Відкриття Айнштайна, які змінили наш світ

Відкриття Айнштайна

Ідеї і відкриття ​​Айнштайна сформували те, як ми сьогодні бачимо Всесвіт і взаємодіємо з ним.

Альберт Айнштайн (1879-1955) – один з найвідоміших вчених усіх часів, і його ім’я стало майже синонімом слова «геній». Хоча його репутація в чомусь завдячує ексцентричній зовнішності та періодичним висловлюванням на тему філософії, світової політики та інших ненаукових тем, його справжня претензія на славу випливає з його внесків у сучасну фізику, які змінили все наше сприйняття Всесвіту та допомогли сформувати світ, в якому ми сьогодні живемо.

Ось погляд на деякі концепції, що досі змінюють світ, якими ми зобов’язані Айнштайну.

Простір-час

Теорія особливої ​​відносності Ейнштейна змінила наше мислення про простір і час – і встановила універсальне обмеження швидкості світла. (Зображення: NASA)

Одним з найдавніших досягнень Айнштайна у віці 26 років була його теорія спеціальної теорії відносності, оскільки вона стосується відносного руху в окремому випадку, коли гравітаційні сили нехтуються. Це може здатися незначним, але це була одна з найбільших наукових революцій в історії, яка повністю змінила уявлення фізиків про простір і час. Фактично, Айнштайн об’єднав їх у єдиний просторово-часовий континіум. Однією з причин, чому ми вважаємо простір і час абсолютно окремими, є те, що ми вимірюємо їх у різних одиницях, наприклад, в кілометрах та секундах відповідно. Але Айнштайн показав, як вони насправді взаємозамінні, пов’язані між собою через швидкість світла – приблизно 300 000 кілометрів на секунду.

Мабуть, найвідомішим наслідком спеціальної теорії відносності є те, що ніщо не може подорожувати швидше за світло. Але це також означає, що з наближенням до швидкості світла речі починають вести себе дуже дивно. Якби ви могли бачити космічний корабель, який рухався зі швидкістю світла на 80%, він виглядав би на 40% коротшим, ніж тоді, коли він з’явився в спокої. І якби ви могли бачити всередині, все, здавалося б, рухалося в уповільненому режимі, а годинник витрачав 100 секунд, щоб пробігти хвилину, повідомляється на веб -сайті HyperPhysics університету штату Джорджія. Це означає, що екіпаж космічного корабля насправді старітиме повільніше, чим швидше вони подорожуватимуть.

E = mc^2

Несподіваним відгалуженням спеціальної теорії відносності стало відоме рівняння Айнштайна E = mc^2, яке, ймовірно, є єдиною математичною формулою, що досягла статусу культурної ікони. Рівняння виражає еквівалентність маси (м) та енергії (Е), двох фізичних параметрів, які раніше вважалися повністю окремими. У традиційній фізиці маса вимірює кількість речовини, що міститься в об’єкті, тоді як енергія – це властивість, яку об’єкт має завдяки своєму руху та діючим на нього силам. Крім того, енергія може існувати при повній відсутності речовини, наприклад у світлі або радіохвилях. Однак рівняння Айнштайна говорить, що маса та енергія – це, по суті, одне й те саме, якщо помножити масу на c^2 – квадрат швидкості світла, що є дуже великим числом – для того, щоб вона потрапила в одну й ту ж одиницю як енергія.

Це означає, що об’єкт набирає масу, коли він рухається швидше, просто тому, що він набирає енергію. Окрім вражаючої ідеї, ця концепція має практичне застосування у світі фізики частинок високих енергій. За даними Європейської ради з ядерних досліджень (CERN), якщо достатньо енергетичні частинки розбиваються разом, енергія зіткнення може створити нову речовину у вигляді додаткових частинок.

Лазери

Лазери є невід’ємною складовою сучасних технологій і використовуються у всьому, від зчитувачів штрих-кодів і лазерних покажчиків – до голограм та волоконно-оптичного зв’язку. Хоча лазери зазвичай не асоціюються з Айнштайном, зрештою його робота зробила їх можливими. Слово лазер, введене в 1959 році, означає “посилення світла шляхом стимульованого випромінювання” – а стимульоване випромінювання – це концепція, яку Ейнштейн розробив більш ніж 40 років тому, згідно з Американським фізичним товариством. У 1917 році Айнштайн написав статтю про квантову теорію випромінювання, в якій, серед іншого, описувалося, як фотон світла, що проходить через речовину, може стимулювати випромінювання подальших фотонів.

