Einstein kettős évfordulója és öt fantasztikus tanulmánya

Öt rendkívül fontos tanulmányának a közzététele nyomán nevezték el 1905-öt „csodálatos évnek” a nemzetközi fizikában, és a tudományág képviselői idén kicsit magukat is ünneplik Einstein révén. Igyekeznek a fizika látványos eredményeire ráirányítani a figyelmet. Joggal tehetik ezt, hiszen az akkor – 1905-ben – mindössze 26 éves Einstein eredményei máig hatnak, egy évszázad távlatában is frissnek mondhatók. Ebben az évben olyan munkákat tett közzé a híres tudós, amelyek az atombomba, a hidrogénbomba, az atomreaktorok működését tették lehetővé, továbbá a fekete lyukak, az ősrobbanás, a fény tulajdonságainak vizsgálatát segítették elő, valamint az atomok létezését is igazolták közvetve.

Einstein csodálatos éve

De nézzük, miről is szólt az az öt híres tanulmány, amely megváltoztatta a fizika arculatát, és amely egy új korszak határát is jelezte a természettudományokban.

1905. március: A hagyományos fizika a fényt hullámként írta le, és ezért nem tudta igazán megmagyarázni azt, hogy miként képes elektronokat fémekről leszakítani ez a „hullám”. Einstein megmutatta, hogy a fény kicsiny energiacsomagokból áll, amelyek képesek egyedi részecskékként is viselkedni. Ezeket a kicsiny részecskéket ma fotonoknak hívjuk. A részecske-hullám kettősség a modern kvantumelmélet alapja, ám Einstein sokáig húzódzkodott ettől az elmélettől, és saját teóriáját fényelektromos hatásként írta le. Kevesen tudják, hogy Einstein nem a relativitáselméletért, hanem a fotoelektromos jelenség leírásáért kapott Nobel-díjat 1921-ben.

Április: Egy kávézás közbeni beszélgetés során (a téma a tea volt), Einstein benyújtja dolgozatát, amelyben a cukormolekulák méretét annak alapján számítja ki, hogy mennyire keverednek (diffundálnak) a folyadékban.

Május: Einstein bebizonyítja, hogy jóllehet a kis részecskék – mint például a pollen – mintha függetlenül mozognának a vízben, ám ez nem így van, hanem a vízben lévő atomok (pontosabban molekulák) lökdösik ezeket a részecskéket, méghozzá kaotikus, rendezetlen mozgásukkal. E mozgást egyébként Brown-mozgásnak hívják, és ezzel a számítással Einstein az atomok létezésére irányította rá a figyelmet.

Június: Megjelenik Einstein egyik leghíresebb munkája, a „speciális relativitásról” szóló teória. Einstein ezáltal szakít a hagyományos fizikával. Newton még úgy tartotta, hogy a gravitáció abszolút: a tömeg vonzza a tömeget. Ezért keletkeznek gázokból és porból a csillagok, és ezért keletkeznek más törmelékekből bolygók. Einstein azonban a normálistól (Newton elméletétől) eltérő anomáliákat is képes volt megmagyarázni: a tudósok addig azt hitték, hogy a fény csak egy a sokféle elektromágneses hullám közül, amely egy láthatatlan közegen keresztül halad. Ezt a láthatatlan anyagot éternek nevezték, és úgy vélték, a fény sebessége mindig ugyanakkora. Einstein szerint a fény sebessége konstans, azaz állandó, mintegy 300 ezer kilométer másodpercenként. Einstein elméletéből adódik, hogy az idő például a mozgó tárgyakon lelassul, minél gyorsabban mozog a tágy, annál inkább. Így például a Föld körül keringő műholdak órái kicsit lassabban járnak, mint a mieink itt a bolygón. Éppen ezért speciális programok módosítják a szatellitek időmérő szerkezeteit, hogy egyeztessék a földi idővel azokat.

November: Einstein publikálja a speciális relativitás kiterjesztéséről szóló tanulmányát, amely a tömeg és az energia viszonyáról szól. 1907-ben aztán megfogalmazza híres képletét is, amely kimondja: E=mc2. Ez tehát a tömeg és az energia ekvivalenciájáról szól, arról, hogy a tömeg energiává alakítható át. Ez a későbbi atom- és a hidrogénbomba vagy éppen az atomreaktorok működésének a fizikai alapja. Ha ugyanis az elemi részecskék vagy az atom(mag)ok tömeget veszítenek, akkor ez a tömeg energia formájában jelenik meg. A Teller Ede, illetve a szovjet-orosz Szaharov által kifejlesztett hidrogénbombában például a négy egyesülő hidrogén atom (kissé leegyszerűsítve, hiszen a bombában deutériumot, illetve tríciumot is használnak) tömege nagyobb, mint a szintén négy részecskéből álló, a hidrogén atommagokból keletkező hélium atom magja. A tömegkülönbség energia formájában sugárzódik ki. Ez a jelenség az alapja a Nap működésének is egyébként, ahogyan ezt később Weizsäcker és Bethe bebizonyította. Einstein bizonyította tehát először, hogy a tömeg energiává alakítható át.

