"Annus mirabilis czyli rok z życia pracownika urzędu patentowego"
Marcin JAKUBOWSKI
.Albert Eintstein nie był łatwym człowiekiem, o nie! W 1900 roku po wielu perypetiach ukończył prestiżową Wyższą Szkołę Techniczną w Zurychu, ale z powodu swojej krnąbrnej natury i niechęci do wszelakich autorytetów naraził się na tyle kadrze naukowej uczelni, że nie dostał żadnego etatu pomimo kilku niezłych już dokonań naukowych. Dwa lata później udało mu się zdobyć posadę … urzędnika w biurze patentowym na etacie eksperta technicznego. Praca nie była przesadnie ekscytująca, ale dała przyszłemu laureatowi nagrody Nobla czas, by pracować nad swoimi pomysłami. Trzy lata później, w 1905 roku, Eintstein opublikował cztery artykuły, którymi zapisał się trwale w historii nauki, ale także filozofii i popkultury.
.Te cztery prace zainicjowały rewolucję w nauce, zmieniły nasze postrzeganie czasu, przestrzeni a nawet całej rzeczywistości, która nas otacza.
Marzec 1905: Światło składa się z cząstek
.Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć fizyki w XX wieku był fakt, że światło jest i falą i jednocześnie cząsteczką. Albert Einstein, dzięki swojej pracy opublikowanej w marcu 1905 roku, rozstrzygnął spór trwający już od … XVIII wieku (więcej o dualizmie światła i materii można przeczytać tutaj).
W 1905 roku, dzięki teorii fal elektromagnetycznych stworzonej przez Jamesa Maxwella, cały świat naukowy był przekonany, że światło ma charakter falowy. Jednym z najbardziej spektakularnych przejawów tej falowej natury światła jest wielokolorowa tęcza, gdzie każdy kolor to światło o troszkę innej długości fali. Teoria Maxwella nie potrafiła tylko poradzić sobie z pewnymi aspektami eksperymentów prowadzonych ze światłem, a dokładnie oddziaływaniem światła z materią. Gdyby światło było tylko falą, warstwa ozonowa nie pochłaniałaby praktycznie całego promieniowania ultrafioletowego, co bardzo utrudniłoby powstanie życia na Ziemi. Na dodatek jak wytłumaczyć, że światło odbija się od elektronów tak jak piłka od ściany? Wreszcie, dlaczego światło niebieskie niesie ze sobą więcej energii niż światło czerwone?
Einstein założył, że światło to cząstki, które przenoszą energię w postaci kwantów. Foton (bo tak nazwał te cząsteczki) światła czerwonego przenosi kwant obdarzony mniejszą energią, niż foton światła niebieskiego. Dzięki temu wiele niezrozumiałych zjawisk świata kwantowego stało się jasne, mamy dziś aparaty cyfrowe, a najsławniejszy fizyk na świecie otrzymał nagrodę Nobla.
Maj 1905: Chaos w szklance wody czyli atomy istnieją!
Ruchy Browna: tysiące zderzeń z atomami sprawia, że pyłek porusza się jak żywy. Źródło: Wikipedia
.W 1827 roku angielski botanik Robert Brown zaobserwował przez okular mikroskopu zadziwiającą właściwość pyłków w szklance wody. Te znajdowały się w ciągłym ruchu, który przypominał chaotyczny taniec, tak jakby należały do fauny, a nie flory. Nie mogły to być żywe organizmy – Brown zaobserwował podobny ruch w mających miliony lat inkluzjach kwarcowych. Czemu więc pyłki poruszały się? Botanik nie potrafił wytłumaczyć swoich obserwacji. Zrobił to prawie osiemdziesiąt lat później Albert Einstein publikując w 1905 roku artykuł o ruchach małych cząstek w cieczy. Temat wydaje się trywialny i niegodny uwagi geniusza jakim był wynalazca teorii względności, a jednak! Einstein pokazał, że tylko molekularna struktura wody jest w stanie wytłumaczyć chaotyczne ruchy zaobserwowane przez Browna. To dzięki temu, że cząsteczki H20 poruszają się ruchem chaotycznym, angielski botanik mógł zaobserwować dziwny taniec pyłków pod mikroskopem.
A zatem: materia ma strukturę atomową! Rok później artykuł na temat chaotycznych ruchów cząstek opublikował polski fizyk Marian Smoluchowski, a w 1908 roku Jean Perin potwierdził doświadczalnie hipotezę Einsteina, za co dostał nagrodę Nobla z fizyki.
Czerwiec 1905: Szczególna teoria względności
.Szczególna teoria względności powstała jako odpowiedź na dziwaczne wyniki eksperymentów: prędkość światła jak byśmy jej nie mierzyli zawsze jest taka sama: c = 300 tysięcy kilometrów na sekundę. Jest to niezależne od prędkości poruszającego się źródła światła, nie ma też znaczenia prędkość z jaką porusza się obserwator względem źródła, co jest kompletnie wbrew zdrowemu rozsądkowi.
