Dete koje je postavljalo uporna pitanja
Albert Ajnštajn rođen je 1879. u Ulmu, a odrastao u Minhenu, Italiji i Švajcarskoj. Zanimali su ga kompas, geometrija i pitanje kako se priroda ponaša kada niko ne gleda. Popularna priča da je „padao iz matematike” nije tačna: matematiku je dobro znao, iako se nije uvek uklapao u školski stil rada. Studirao je u Cirihu, ali je teško nalazio univerzitetsko zaposlenje. Posao u patentnom zavodu u Bernu ostavio mu je vreme da razmišlja o problemima fizike i raspravlja sa prijateljima.
Nije radio u potpunoj izolaciji. Čitao je radove Maksvella, Bolcmana, Planka i drugih, dopisivao se i oslanjao na postojeća merenja. Dobar naučni prikaz ne pretvara saradnju u priču o čarobnom trenutku jednog čoveka. Njegova posebnost bila je sposobnost da u poznatim jednačinama uoči protivrečnost i postavi jednostavno, ali teško pitanje: šta bi različiti posmatrači zaista izmerili?
Godina 1905. i tri različita problema
U jednoj godini objavio je radove koji se obično svrstavaju među prekretnice fizike. Braunovo kretanje — nepravilno pomeranje sitnih čestica u tečnosti — objasnio je sudarima sa molekulima. To je pomoglo da se potvrdi realnost atoma u vreme kada nisu svi fizičari prihvatali atomsku sliku. U radu o fotoelektričnom efektu predložio je da svetlost prenosi energiju u pojedinačnim kvantima. Metal izbacuje elektrone tek ako svetlost ima dovoljno visoku frekvenciju, čak i ako je slabog intenziteta.
Treći skup radova bavio se kretanjem, prostorom i vremenom. Specijalna relativnost polazi od toga da su zakoni fizike jednaki u svim ravnomerno pokretnim sistemima i da svi takvi posmatrači mere istu brzinu svetlosti u vakuumu. Iz tih zahteva slede neuobičajeni zaključci o istovremenosti, dužini i trajanju. Eksperimenti su kasnije proveravali svaki od tih zaključaka, umesto da teoriju prihvate zato što je zvučala smelo.
Frank Watson Dyson / Arthur Eddington / Charles Rundle Davidson / Wikimedia Commons · Izvori ↗ · Uslovi korišćenja slike ↗
Zašto satovi ne pokazuju isto vreme?
Zamislimo voz i stanicu. Dva bleska mogu biti istovremena za osobu na peronu, a ne istovremena za putnika koji se kreće u vozu. To nije greška jednog sata, već posledica načina na koji se brzina svetlosti i udaljenosti povezuju u različitim sistemima. Pri velikim brzinama pokretni sat, viđen iz drugog sistema, teče sporije. Dužina u pravcu kretanja meri se manjom. U svakodnevnom saobraćaju efekti su premali da ih primetimo, ali kod brzih čestica postaju merljivi.
Jednačina E = mc² govori da masa predstavlja oblik energije; ne kaže da se svaki gram materije može lako i bezbedno pretvoriti u korisnu energiju. Kasnije tehnologije, od akceleratora do satelitske navigacije, zahtevaju pažljivu primenu relativističkih korekcija. Naučni smisao formule potiče iz jasno definisanih uslova, a ne iz njenog prepoznatljivog izgleda na majici.
Od ubrzanja do nove teorije gravitacije
Ajnštajn je potom želeo da obuhvati ubrzano kretanje i gravitaciju. Misao o čoveku u slobodnom padu vodila ga je ka principu ekvivalencije: lokalno, slobodan pad uklanja osećaj sopstvene težine. Uz matematičku pomoć Marcela Grosmana i radove drugih matematičara, razvio je opštu relativnost. Materija i energija utiču na geometriju , a geometrija određuje kako se tela i svetlost kreću. Zato se put svetlosti može saviti pored masivnog tela, iako foton nema mirujuću masu.
Teorija je objasnila malu nepravilnost u Merkurovoj orbiti i dala proverljiva nova predviđanja. Tokom pomračenja Sunca 1919. astronomi su fotografisali zvezde čija je svetlost prolazila blizu Sunca. Njihov prividni položaj trebalo je da bude pomeren. Rana merenja jesu bila teška i manje precizna nego današnja, ali kasnije posmatranje radio-talasa, satova i gravitacionog sočiva više puta je proverilo isti okvir.
Unknown photographer / Wikimedia Commons · Izvori ↗ · Uslovi korišćenja slike ↗
Nobelova nagrada i kvantna fizika
Ajnštajnova Nobelova nagrada za fiziku za 1921. posebno je pomenula zakon fotoelektričnog efekta. Svetlosni kvant, danas foton, nosi energiju proporcionalnu frekvenciji: E = hν. Ako je ta energija manja od energije potrebne elektronu da napusti metal, povećanje broja slabijih fotona ne rešava problem. Kada je frekvencija dovoljna, elektron izlazi, a preostala energija postaje njegova kinetička energija. Ovo objašnjenje postalo je jedan od temelja kvantne teorije.
Zanimljivo je da je čovek koji je toliko doprineo njenom nastanku kasnije osporavao neka tumačenja kvantne mehanike. Nije poricao uspešne proračune; tražio je potpunije razumevanje slučajnosti i onoga što teorija govori o prirodi. Rasprave sa Nilson Borom, kao i rad sa Podolskim i Rozenom, pokrenule su pitanja koja su kasnije postala važna za kvantne informacije.
Čovek iza simbola
Ajnštajn je svirao violinu i muziku smatrao važnim delom života. Tokom tridesetih godina napustio je Nemačku zbog nacizma i radio u Prinstonu u . Njegove javne političke i moralne izjave bile su deo biografije, ali nisu dokaz da je u svakoj oblasti bio nepogrešiv. Potpisao je pismo koje je upozorilo američkog predsednika na mogućnost nuklearnog oružja; nije bio konstruktor atomske bombe. Posle rata zalagao se za međunarodnu saradnju i kontrolu oružja.
U školskim pričama često se zamišlja usamljen, neuredan genije koji slučajno dođe do formule. Stvarnost je bogatija: mnogo čitanja, računanja, saradnje, grešaka i kritike. Ajnštajnova prva kosmološka jednačina sadržala je kosmološku konstantu, čije se tumačenje menjalo kako su stizali podaci o širenju svemira. I veliki naučnik može menjati mišljenje; upravo zato se nauka oslanja na merenja i otvorenu proveru.
Šta je ostalo posle njega?
Relativnost je nezaobilazna pri proučavanju crnih rupa, kosmologije, gravitacionih talasa i preciznih satova. Fotoelektrični efekat leži u osnovi mnogih senzora i razumevanja svetlosti i materije. Ipak, Ajnštajn nije sam „otkrio sve”: savremena fizika je kolektivni posao koji se nastavlja i danas. Opšta relativnost odlično opisuje gravitaciju u širokom rasponu uslova, ali njeno usklađivanje sa kvantnom teorijom ostaje otvoren problem.
Najkorisnija pouka za mladog čitaoca nije da svako treba da bude genije, već da sme da pita šta pojmovi zaista znače. Reč „istovremeno” deluje jednostavno dok ne pokušamo da je izmerimo za udaljene događaje. Jedno precizno pitanje može promeniti celu oblast fizike kada ga prate račun, eksperiment i spremnost na ispravku.
Pojmovi
— jedinstven matematički opis tri prostorne dimenzije i vremena.
