Einstein se wonderjaar

IN 1905 het Albert Einstein, ’n 26-jarige patenteklerk, vier wetenskaplike artikels gepubliseer wat ons beskouing van ons heelal verander het—van sy kleinste boustene tot sy grootste sterrestelsels. Sommige van hierdie artikels het ook die afspringplek geword vir baie van die uitvindings wat mense se lewe gedurende die afgelope 100 jaar heeltemal verander het.

“Daar is beswaarlik enige belangrike grondbegrip in die moderne fisika”, sê die wenner van die Nobelprys vir fisika Isidor Rabi, “wat nie sy oorsprong ten minste gedeeltelik by Einstein het nie.” Presies wat het Einstein ’n eeu gelede ontdek?

Die geheime van lig word ontsluit

Einstein se artikel wat in Maart 1905 gepubliseer is, het ’n paar geheime in verband met die aard van lig geopenbaar. Wetenskaplikes het reeds ontdek dat lig baie soos die rimpels op ’n dammetjie water optree terwyl dit deur die ruimte beweeg. Maar die golfteorie kon nie verklaar waarom dowwe blou lig ’n elektriese stroom voortbring wanneer dit sekere metale tref nie, terwyl helder rooi lig dit nie doen nie. Einstein se artikel het gehelp om hierdie sogenoemde foto-elektriese effek te verklaar.

Einstein het geredeneer dat lig soms beskou kan word as klein pakkies energie, wat later fotone genoem is. As hierdie fotone die regte energievlak, of kleur, het, kan dit elektrone uit die atome van sommige metale bevry. (Fotone van rooi lig is te swak om dit te doen.) Hierdie interaksie bring ’n elektriese stroom in die materiaal voort. Moderne uitvindings soos televisiekamerabuise, sonselle en fotografiese ligmeters is alles gegrond op Einstein se beskrywing van die foto-elektriese effek.

Einstein het in 1921 die Nobelprys vir fisika gewen weens die manier waarop hy lig verduidelik het. Sy artikel het gehelp om die weg te baan tot ’n nuwe gebied van die wetenskap wat kwantumteorie genoem word. En kwantumteorie het weer die grondslag gelê vir ’n groot aantal toepassings, insluitende die kernwetenskap, elektronika en nanotegnologie.

Waarom die stuifmeel dans

In 1905 het Einstein ook sy aandag op atome en molekules gevestig. Hy het ’n teoretiese verklaring gegee van die uitwerking daarvan op piepklein stuifmeelkorrels wat in water dryf. In 1827 het ’n bioloog met die naam Robert Brown deur ’n mikroskoop gekyk en opgelet dat stuifmeelkorrels in water heen en weer beweeg. Hy het die dans van die stuifmeel Brown se beweging genoem, maar hy kon nie verklaar waarom dit gebeur het nie.

In sy artikel van Mei 1905 het Einstein verklaar hoe vibrerende watermolekules Brown se beweging veroorsaak. Hy het nie net die grootte van die watermolekules bereken nie, maar ook die spesifieke eienskappe van hulle atome voorspel. Ander wetenskaplikes het op hierdie voorspellings voortgebou en twyfel oor die bestaan van atome uit die weg geruim. Die moderne fisika is gegrond op die idee dat materie uit atome bestaan.

Tyd is relatief

Einstein se spesiale relatiwiteitsteorie, wat in Junie 1905 gepubliseer is, het met ’n grondleer van wetenskaplikes soos Isaac Newton gebots—naamlik dat tydmeting oral in die heelal konstant is. Die implikasies van Einstein se teorie, wat vandag algemeen aanvaar word, is taamlik verbasend.

Gestel byvoorbeeld dat jy en ’n vriend julle horlosies presies sinchroniseer. Jou vriend vlieg dan om die wêreld terwyl jy by die huis bly. Wanneer hy terugkeer, sal die tyd op sy horlosie ’n fraksie agter die tyd op jou horlosie wees. Vanuit jou oogpunt gesien, het tyd vir jou vriend stadiger verbygegaan. Die verskil is natuurlik oneindig klein teen die spoed waarteen mense kan beweeg. Maar teen amper die spoed van lig gaan tyd nie net aansienlik stadiger verby nie, maar word voorwerpe ook kleiner en neem hulle massa toe. Volgens Einstein se teorie is die spoed van lig, nie tyd nie, oral in die heelal konstant.

’n Formule wat die wêreld verander het

In September 1905 het Einstein nog ’n artikel gepubliseer wat as ’n wiskundige voetnoot by sy spesiale relatiwiteitsteorie beskou word. Dit het die formule E=mc² bevat, wat nou sinoniem is met sy werk. Hierdie vergelyking sê dat die hoeveelheid energie wat vrygestel word wanneer ’n atoom gesplits word, gelyk is aan die verlies van sy massa maal die spoed van lig kwadraat.

Danksy die werk van wetenskaplikes soos Einstein het die mensdom baie geleer oor die aard van die heelal. Nogtans geld die woorde wat Job lank gelede gespreek het, nog steeds wanneer dit by die mensdom se huidige kennis kom. Hy het oor die Skepper se werke gepraat en nederig erken: “Kyk! Dít is die rande van sy weë, en wat ’n fluistering van ’n saak is omtrent hom gehoor!”—Job 26:14.

[Diagram/Prente op bladsy 20]

(Sien publikasie)

Lig tree as golwe sowel as deeltjies op. ’n Begrip hiervan het sonselsakrekenaars en ligsensors in digitale kameras moontlik gemaak

[Diagram/Prente op bladsy 21]

(Sien publikasie)

Brown se beweging het gehelp om die bestaan van atome te bewys

[Diagram/Prente op bladsy 21]

(Sien publikasie vir oorspronklike teksuitleg)

E Energie

= is gelyk aan

m massa

c² maal spoed van lig kwadraat

c² beteken c maal c, of 299 727 kilometer per sekonde maal 299 727 kilometer per sekonde

Omdat c² ’n geweldige groot getal is (89 836 274 529 km²/sek²), kan ’n klein hoeveelheid massa in ’n enorme hoeveelheid energie omgesit word. Wanneer ’n uraanatoom gesplits word, vorm dit onmiddellik twee kleiner atome, maar dit verloor ook ongeveer 0,1 persent van sy massa; daardie klein hoeveelheid word omgesit in ’n groot hoeveelheid energie wat vrygestel word

Energie vrygestel

Slegs een kilogram van enige stof wat heeltemal in energie omgesit word, is gelyk aan:

◼ 24 miljard kilowatt-uur

◼ die krag wat nodig is om ’n motor 400 000 keer om die aarde te laat ry

◼ die krag wat nodig is om die grootste olietenkskip 900 keer om die aarde te laat vaar

◼ die elektrisiteitsbehoeftes van die Verenigde State vir twee dae

Die omgekeerde is ook waar. Dit neem ’n geweldige hoeveelheid energie om slegs een atoom te laat “materialiseer”

[Prente op bladsy 21]

Hoe vinniger jy beweeg, hoe stadiger gaan tyd verby

[Prent op bladsy 21]

Horlosies aan boord van satelliete van die Globale posisioneringstelsel (GPS) loop nie teen dieselfde spoed as horlosies op die aarde nie. As daar nie aanpassings gemaak word vir hierdie uitwerking van relatiwiteit nie, sou GPS-seine nutteloos wees

[Foto-erkennings op bladsy 20]

Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; agtergrond: CERN photo, Geneva