Wyobraźmy sobie sytuację, w której dwa auta zbliżają się do siebie z prędkością 50 km/h – już każde dziecko ze szkoły podstawowej policzy, że jedno porusza się względem drugiego z prędkością 100 km/h. Gdy obydwa auta jadą z taką samą prędkością w tym samym kierunku, to ich względna prędkość jest 0 km/h. Każdy kto na autostradzie jechał za tirem, który w ślimaczym tempie wyprzedza innego tira, wie doskonale co mam na myśli. Intuicyjnie oczekiwalibyśmy, że tak samo dzieje się w przypadku światła.
Niezależnie od tego jak będzie poruszał się Albert Einstein – względna prędkość światła będzie wynosiła 300 000 km/s. Ilustracja: WcN/Marcin Jakubowski
.Otóż nie! Gdybyśmy wsiedli w najszybszą rakietę i oddalali się od Słońca z prędkością 1000 km/h, prędkość światła względem naszej rakiety byłaby 300 tysięcy kilometrów na sekundę. W drodze powrotnej, zbliżając się do Słońca z prędkością 1000 km/h, mierząc prędkość światła względem rakiety stwierdzilibyśmy, że nasze działania nie zrobiły żadnego wrażenia na promieniach świetlnych – względna prędkość światła dalej byłaby 300 tys. km/s!
Coś jest nie tak? Oczywiście, zawodzi nasze intuicyjne postrzeganie świata. Czas i przestrzeń są względne. I to właśnie odkrył pracownik urzędu patentowego w Zurychu – zmieniając całkowicie paradygmat rzeczywistości. Nowa teoria, nazwana teorią względności, postulowała, że prawa fizyki są takie same dla wszystkich swobodnie poruszających się obserwatorów. Światło ma zawsze taką samą prędkość, niezależnie od ruchu obserwatora. To czas i przestrzeń są względne, a każdy z obserwatorów ma swoją własną miarę czasu.
Wrzesień 1905: E = mc2
.Z teorii względności wynika jedna z najbardziej znanych równoważności ze świata fizyki. Energia i masa są ze sobą ściśle związane, co wyraża słynne równanie Alberta Einsteina E = mc opublikowane w trzecim z artykułów, które ukazały się w 1905 roku. Równanie równie popularne, jak zdjęcie Einsteina z wywalonym językiem, stawia znak równości pomiędzy energią (E) a masą (m) przemnożoną przez prędkość światła do kwadratu (c2).
Z tak niepozornego równania możemy wyprowadzić zasadę działania bomby atomowej, reaktora termojądrowego, ale też pokazać, że jakiekolwiek ciało obdarzone masą nigdy nie będzie poruszało się z prędkością światła w próżni. Dzieje się tak, gdyż wraz z rosnącą prędkością danego ciała coraz większy jest wkład energii w jego masę. Przy prędkościach zbliżonych do c, wkład energii jest już tak ogromny, że masa wzrasta wielokrotnie. A przecież im większa masa obiektu, tym więcej energii trzeba włożyć, żeby zwiększyć jego prędkość. Ciało rozpędzone do prędkości światła miałoby masę nieskończenie wielką. Dlatego, tylko fotony światła – nieobdarzone masą spoczynkową – mogą osiągnąć prędkość c = 299792458 m/s.
Słynne mc2 po raz pierwszy napisał Einstein w 1905 roku. Źródło: Wikipedia
.Czy w takim razie z masy można uzyskać energię? Oczywiście, a najlepszym tego dowodem jest synteza termojądrowa, która zasila nasze Słońce, a w przyszłości pomoże stworzyć praktycznie niewyczerpywalne źródło energii – elektrownię termojądrową zasilaną wodą morską i skałami litu. Deuter i tryt, dwa izotopy wodoru, zderzając się ze sobą mogą, dzięki reakcjom jądrowym, złączyć się w całość i stworzyć jądro innego pierwiastka – helu. Nowe jądro jest minimalne lżejsze, a energia która się wyzwala dzięki temu jest na tyle duża, że wykorzystuje się ją do napędzania reaktora termojądrowego.
Annus mirabilis
.Aż trudno uwierzyć, że 26-latek w ciągu zaledwie jednego roku opublikował cztery prace, które tak wstrząsnęły naszym rozumieniem świata. Pracownik urzędu patentowego w Zurychu zrewolucjonizował fizykę zarówno w skali atomowej jaki i tej kosmicznej. Położył podwaliny pod mechanikę kwantową i ogólną teorię względności. Sprawił, że filozofowie, naukowcy, pisarze i wszyscy ludzie rozumu na nowo musieli stworzyć paradygmaty naszej rzeczywistości. Przez resztę swojego życia Einstein starał się pogodzić te dwa światy: kwantowy i kosmiczny, niestety, bezskutecznie.
To nie pierwszy przypadek, że w tak młodym wieku dokonuje się rewolucji w nauce. Isaak Newton swoje teorie zaczął tworzyć w wieku 23 lat, a Darwin wyruszył na pięcioletni rejs, podczas którego stworzył teorię naturalnej selekcji, w wieku 22 lat.
.To młode umysły dokonują rewolucji, bo nie są jeszcze w pełni wtłoczone w paradygmaty nauki. Niestety, obecni studenci polskich uniwersytetów, zamiast dokonywać rewolucji w nauce, piszą prace magisterskie, które pokryte grubą warstwą kurzu nie interesują nikogo, często nawet ich promotora. Jesteśmy bez szans, abyśmy doczekali się kogoś na miarę Alberta Einsteina.
Marcin Jakubowski