Айнштайн зрозумів, що нові фотони рухаються в тому ж напрямку, з тією ж частотою та фазою, що і вихідний фотон. Це призводить до каскадного ефекту, оскільки виробляється все більше практично однакових фотонів. Сьогодні люди все ще знаходять нові застосування для лазерів – від зброї проти дронів до надшвидких комп’ютерів.

Чорні діри та червоточини

Галактика і чорна діра.

Теорія особливої ​​відносності Айнштайна показала, що простір-час може творити досить дивні речі навіть за відсутності гравітаційних полів. Але це лише вершина айсберга, як виявив Айнштайн. Масивні об’єкти, такі як планети та зірки, насправді спотворюють тканину простору-часу, і саме це спотворення викликає ефекти, які ми сприймаємо як силу тяжіння.

Айнштайн пояснював загальну теорію відносності за допомогою складного набору рівнянь, які мають величезний спектр застосування. Мабуть, найвідоміше з рівнянь Айнштайна прийшло з рішення Карла Шварцшильда в 1916 році – чорної діри. Ще більш дивне – це рішення, яке Айнштайн розробив у 1935 році у співпраці з Натаном Розеном, описуючи можливість скорочень від однієї точки простору та часу до іншої. Спочатку вони називалися мостами Ейнштейна-Розена, зараз вони відомі всім шанувальникам наукової фантастики під більш звичною назвою – червоточини.

Читайте також: Троє фізиків спростували Айнштайна і отримали Нобелівську премію

Всесвіт, що розширюється

 

Ілюстрація розширення Всесвіту. (Getty Images)


Однією з перших дій, які Айнштайн зробив зі своїми рівняннями загальної теорії відносності, ще в 1915 році, було застосування їх до Всесвіту в цілому. Але відповідь, яка вийшла, йому здалася неправильною. Це означало, що сама тканина космосу перебуває у стані безперервного розширення, тягнучи за собою галактики, тому відстані між ними постійно зростають. Здоровий глузд підказував Айнштайну, що це не може бути правдою, тому він додав до своїх рівнянь щось, що називається космологічною константою, щоб створити непоганий статичний Всесвіт.

Але в 1929 році спостереження Едвіна Хаббла за іншими галактиками показали, що Всесвіт дійсно розширюється, очевидно, саме так, як передбачали вихідні рівняння Айнштайна. Це виглядало як кінець рядка для космологічної константи, яку пізніше Айнштайн назвав своїм найбільшим промахом. Однак на цьому історія не закінчилася. Виходячи з більш досконалих вимірів розширення Всесвіту, ми тепер знаємо, що воно прискорюється, а не сповільнюється, як це повинно було б за відсутності космологічної постійної. Тож виглядає так, ніби “промах” Айнштайна не був помилкою.

Атомна бомба

Іноді Айнштайну приписують “винахід” ядерної зброї через його рівняння E = mc^2, але згідно з вебсайтом Einstein Online Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка, зв’язок між ними в кращому випадку слабкий. Тут ключовим інгредієнтом є фізика поділу ядер, до якої Айнштайн не мав безпосереднього відношення. Незважаючи на це, він зіграв вирішальну роль у практичній розробці перших атомних бомб. У 1939 році ряд колег попередили його про можливі жахи, які настануть, якщо нацистська Німеччина здобуде таку зброю. Зрештою, за даними Фонду атомної спадщини, його переконали передати ці проблеми у листі до президента США Франкліна Д. Рузвельта. Кінцевим результатом листа Айнштайна стало створення Манхеттенського проєкту, який створив атомні бомби, використані проти Японії в кінці Другої світової війни.

Хоча над Манхеттенським проектом працювало багато відомих фізиків, Айнштайна серед них не було. За даними Американського музею природної історії (AMNH), йому було відмовлено у необхідному дозволі на безпеку через його ліві політичні погляди.

У 1947 році Айнштайн сказав журналісту «Newsweek»: «Якби я знав, що німцям не вдасться розробити атомну бомбу, я ніколи б і пальцем не поворухнув», повідомляє журнал Time.

Гравітаційні хвилі

Айнштайн помер у 1955 році, але його величезна наукова спадщина продовжує бути актуальною навіть у 21 столітті. У лютому 2016 року було оголошено про відкриття гравітаційних хвиль – ще одного наслідку загальної теорії відносності. Гравітаційні хвилі – це крихітні брижі, які поширюються через тканину простору-часу, і часто прямо кажуть, що Айнштайн “передбачив” їх існування.

Відкриття гравітаційних хвиль дало астрономам новий інструмент для спостереження за Всесвітом – включаючи такі рідкісні події, як злиття чорних дір.

Вперше опубліковано на Live Science.

Прокрутити вгору