És ez még csak az előjáték volt!

Az 1905-ös munkák valóban egy csodálatos év termékei voltak, ám ezek mégiscsak előjátéknak számítanak Einstein későbbi, 1916-os, szintén hatalmas tudományos teljesítményéhez képest, amikor is kidolgozza az általános relativitás elméletét. A speciális relativitáselmélet ugyanis nem számolt a gravitációval. Newton szerint a gravitáció egy konstans, abszolút erő: ha leejtesz egy almát, akkor lehull a földre. A bolygók pedig ellipszis alakú pályán keringenek a Nap körül, mert gravitáció hat a planétákra.

Einstein relatív világában azonban az anyag meggörbíti a teret és az időt is maga körül, s például a Nap is eltéríti a tér-idő szerkezetét, ezért keringenek körülötte a bolygók. Így még a rendkívül kicsiny részecskékre, vagyis a fény alkotóelemeire is képes hatni a Nap. 1919-ben a csillagászok aztán meg is figyelték, hogy egy távoli csillag fényét pár századmilliméterrel képes volt a mi Napunk eltéríteni, ami a relativitáselmélet kísérleti bizonyítékának is tekinthető.

Az általános relativitáselmélet volt az a teória, amely megteremtette a fekete lyukak, az univerzum tágulása és a Big Bang, vagyis az ősrobbanás kutatásának alapjait.

Einstein pályafutása Albert Einstein két országban tanult, négy országban tanított, három ország állampolgára volt és egy negyediknek a köztársasági elnöke is lehetett volna. Róla elmondhatjuk, hogy igazi világpolgár volt. 1879. március 14-én született a németországi Ulmban. Hat héttel később a családja Münchenbe költözött, és a kis Albert itt járt a Luitpold Gimnáziumba. Nem sokkal ezután tovább vándoroltak Olaszországba, de Albert Svájcban, Aarauban folytatta tanulmányait. 1896-ban iratkozott be a svájci szövetségi műszaki főiskolára (ETH). Mindez már Zürichben történt, ahol így tehát matematikát és fizikát hallgatott – méghozzá tanári szakon. 1901-ben – diplomaszerzésének esztendejében – megkapta a svájci állampolgárságot, és minthogy képtelen volt tanári állást szerezni, a svájci szabadalmi hivatalban helyezkedett el. 1905-ben szerezte meg doktori fokozatát. A hivatalban nagyon sok szabadideje maradt, ekkoriban dolgozta ki legfontosabb tanulmányainak jelentős részét. 1908-ban magándocensnek nevezték ki Bernben. 1909-ben rendkívüli professzori állást kapott Zürichben, majd 1911-ben az elméleti fizika professzora lett Prágában. A következő évben visszatért Svájcba, Zürichbe, ahol hasonló posztra nevezték ki. 1914-ben a Vilmos Császár Fizikai Intézet igazgatója lett, és egyúttal a berlini egyetem professzori tisztét is megkapta. Ugyanebben az évben a német állampolgárságot is megszerezte. Berlinben 1933-ig maradt, ahonnan a nácik elleni tiltakozásul lemondott német állampolgárságáról és kivándorolt Amerikába. Itt a Princeton Egyetem elméleti fizika professzora lett. 1940-ben kapta meg az amerikai állampolgárságot, majd posztjáról 1945-ben vonult vissza. A második világháború után vezető alakja lett a „World Government Movement”-nek, vagyis a Világkormányzati Mozgalomnak. Ekkoriban ajánlották fel neki, hogy vállalja el Izrael állam elnöki posztját, ám ezt visszautasította a híres tudós. Ugyanakkor együttműködött Dr. Chaim Weizmann-nal, a jeruzsálemi Héber Egyetem felállításában. Albert Einstein szinte megszámlálhatatlan tudományos kitüntetést és elismerést kapott. A nevesebb egyetemeken díszdoktorrá avatták, a világ legnagyobb akadémiái tiszteletbeli, levelező vagy rendes tagjukká választották. Kitüntetései között a legnagyobb presztízsű az 1921-es Nobel-díj. Ezt azonban nem a relativitáselméletért, hanem a fényelektromos jelenség tisztázásáért kapta. Elnyerte mindemellett a londoni Royal Society Copley-érmét 1925-ben és a Franklin Intézet Franklin-érmét 1935-ben. Einstein 1903-ban vette feleségül Mileva Maric-ot, aki Ausztria-Magyarországban született. Egy lányuk és két fiuk született. 1919-ben bomlott fel házasságuk, és Einstein ebben az esztendőben vette feleségül unokatestvérét, Elsa Löwenthalt, aki 1936-ban hunyt el. Albert Einstein 1955. április 18-án távozott el, princetoni otthonában halt meg.

Kapcsolódó cikkünk: