FIZIKA

G. Tomljenović

120 godina od revolucije u fizici

Čudesna Ajnštajnova 1905-ta

Četiri naučna rada Alberta Ajnštajna, objavljena tokom samo jedne godine, zauvek su promenila čovekovo razumevanje vremena i prostora. Među njima je i Specijalna teorija relativnosti, koja će postaviti temelje za razvoj kvantne mehanike i nuklearne fizike

Albert Ajnštajn, tada 26-godišnji tehnički asistent treće klase u Odeljenju za patente u Bernu, 1905. godine je objavio četiri revolucionarna naučna rada koja su postavila temelje moderne fizike. Samo četiri godine nakon što je diplomirao teorijsku fiziku na Švajcarskom federalnom institutu za tehnologiju u Cirihu, Ajnštajn je svojim naučnim radovima publikovanim u vrlo kratkom vremenu, od marta do septembra 1905, začeo kvantnu fiziku, dokazao postojanje atoma, izmenio naučni pogled na prostor i vreme i ukazao na neraskidivu vezu između mase i energije. Ta godina se, otuda, naziva i Ajnštajnovom „Annus Mirabilis“ (Čudesnom godinom), poput 1665/1666. u kojoj je njegov slavni prethodnik, 23-godišnji Isak Njutn, engleski naučni genije, između ostalog postavio i teoriju gravitacije.
Za razliku od klasične Njutnove mehanike (fizike), koja je takođe bila revolucionarna za svoje vreme, Ajnštajnova relativistička fizika potpuno je „preokrenula“ osnovne principe te nauke: dok je Njutnova fizika bila „dovoljna“ samo za svakodnevne brzine i male gravitacije, tek je Ajnštajnova fizika opisala brze objekte, jake gravitacije i svemirske fenomene. Ovo izuzetno naučno delo uvrstilo je Alberta Ajnštajna među najveće naučnike svih vremena, a 1905. među najznačajnije godine u istoriji nauke.  

Annus Mirabilis

Veliki nemački fizičar rođen je 14. marta 1879. godine u Ulmu, u pokrajini Virtemberg, u jevrejskoj trgovačkoj porodici koja se ubrzo preselila u Minhen, potom u Italiju, pa krajem veka u Švajcarsku. Odmalena je pokazivao izuzetno interesovanje za prirodne nauke, kao i velike tehničke i matematičke veštine, te je u ranoj mladosti imao teškoće u rigidnom školskom sistemu koji nije mogao da podrži njegovu inventivnost i preispitivanje naučnih autoriteta. Nedovoljna zainteresovanost za nematematičke predmete omela ga je da se u prvom pokušaju upiše na ciriški Federalni institut za tehnologiju (ETH), te studije započinje u drugom navratu, 1896. godine. Čuveni švajcarski „politehnikum“ omogućio mu je, međutim, da nesputano razmišlja i razvija svoje ideje, što će se nastaviti i kroz slobodan istraživački rad tokom službovanja u Zavodu za patente.

Nakon što je 1901. diplomirao na ETH gde se formalno školovao za nastavu matematike i fizike, Ajnštajn ne nalazi akademsko zaposlenje i 1902. prihvata radno mesto u Švajcarskom saveznom institutu za intelektualnu svojinu u Bernu, gde će tokom narednih sedam godina službovanja ispitivati prijavljene patente, mnoge u vezi sa električnom energijom i merenjem vremena - elektromagnetne uređaje, satove, sisteme za sinhronizaciju… Njegovom jedinstvenom daru za učenje i razmišljanje doprineo je rad koji je zahtevao preciznu analizu praktičnih primena fizike, u patentima koji su otvarali nerešena pitanja i ukazivali na stvarne probleme u elektromagnetizmu i mehanici. Na primer, mnoge patentne prijave koje je Ajnštajn pregledao uključivale su svetlost i elektromagnetne talase, što ga je navelo da istražuje kako svetlost reaguje sa različitim materijalima, i da ponovo razmotri Maksvelovu talasnu teoriju svetlosti. Često radeći na mehaničkim i patentima zasnovanim na fluidima, uočio je nasumično kretanje u fizičkim sistemima, te je primenom statističke mehanike objasnio takozvano Braunovo kretanje. Na osnovu analize patenata za sinhronizaciju različitih radnih procesa,  počeo je da razmišlja o mogućnosti različitog poimanja vremena za posmatrače u pokretu, i o relativnosti vremena… Mnogi istoričari veruju da, bez tog svojevrsnog naučnog iskustva u Patentnom zavodu, Ajnštajn možda ne bi na isti način razvio svoje revolucionarne teorije.
Povrh toga, mladi naučnik je oko sebe okupljao neformalne saradnike i kolege sa kojima je diskutovao i razmenjivao mišljenja. Vrlo inspirativno intelektualno okruženje bila je „Akademija Olimpija“, malo diskusiono društvo koje je 1902. godine osnovao sa dvojicom bliskih prijatelja, filozofom Morisom Solovinom i matematičarem Konradom Habihtom, sa kojima se redovno sastajao da debatuju o naučnim radovima i knjigama u oblasti fizike, matematike i filozofije. Trojica prijatelja raspravljali su o idejama i filozofiji nauke Dejvida Hjuma, Spinoze, o delima Anri Poenkarea, Ernsta Maha, ali i brojnim drugim temama tog vremena…

