Revolutsioonifüüsik kasutas oma kuulsama ja elegantse võrrandi väljamõeldiseks oma kujutlusvõimet, mitte keerulist matemaatikat. Einsteini üldine relatiivsusteooria on tuntud kummaliste, kuid tõeliste nähtuste ennustamiseks, näiteks astronautide vananemise aeglustamiseks kosmoses võrreldes Maa inimestega ja tahkete objektide kuju muutmisega suurel kiirusel.
Kuid huvitav on see, et kui haarate Einsteini originaalsest 1905. aasta relatiivsusteooria paberist koopia, on seda üsna lihtne välja teha. Tekst on lihtne ja sirgjooneline ning võrrandid on enamasti algebralised - iga keskkooliõpilane saab need välja teha.
Seda seetõttu, et keeruline matemaatika ei olnud kunagi Einsteini tugevam külg. Ta armastas kujundlikult mõelda, oma kujutluses katsetada ja neid kontseptualiseerida, kuni füüsilised ideed ja põhimõtted olid kristallselged.
Siit algasid Einsteini mõttekatsed, kui ta oli vaid 16-aastane, ja kuidas need viisid ta lõpuks moodsa füüsika kõige pöördelisema võrrandini.
1895: jookseb valguskiire kõrval
Selleks hetkeks Einsteini elus oli juba mänginud rolli tema halvasti varjatud põlgus Saksa juurte, autoritaarsete õpetamismeetodite vastu Saksamaal ja ta visati keskkoolist välja, nii et ta kolis Zürichisse lootuses registreeruda Šveitsi föderaalsesse tehnoloogiainstituudi (ETH).
Kõigepealt otsustas Einstein veeta aasta ettevalmistusi lähedal asuvas Aarau linnas asuvas koolis. Siinkohal tabas ta end peagi mõtlemas, mis tunne oli valgusvihu kõrval joosta.
Reklaamvideo:
Einstein oli juba füüsikatunnis õppinud, mis on valguskiir: komplekt vibreerivaid elektri- ja magnetvälju, mis liiguvad kiirusega 300 000 kilomeetrit sekundis, mõõdetud valguskiirus. Kui ta selle kiiruse kõrval jooksis, sai Einstein aru, et ta nägi enda kõrval palju värisevaid elektri- ja magnetvälju, justkui kosmosesse tardunud.
Kuid see oli võimatu. Esiteks, statsionaarsed väljad rikuksid Maxwelli võrrandeid, matemaatilisi seadusi, mis panid paika kõik, mida füüsikud teadsid elektrist, magnetismist ja valgusest. Need seadused olid (ja on siiani) üsna karmid: kõik nendel väljadel olevad lained peavad liikuma valguskiirusel ega tohi paigal püsida, erandeid pole.
Veelgi halvem on see, et statsionaarsed väljad ei sobinud suhtelisuse printsiibiga, mis on füüsikutele teada juba Galilei ja Newtoni päevilt 17. sajandil. Põhimõtteliselt ütleb suhtelisuse põhimõte, et füüsikaseadused ei saa sõltuda sellest, kui kiiresti te liigute: saate mõõta ainult ühe objekti kiirust teise suhtes.
Kuid kui Einstein seda põhimõtet oma mõttekatsetuses rakendas, tekkis vastuolu: suhtelisus dikteeris, et kõik, mida ta nägi valgusvihu kõrval liikumas, sealhulgas statsionaarsed väljad, peab olema midagi argist, mille füüsikud saaksid laboris luua. Kuid keegi pole seda kunagi näinud.
See probleem muretseb Einsteini veel kümme aastat, kogu õpingute ja töö ETH-s ning teekonna Šveitsi pealinna Berni, kus temast saab Šveitsi patendibüroo eksamineerija. Seal lahendab ta paradoksi lõplikult.
1904: valguse mõõtmine liikuvalt rongilt
See polnud lihtne. Einstein proovis kõiki pähe tulnud lahendusi, kuid miski ei õnnestunud. Peaaegu meeleheitel hakkas ta mõtlema, kuid lihtne, kuid radikaalne lahendus. Maxwelli võrrandid võivad töötada kõigeks, arvas ta, kuid valguse kiirus on alati olnud pidev.
Teisisõnu, kui näete valgusvihku möödumas, pole vahet, kas selle allikas liigub teie poole, endast eemale, küljele või kuhugi mujale, ja pole tähtis, kui kiiresti tema allikas liigub. Mõõdetud valguskiirus on alati 300 000 kilomeetrit sekundis. Muu hulgas tähendas see seda, et Einstein ei näe kunagi statsionaarset võnkuvat välja, kuna ta ei suuda kunagi valgusvihku tabada.
