Einsteinin ihmevuosi

VUONNA 1905 patenttiviraston 26-vuotias virkamies Albert Einstein julkaisi neljä tutkimusta, jotka muuttivat ihmiskunnan näkemyksen maailmankaikkeudesta, sen pienimmistä rakennuspalasista kaikkein suurimpiin galakseihin. Osa tutkimuksista antoi myös kimmokkeen monille keksinnöille, jotka ovat muuttaneet elämää kuluneiden sadan vuoden aikana.

”Modernin fysiikan alalla on tuskin yhtään tärkeää perusajatusta, joka ei juontuisi ainakin osaksi Einsteinista”, sanoi Nobelin fysiikanpalkinnon saanut Isidor Rabi. Mitä Einstein keksi sata vuotta sitten?

Valon salaisuudet ratkeavat

Einsteinin maaliskuussa 1905 julkaisema tutkimus selvitti valon luonteeseen liittyneitä salaisuuksia. Tiedemiehet olivat jo havainneet, että tyhjässä tilassa etenevä valo näyttää käyttäytyvän pitkälti samalla tavoin kuin lammen pinnassa kulkevat laineet. Aaltoteoria ei kuitenkaan selittänyt, miksi sinertävä valo synnyttää sähkövirran osuessaan tiettyihin metalleihin, kun taas punaisella valolla ei ole sellaista vaikutusta. Einsteinin tutkimus selitti tämän niin sanotun valosähköisen ilmiön.

Einstein esitti, että valon voidaan toisinaan ajatella koostuvan pienistä energiapaketeista, joille sittemmin annettiin nimeksi fotonit eli valohiukkaset. Kun fotoneissa on riittävästi energiaa – eli kun valo on oikean väristä – ne voivat irrottaa elektroneja eräiden metallien atomeista. (Punaisen valon fotonit ovat liian heikkoja saadakseen tämän aikaan.) Vuorovaikutus synnyttää aineessa sähkövirran. Monet nykyajan keksinnöt, kuten television kameraputket, aurinkokennot ja valotusmittarit, perustuvat Einsteinin kuvailemaan valosähköiseen ilmiöön.

Einstein sai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1921 ansioistaan valon selittämisessä. Hänen tutkimuksensa valmisti tietä uudelle tieteenhaaralle nimeltä kvanttifysiikka. Siitä puolestaan erkaantui lukuisia muita tutkimusaloja, kuten ydinfysiikka, elektroniikka ja nanotekniikka.

Selitys siitepölyhiukkasten poukkoiluun

Vuonna 1905 Einstein kohdisti huomionsa myös atomeihin ja molekyyleihin. Hän esitti teoreettisen selityksen sille, miten ne vaikuttavat vedessä oleviin siitepölyhiukkasiin. Biologi Robert Brown oli vuonna 1827 tutkinut  siitepölyhiukkasia mikroskoopilla ja havainnut, että ne sinkoilivat vedessä sinne tänne. Hän antoi poukkoilulle nimeksi Brownin liike, mutta ei osannut selittää sen syitä.

Toukokuussa 1905 julkaisemassaan tutkimuksessa Einstein arveli, että Brownin liike johtui vesimolekyylien törmäilystä siitepölyhiukkasiin. Hän laski noiden molekyylien koon ja ennusti vielä lisäksi niiden atomien erityisominaisuudet. Toiset tiedemiehet jatkoivat tutkimusta noiden oletusten pohjalta, ja näin hälvenivät atomien olemassaoloa koskevat epäilyt. Moderni fysiikka perustuu siihen käsitykseen, että aine koostuu atomeista.

Aika on suhteellista

Einsteinin erityinen eli suppea suhteellisuusteoria julkaistiin kesäkuussa 1905. Se soti sitä Isaac Newtonin ja muiden tiedemiesten omaksumaa perusajatusta vastaan, että aika olisi vakio kaikkialla maailmankaikkeudessa. Einsteinin teorialla, joka nykyään hyväksytään yleisesti, on varsin erikoisia seurauksia.

Kuvitellaanpa, että sinä ja ystäväsi panette kellonne täsmälleen samaan aikaan. Sitten ystäväsi lentää maapallon ympäri ja sinä pysyt kotona. Kun hän palaa, hänen kellonsa on hitusen jäljessä siitä ajasta, jota sinun kellosi näyttää. Sinun näkökulmastasi aika hidastui matkustavalla ystävälläsi. Ero on tietysti äärettömän pieni ihmisten saavuttamilla nopeuksilla, mutta kun lähestytään valon nopeutta, aika hidastuu merkittävästi ja lisäksi kappaleet kutistuvat ja niiden massa kasvaa. Einsteinin teorian mukaan ajan sijasta valon nopeus on vakio kautta maailmankaikkeuden.

Yhtälö joka muutti maailman

Syyskuussa 1905 Einstein julkaisi vielä yhden tutkimuksen, joka oli suppean suhteellisuusteorian matemaattinen täydennys. Se sisälsi kaavan, jota nykyään pidetään hänen työnsä symbolina: E = mc². Yhtälö kertoo, että kun atomi hajoaa, vapautuva energiamäärä on yhtä suuri kuin sen menettämä massa kerrottuna valon nopeuden neliöllä.

Einsteinin ja muiden tiedemiesten työn ansiosta olemme saaneet paljon tietoa maailmankaikkeuden luonteesta. Siitä huolimatta ihmisen tietämys on nykyään yhä pohjimmiltaan samalla tasolla kuin muinoin eläneen Jobin aikoina. Kuvaillessaan Luojan kätten töitä hän tunnusti nöyrästi: ”Katso! Nämä ovat hänen teittensä laitoja, ja mitä muuta kuin kuiskaus jostakin onkaan hänestä kuultu!” (Job 26:14.)

[Kaavio/Kuvat s. 20]

(Ks. painettu julkaisu)

Valo käyttäytyy sekä aaltojen että hiukkasten tavoin. Tähän havaintoon perustuvat valokennolaskimet ja digitaalikameroiden valoanturit

[Kaavio/Kuvat s. 21]

(Ks. painettu julkaisu)

Brownin liikkeen avulla todistettiin atomien olemassaolo

[Kaavio/Kuvat s. 21]

(Ks. painettu julkaisu)

E Energia

= on yhtä kuin

m massa

c² kertaa valon nopeuden neliö

c² merkitsee c kertaa c eli 299792458 metriä sekunnissa kertaa 299792458 metriä sekunnissa

Koska c² on äärettömän suuri luku (lähes 90 x 10¹⁵ m/s), pienikin massa voi muuttua valtavaksi määräksi energiaa. Kun uraaniatomi puoliintuu, se muuttuu nopeasti kahdeksi pienemmäksi atomiksi mutta menettää samalla noin 0,1 prosenttia massastaan. Tämä vähäinen massa muuttuu suunnattomaksi määräksi energiaa

Energiaa vapautuu

Jos kilo mitä tahansa ainetta muutetaan kokonaan energiaksi, syntyvä energia vastaa seuraavia energiamääriä:

▪ noin 25 miljardia kilowattituntia

▪ voima jolla auto kiertää maapallon 400000 kertaa

▪ voima jolla maailman suurin öljytankkeri kiertää maapallon 900 kertaa

▪ Yhdysvaltojen sähköenergiantarve kahdessa päivässä

Sama pätee myös toisinpäin. Yhden ainoan atomin syntymiseen tarvitaan suunnaton määrä energiaa

[Kuvat s. 21]

Mitä suurempi nopeus, sitä hitaammin aika kuluu

[Kuva s. 21]

GPS-paikannussatelliittien kellot eivät käy samaa tahtia kuin maan päällä olevat kellot. Ellei tätä suhteellisuudesta johtuvaa ilmiötä korjattaisi, GPS-signaali olisi hyödytön

[Kuvien lähdemerkinnät s. 20]

Einstein: Topical Press Agency/Getty Images; tausta: CERN photo, Geneva