Ovim debatama, koje su nesumnjivo uticale na Ajnštajnova naučna razmišljanja, i za koje se takođe smatra da su ugrađene u intelektualne temelje njegovog revolucionarnog naučnog rada, povremeno su se pridruživali i drugi poznanici, kolege i bliski prijatelji. Prema rečima samog Ajnštajna, švajcarski inženjer i fizičar Mišel Besoa mu je svojim diskusijama pomogao da razvije teoriju relativnosti. Kvantna teorija nemačkog fizičara Maksa Planka iz 1900. godine insipirisala je Ajnštajnovo interesovanje za fotoelektrični efekt, pri čemu je Plank sve vreme podržavao Ajnštajnovu ideju relativnosti i ohrabrivao ga da svoje radikalne naučne radove objavi u prestižnom časopisu „Anali fizike“ u kojima je Plank bio član uređivačkog odbora, kasnije i glavni urednik. Austrijski fizičar Ludvik Bolcman veoma je uticao na Ajnštajna, koji je i sam govorio da je svoje prve radove formulisao u „Bolcmanovom duhu“. Holandski fizičar koji je razvio elektromagnetnu teoriju svetlosti i jedan od najuticajnijih fizičara svog vremena, Hendrik Lorenc, naučno je bio duboko povezan sa Ajnštajnom, i nesumnjivo je da je njegov rad u oblasti elektromagnetizma bio još jedan od temeljnih stubova za Ajnštajnovu teoriju specijalne relativnosti. Velikog američkog naučnika Džosaju Vilarda Gibsa, čiju je statističku mehaniku koristio u svojim naučnim analizama, Ajnštajn je nazivao najvećim umom u američkoj istoriji. Među svim ovim nobelovcima koji su uticali na mladog naučnika je i Žan Perin, francuski fizičar koji je 1926. godine i sam dobio Nobelovu nagradu, i to za eksperimentalne dokaze Ajnštajnovih naučnih predviđanja.

 Kvanti i atomi

Pre Ajnštajna, u skladu sa teorijom o elektromagnetnim talasima čuvenog škotskog fizičara i matematičara Dž. K. Maksvela, nauka je smatrala da je svetlost uglavnom talasni fenomen. Maksvelova teorija, međutim, nije mogla u potpunosti da objasni tzv. fotoelektrični efekt, pojavu (koju je 1887. slučajno otkrio nemački fizičar H. R. Herc) da neki metali pod uticajem svetlosnih zraka emituju elektrone sa svoje površine. Fotoelektrični efekt nije se mogao objasniti Maksvelovom teorijom talasa koja je predviđala da svetlost većeg intenziteta uvek treba da „izbije“ elektrone sa površine metala, dok se to u stvarnosti događalo samo pod delovanjem određenih talasnih dužina svetlosti (plavom ili UV svetlošću). Ajnštajn je sve nedoumice na tu temu rešio uvodeći u fiziku novu ideju, o talasno-čestičnom dualizmu svetlosti, to jest pretpostavivši da je svetlost i čestične prirode - da se prostire u kvantima (diskretnim paketima energije) koji su nazvani fotoni. Marta 1905. godine, u radu pod naslovom „O heurističkom gledištu u vezi sa proizvodnjom i transformacijom svetlosti“, izneo je tu ideju da je svetlost dualne prirode, da se sastoji ne samo od talasa već i od čestica (kvanta ili fotona), a fotoelektrični efekt objasnio je činjenicom da na energiju elektrona ne utiče intenzitet svetlosti već njena talasna dužina.

