Einsteins bemerkelsesverdige år

EN 26 år gammel assistent på et patentkontor som het Albert Einstein, offentliggjorde i 1905 fire vitenskapelige avhandlinger som forandret vårt syn på universet — fra dets minste byggesteiner til dets største galakser. Noen av disse avhandlingene ble også springbrett for videre forskning som i løpet av de siste hundre årene har gitt oss mange oppfinnelser som har endret livet vårt dramatisk.

«Det finnes neppe noen grunnleggende oppfatning av betydning i moderne fysikk som ikke, i hvert fall i noen utstrekning, kan spores tilbake til Einstein,» sa Isidor Rabi, som fikk nobelprisen i fysikk i 1944. Hva var det egentlig Einstein oppdaget for hundre år siden?

Lysets hemmeligheter avdekkes

Den avhandlingen som Einstein offentliggjorde i mars 1905, avdekket noen sider av lysets natur. Forskere hadde allerede oppdaget at når lys beveger seg gjennom rommet, forplanter det seg som bølger, i likhet med de krusningene som kan ses på en dam. Men bølgeteorien kunne ikke forklare hvorfor svakt blått lys produserer en elektrisk strøm når det treffer bestemte metaller, mens skarpt rødt lys ikke gjør det. Einsteins utredning bidrog til å forklare denne såkalte fotoelektriske effekten.

Einstein hevdet at man i visse henseender kan tenke seg at lys består av små energipakker, som senere er blitt kalt fotoner. Når disse fotonene har riktig energinivå, eller farge, kan de frigjøre elektroner fra atomene i enkelte metaller. (Fotonene i rødt lys er for svake til å gjøre dette.) På grunn av denne effekten oppstår det en elektrisk strøm i materialet. Moderne oppfinnelser, slik som kamerarør i fjernsynskameraer, lysmålere, som fotografer bruker, og solceller ble alle konstruert i samsvar med Einsteins beskrivelse av den fotoelektriske effekten.

Einstein fikk nobelprisen i fysikk i 1921 for sin måte å forklare lys på. Hans avhandling la grunnlaget for en helt ny vitenskap, nemlig kvanteteorien, som i sin tur fikk sin anvendelse på områder som kjernefysikk, elektronikk og nanoteknologi.

Hvorfor pollen «danser»

I 1905 teoretiserte Einstein også over atomer og molekyler. Han gav en teoretisk forklaring på den innvirkning de har på pollen, eller blomsterstøv, i vann. I 1827 hadde nemlig biologen Robert Brown oppdaget i mikroskopet  sitt at pollen i vann ser ut til å bevege seg uregelmessig, som om det «danser». Han kalte denne «dansen» for brownske bevegelser, men han kunne ikke forklare fenomenet.

I den avhandlingen Einstein offentliggjorde i mai 1905, antydet han at vibrerende vannmolekyler måtte være årsak til disse bevegelsene. Han regnet ikke bare ut størrelsen på vannmolekylene, men kunne også fastslå egenskapene til de atomene de bestod av. Andre forskere bygde videre på Einsteins antagelser, og snart var det ikke lenger noen tvil om atomenes eksistens. Moderne fysikk er også basert på den oppfatning at all materie er bygd opp av atomer.

Tiden er relativ

Einsteins spesielle relativitetsteori, som ble offentliggjort i juni 1905, brøt med en grunnleggende oppfatning blant mange forskere — blant annet Isaac Newton — nemlig at tiden er konstant i hele universet. Selv om Einsteins teori nå generelt sett er akseptert, har den implikasjoner som kan virke ganske bisarre.

Forestill deg at du og en venn synkroniserer klokkene deres med pinlig nøyaktighet. Vennen din flyr så rundt jorden, mens du holder deg hjemme. Når han kommer tilbake, vil klokken hans ligge ørlite etter din klokke. For deg virker det som om tiden har gått saktere for vennen din mens han var ute og reiste. Tidsforskjellen er selvfølgelig uendelig liten i de hastigheter vi mennesker reiser i. Men når man nærmer seg lysets hastighet, vil ikke bare tiden gå betydelig saktere, men objekter vil også bli mindre mens massen deres øker. Ifølge Einsteins teori er det lysets hastighet, ikke tiden, som er konstant i hele universet.

En formel som forandret verden

I september 1905 offentliggjorde Einstein enda en avhandling, som var ment som et matematisk tillegg til hans spesielle relativitetsteori. Den inneholdt den formelen som nå er blitt selve symbolet på hans arbeid: E=mc². Denne ligningen sier at den mengde energi som blir frigjort når et atom spaltes, er like stor som den massen atomet mister, multiplisert med lysets hastighet opphøyd i annen potens.

På grunn av det arbeidet som Einstein og andre forskere utførte, har menneskene lært mye om naturen og universet. Likevel er den beskrivelsen som Job gav av menneskenes kunnskapsnivå i gammel tid, også treffende i dag. Job omtalte det som Skaperen har frambrakt, og erkjente ydmykt: «Se, dette er utkantene av hans veier, og hva annet enn en hvisking av noe høres om ham!» — Job 26: 14.

[Bilder på side 20]

(Se den trykte publikasjonen)

Lys opptrer både som bølger og som partikler. Denne oppdagelsen har gjort det mulig å lage solcelledrevne kalkulatorer og lyssensorer i digitalkameraer

[Bilder på side 21]

(Se den trykte publikasjonen)

De uregelmessige bevegelsene som kalles brownske bevegelser, bidrog til å bevise atomenes eksistens

[Oversikt/bilde på side 21]

(Se den trykte publikasjonen)

E Energi

= er lik

m masse

c² multiplisert med lysets hastighet opphøyd i annen

c² betyr c multiplisert med c, eller 300 000 kilometer pr. sekund × 300 000 kilometer pr. sekund

c2 er et kjempehøyt tall (90 000 000 000 kilometer2/sekund2), noe som innebærer at selv veldig lite masse kan frigjøre en enorm mengde energi. Når et uranatom spaltes, dannes det raskt to mindre atomer, men det mister også omtrent 0,1 prosent av sin masse. Den ørlille massen omgjøres til en enorm energiutladning

Frigitt energi

Bare ett kilo av et hvilket som helst stoff som omgjøres fullstendig til energi, tilsvarer:

▪ cirka 25 milliarder kilowattimer

▪ nok energi til å kjøre en bil 400 000 ganger rundt jorden

▪ nok energi til å føre verdens største oljetanker 900 ganger rundt jorden

▪ nok energi til å dekke hele USAs elektrisitetsbehov i to døgn

Det motsatte er også tilfellet. Det kreves enorm energi for å «materialisere» bare ett enkelt atom

[Bilde på side 21]

Jo raskere du reiser, desto saktere går tiden

[Bilde på side 21]

Ur som benyttes i det satellittbaserte posisjoneringssystemet GPS, går ikke med samme hastighet som ur på jorden. Hvis de ikke hadde vært justert for relativitetseffekten, ville GPS-signalet ha vært ubrukelig

[Bilderettigheter på side 20]

Einstein: Foto av Topical Press Agency/Getty Images; bakgrunn: Foto av CERN, Genève