учені вже довели, що світло розповсюджується подібно хвилям на поверхні води. Але у рамках хвильової теорії не вдавалося пояснити одну з особливостей фізичного явища, названого фотоефектом. Чому в деяких металах при дії на них навіть слабкого ультрафіолетового випромінювання виникає електричний струм, у той час, як при дії навіть потужного інфрачервоного — ні. Цю особливість і пояснив Ейнштейн.
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.
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.
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.
E (енергія) = дорівнює m (маса) помножена на c² (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.
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).