Ovaj Ajnštajnov naučni rad potvrdio je kvantnu prirodu svetlosti i otvorio put za razvoj kvantne mehanike i fizike, kasnije i mnoštva novih grana nauke kao što su nuklearna fizika, elektronika i nanotehnologija. Fotoelektrični efekat se danas koristi u solarnim panelima, digitalnim kamerama, tehnologiji noćnog vida… Za otkriće novih činjenica o prirodi svetlosti Albert Ajnštajn je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku.
Početkom 20. veka u nauci se i dalje samo debatovalo o tome da li atomi zaista postoje. Baveći se tim pitanjem, Ajnštajn je analizirao nasumično (haotično) kretanje sićušnih čvrstih čestica potopljenih u tečnost, ili takozvano Braunovo kretanje, koje je 1827. godine uočio škotski botaničar Robert Braun. Koristeći statističku mehaniku (statističku fiziku), eksperimentalno je pokazao da je Braunovo kretanje čestica uzrokovano „bombardovanjem“ od strane nevidljivih molekula, pružajući prvi direktan dokaz o mogućem postojanju atoma i molekula. Maja 1905. godine Ajnštajn je objavio rad pod naslovom „O kretanju malih čestica suspendovanih u tečnostima u mirovanju“, u kome je dao svoje teorijsko viđenje nasumičnog kretanja čestica potopljenih u fluid (Braunovo kretanje), objasnivši ga kinetičkom teorijom toplote i postojanjem atoma i molekula. Eksperimentalnom potvrdom atomske teorije, Ajnštajn je postavio temelje za razvoj statističke mehanike, molekularne fizike i savremene termodinamike, što je sveukupno uticalo i na dalje naučno usmeravanje hemije, biologije i nauke o materijalima.

Prostor i vreme, masa i energija

Za klasičnu Njutnovu fiziku, prostor i vreme su bili apsolutni: protok vremena konstantan je u čitavoj vasioni. Radeći na pregledima patenata za sinhronizaciju električnog sata i signalnih sistema na železnici, Ajnštajn je, međutim, počeo da se pita da li posmatrači u pokretu drugačije percipiraju vreme, kao i simultanost kretanja objekata u kojima se nalaze (putničkim vozovima, na primer)? Zaključio je da je vreme relativno, kao i da je svako kretanje relativno: nema apsolutnog kretanja već se svako kretanje percipira kao takvo samo u odnosu na drugi objekt; nema kretanja apsolutnom brzinom već samo određenom brzinom u odnosu na neki drugi objekt.
Za razliku od Njutna i njegove klasične mehanike u kojoj je „sad“ univerzalno za sve, u Ajnštajnovoj Specijalnoj teoriji relativnosti vreme i prostor su relativni u zavisnosti od kretanja posmatrača. U njoj su ključna dva koncepta: zakoni fizike isti su za sve posmatrače koji se ravnomerno kreću jedan u odnosu na drugog, i samo brzina svetlosti jeste konstantna, i to u svim takozvanim inercijalnim (neubrzanim) referentnim okvirima.
Ukoliko se, međutim, objekti kreću brzinom koja se približava brzini svetlosti, vreme usporava, dužina objekata se smanjuje a njihova masa povećava. Prema Ajnštajnovoj teoriji, u svemiru nije konstantno vreme, već brzina svetlosti - vreme sporije teče za objekte koji se kreću velikim brzinama (dilatacija vremena). Ovo je, uzgred budi rečeno, dovelo do razvoja GPS tehnologije, u kojoj satelitski satovi rade nešto brže zbog efekta relativnosti.
Objavljena u junu 1905. godine, u radu pod naslovom "O elektrodinamici tela u kretanju", Ajnštajnova Specijalna teorija relativnosti jedna je od najvažnijih teorija u modernoj fizici - ona je radikalno promenila čovekovo razumevanje prostora, vremena i kretanja. Teorija se naziva specijalnom zato što se odnosi samo na inercijalne sisteme (koji se kreću ravnomerno, bez ubrzanja). Deceniju kasnije, Ajnštajn ju je proširio uključivanjem ubrzanih sistema i novim objašnjenjem fenomena gravitacije, objavivši 1915. godine svoju čuvenu Opštu teoriju relativnosti.
Najpoznatija Ajnštajnova formula, o ekvivalenciji  i međusobnoj zamenljivosti mase i energije - masa je samo visoko koncentrisan oblik energije - bila je logičan nastavak  Specijalne teorije relativnosti. Drugim rečima, nakon što je razvio ideju o relativnosti prostora i kretanja i vremena, Ajnštajn je shvatio da su energija (E) i masa (m) međusobno zamenljive. Septembra 1905, u radu pod naslovom „Da li inercija tela zavisi od njegovog energetskog sadržaja?“, izveo je svoju čuvenu jednačinu E = mc², pokazujući da čak i mala količina mase može da se pretvori u ogromnu energiju - da su masa i energija dva oblika jednog te istog, to jest da masa može da se pretvori u energiju a energija u masu.
Ajnštajnova formula postavila je osnovu za značajan razvoj u teorijskoj i u primenjenoj fizici, i postala je kamen temeljac moderne fizike. Ona objašnjava i kako funkcioniše nuklearna energija: u nuklearnim elektranama, atomi se razdvajaju (nuklearna fisija), oslobađajući energiju iz male količine izgubljene mase; na Suncu se atomi vodonika spajaju u helijum (nuklearna fuzija), pretvarajući masu u svetlost i toplotu. Univerzum neprestano pretvara masu u energiju i obrnuto, oblikujući i zvezde, i atome…         
Usko povezana sa konceptima teorije o specijalnoj relativnosti, revolucionarna Ajnštajnova formulacija da su masa i energija međusobno zamenljive postavila je i temelje za razvoj fizike čestica i istraživanja antimaterije.

Akademski rad

Nakon te čuvene 1905-te, tokom koje je još završio i (na Univerzitet u Cirihu predao) doktorsku disertaciju pod nazivom „Novo određivanje molekularnih dimenzija“, Albert Ajnštajn je ubrzo svrstan među najuticajnije naučnike svog vremena. Posle gotovo decenije rada u Zavodu za patente u Bernu, on se posvećuje akademskom radu - od 1909. godine kao vanredni profesor teorijske fizike na Univerzitetu u Cirihu, a od 1911. kao profesor na Univerzitetu u Pragu; godine 1914. imenovan je za direktora Fizičkog instituta „Kajzer Vilhelm“ i profesora na Univerzitetu u Berlinu.

U deceniji po objavljivanju Specijalne teorije relativnosti, Ajnštajn je radio na njenom razvoju, uključivanjem ubrzanja i gravitacije. Godine 1915. predstavio je Opštu teoriju relativnosti, koja je Njutnovu gravitaciju (kao „silu koja deluje trenutno na bilo kojoj udaljenosti“) zamenila revolucionarnom idejom da gravitacija nije sila već zakrivljenost prostor-vremena uzrokovana masom: masivna tela savijaju prostor i vreme oko sebe, što uzrokuje prividnu silu gravitacije.
Teorija je predvidela i zakrivljenje svetlosti usled gravitacije, što su 29. maja 1919. godine potvrdili astronomi - i što je zapravo bila praktična potvrda gotovo neverovatne Opšte teorije relativnosti, dotad malo poznatog fizičara Alberta Ajnštajna. Tu svojevrsnu revoluciju u nauci omogućilo je pomračenje Sunca koje se dogodilo pomenutog dana, a koje je sa ostrva Principe, nadomak zapadne obale Afrike, posmatrala ekspediciji engleskih naučnika/astronoma, potvrdivši da su zvezde u blizini Sunca pomerene u odnosu na svoje normalne položaje. Ta očigledna promena zvezdanih položaja dogodila se zato što se - u skladu sa Ajnštajnovom teorijom - putanja svetlosti savija usled gravitacije kad prolazi blizu masivnog objekta kao što je Sunce. Eklipsa s kraja maja 1919. u istoriji ostaje poznata po tome što je pomogla da se dokaže Ajnštajnova teorija relativnosti, a Albert Ajnštajn je od tog trenutka globalno poznata i slavna ličnost. Dve godine kasnije, 1921, veliki naučnik je dobio Nobelovu nagradu za fiziku ali, iznenađujuće, ne za teorije relativnosti već za objašnjenje  fotoelektričnog efekta iz 1905. godine, koje je omogućilo razvoj kvantne mehanike.
Albertu Ajnštajnu dodeljeni su počasni doktorati na mnogim evropskim i američkim univerzitetima. Držao je predavanja širom Evrope, Amerike i na Dalekom istoku, i bio je član svih vodećih naučnih akademija diljem sveta. Među njegove važnije kasnije radove ubrajaju se i „Istraživanja o teoriji Braunovog kretanja“ (1926) i „Evolucija fizike“ (1938). Pored Nobelove, dobio je brojne druge nagrade i priznanja, uključujući britansku Koplijevu medalju, najprestižnije priznanje Kraljevskog društva u Londonu, 1925,  i američku Franklinovu medalju, koju mu je Franklinov institut dodelio 1935. godine.
Dve godine ranije, 1933, Albert Ajnštajn napušta Berlin u kome je do tad živeo i radio, iz političkih razloga se odriče nemačkog državljanstva, i emigrira u Ameriku. U SAD dobija mesto profesora teorijske fizike na Univerzitetu Prinston, u Nju Džerziju, gde predaje sve do 1945. godine.

Društveno-politički aktivizam

U godinama koje su usledile, Ajnštajnov doprinos proširio se izvan oblasti nauke. Poslednja decenija njegovog života bila je obeležena ne samo daljim razmatranjima pitanja u oblasti fizike već i društveno-političkim angažovanjem. Svojim humanizmom i zalaganjem za mir, pravdu i jednakost, svojim aktivizmom u prilog miru i odbrani građanskih prava, Albert Ajnštajn je uticao i na društvenu i političku misao sredine 20. veka.
Još tokom 1920-ih naučnik je podržavao ideju globalnog razoružanja i međunarodnu saradnju, angažujući se i u organizacijama poput Lige naroda, preteče UN. Ali, kao naučnik jevrejskog porekla, suočavao se sa rastućim antisemitizmom u Nemačkoj, te je 1933, kad je Hitler došao na vlast, emigrirao u SAD. Nacisti su spalili njegove knjige, a Ajnštajnovu modernu fiziku označili su „jevrejskom naukom“.
U avgustu 1939. godine Ajnštajn je potpisao pismo kojim je američki predsednik F. D. Ruzvelt od nekolicine naučnika bio upozoren da bi nacistička Nemačka mogla da razvije atomsku bombu. Pismo je dovelo do pokretanja projekta „Menhetn”, tajnog američkog plana izgradnje atomske bombe, kojom su krajem Drugog svetskog rata, 1945. godine bombardovani japanski gradovi Nagasaki i Hirošima. Iako Ajnštajn nije radio na razvoju same bombe, on je po završetku rata izrazio žaljenje što je uopšte potpisao to pismo, i postao je jedan od vodećih boraca protiv širenja nuklearnog naoružanja. Protivio se i nuklearnoj politici SAD, kao i razvoju hidrogenske bombe, a Ujedinjene nacije je podržavao kao organizaciju za promovisanje mira u svetu.

U prilog poštovanju ljudskih prava, Ajnštajn se aktivno borio protiv rasizma i rasne segregacije, i suprotstavljao makartizmu i političkom progonu intelektualaca u SAD. Zalagao se za cionizam, podržavajući uspostavljanje države Izrael, ali i promovišući mirnu koegzistenciju između Jevreja i Arapa. Nakon smrti Haima Vajcmana, prvog izraelskog šefa države, Ajnštajnu je ponuđeno mesto predsednika, ali ga je on odbio, uz argumentaciju da nema političko iskustvo i da bi se radije fokusirao na nauku. Ajnštajn je i u poslednjim godinama života radio na problemima fizike: istraživao je objedinjenu teoriju polja (gravitacije i elektromagnetizma), mentorski je radio sa mladim naučnicima, nastavio je da se uključuje u filozofske rasprave o nauci… Preminuo je u 76. godini od posledica unutrašnjeg krvarenja u srcu (aneurizma aorte), 18. aprila 1955. godine, u Prinstonu u SAD -  prethodnog dana je odbio operaciju kojom bi možda bio spasen, rekavši, kako se tvrdi, da „želi da ide kad on hoće“ i da je „neukusno produžavati život na veštački način“. Navodno je svoje poslednje reči izgovorio na nemačkom, ali ih medicinska sestra nije razumela pa su zauvek ostale izgubljene. Nakon njegove smrti, dr Tomas Harvi je bez zvanične dozvole odstranio i sačuvao Ajnštajnov mozak, koji je kasnije decenijama proučavan, ali konačni zaključci o izvorima njegove genijalnosti nikad nisu doneseni.

G. Tomljenović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"