See oli ainus viis, kuidas Einstein nägi kokku Maxwelli võrrandid relatiivsuspõhimõttega. Esmapilgul oli sellel otsusel siiski oma saatuslik viga. Hiljem selgitas ta seda veel ühe mõttekatse abil: Kujutage ette kiiret, mis lastakse mööda raudteetammi, kui rong möödub samas suunas, näiteks 3000 kilomeetrit sekundis.
Keegi valli lähedal seisev inimene peaks mõõtma valgusvihu kiirust ja saama standardarvuks 300 000 kilomeetrit sekundis. Kuid keegi rongis viibijatest näeb valgust, mis liigub kiirusel 297 000 kilomeetrit sekundis. Kui valguskiirus pole püsiv, peaks Maxwelli võrrand auto sees välja nägema teistsugune, järeldas Einstein ja siis rikutakse suhtelisuse põhimõtet.
See ilmne vastuolu pani Einsteini peaaegu aastaks pausi tegema. Siis aga jalutas ta ühel ilusal 1905. aasta mai hommikul tööle oma parima sõbra Michel Bessoga, inseneriga, keda ta tundis Zürichi üliõpilaspõlvest. Kaks meest rääkisid Einsteini dilemmast nagu alati. Ja äkki nägi Einstein lahendust. Ta töötas selle kallal terve öö ja kui nad järgmisel hommikul kohtusid, ütles Einstein Bessole: „Aitäh. Lahendasin probleemi täielikult."
Mai 1905: välk tabab liikuvat rongi
Einsteini ilmutus oli see, et suhtelises liikumises olevad vaatlejad tajuvad aega erineval viisil: on täiesti võimalik, et kaks sündmust toimuvad samaaegselt ühe vaatleja seisukohast, kuid erinevatel aegadel teise vaatleja seisukohast. Ja mõlemal vaatlejal on õigus.
Einstein illustreeris hiljem oma mõtet veel ühe mõttekatsega. Kujutage ette, et vaatleja seisab taas raudtee kõrval ja rong tormab temast mööda. Kui rongi keskpunkt vaatlejast möödub, lööb välk rongi mõlemasse otsa. Kuna välk lööb vaatlejast samal kaugusel, tabab nende valgus tema silmi samal ajal. On õiglane öelda, et välk lööb samal ajal.
Vahepeal istub teine vaatleja täpselt rongi keskel. Tema vaatepunktist läbib kahe välgulöögi valgus sama kauguse ja valguskiirus on igas suunas sama. Kuid kuna rong liigub, peab tagumisest välgust tulev valgus läbima suurema vahemaa, nii et see tabab vaatlejat mõni hetk hiljem kui valgus algusest peale. Kuna valgusimpulsid saabuvad erinevatel aegadel, võib järeldada, et pikselöögid pole samaaegsed - üks on kiirem.
Einstein mõistis, et just see üheaegsus on suhteline. Ja kui olete seda tunnistanud, lahendatakse kummalised efektid, mida me nüüd suhtelisusega seostame, lihtsa algebra abil.
Einstein pani meeletult oma mõtted kirja ja esitas oma teose avaldamiseks. Pealkiri oli "Liikuvate kehade elektrodünaamikast" ja see kajastas Einsteini katset siduda Maxwelli võrrandid relatiivsuspõhimõttega. Eriline tänu anti Bessole.
September 1905: mass ja energia
See esimene töö ei jäänud aga viimaseks. Einstein oli suhtelise suhtumise kinnisideeks kuni 1905. aasta suveni ja septembris saatis ta juba tagantjärele teise artikli avaldamiseks.
See põhines ühel teisel mõttekatsel. Kujutage ette objekti puhkeolekus, ütles ta. Kujutage nüüd ette, et ta kiirgab samaaegselt kahte ühesugust valgusimpulssi vastupidises suunas. Objekt jääb paigale, kuid kuna iga impulss kannab teatud hulga energiat, väheneb objektis sisalduv energia.
Nüüd, kirjutas Einstein, kuidas see protsess liikuva vaatleja jaoks välja näeks? Tema vaatepunktist jätkab objekt lihtsalt sirgjoonel liikumist, samal ajal kui kaks impulssi lendavad eemale. Kuid isegi kui kahe impulsi kiirus jääb samaks - valguskiirus -, on nende energiad erinevad. Impulsil, mis liigub edasi liikumissuunas, on suurem energia kui vastassuunas.
Pisikese algebra abil näitas Einstein, et kõige selle järjepidevuse tagamiseks ei tohi objekt mitte ainult valguse impulsside saatmisel energiat kaotada, vaid ka massi. Või mass ja energia peaksid olema omavahel asendatavad. Einstein pani kirja neid ühendava võrrandi. Ja sellest sai teaduse ajaloo kuulsaim võrrand: E = mc2.
ILYA KHEL
