14 марта 1879 года родился основатель современной теоретической физики Альберт Эйнштейн. Его теория относительности не просто перевернула восприятие Вселенной в среде физиков-теоретиков в начале прошлого века, но непосредственно повлияла на изобретение многих технологий, которые сегодня стали обыденностью.
Важнейшие открытия Альберта Эйнштейна
Специальная теория относительности (СТО)
Эйнштейн предположил, что время и расстояние могут быть не постоянными, а относительными понятиями. Когда два объекта движутся с постоянной скоростью, необходимо рассматривать их движение относительно друг друга. Эйнштейн продемонстрировал, что для объектов, которые движутся со скоростью света, время течет медленнее, расстояния сокращаются, а сами объекты тяжелеют (знаменитое уравнение Эйнштейна Е=mс2). СТО была использована при создании ядерной бомбы.
Общая теория относительности (ОТО)
СТО объясняет только случай равномерного и прямолинейного движения, тогда как ОТО рассматривает движение тел, даже если они ускоряются или меняют траекторию. Эйнштейн выяснил, что сила тяжести — это искажение в пространстве и времени, пропорционально зависящее от массы тела. Теория объяснила, почему планеты вращаются вокруг Солнца.
Теория фотоэффекта
Эйнштейн впервые представил свет в виде крошечных частиц или квантовых порций (фотонов), а не волн. За объяснение фотоэлектрического эффекта физик получил Нобелевскую премию в 1921 году.
Объяснение броуновского движения
Эйнштейн доказал, что беспорядочное движение частиц в воде, которое можно разглядеть под микроскопом, происходит из-за столкновения с движущимися атомами.
GPS-навигаторы
Основа системы GPS — 24 спутника на высоких орбитах Земли. Каждый спутник снабжен атомными часами, которые работают на атомной энергии и отсчитывают время с высокой точностью. Даже самый простой карманный GPS-приемник может определить вашу позицию относительно поверхности Земли с точностью от 5 до 10 метров всего за несколько секунд.
Однако спутники расположены на большом расстоянии от планеты, где понятия пространства и времени меняются. Кроме того, сами спутники находятся в постоянном движении, и нам с Земли часы на спутниках кажутся более быстрыми, чем аналогичные часы на земле. Расчеты, опирающиеся на ОТО и СТО, показывают, что часы на каждом спутнике GPS должны спешить относительно земных на 38 микросекунд в день.
Если бы эти эффекты не были учтены, то координаты, вычисленные на основе GPS-спутников, были бы неверными уже через 2 минуты, а ошибки в глобальных местоположениях накапливались бы со скоростью примерно 10 км в день.
Принтер, лазерная указка и штрих-коды
До того как Эйнштейн открыл и объяснил фотоэлектрический эффект, считалось, что свет распространяется в виде волн, однако физик решил рассмотреть свет как крошечные частицы и их скопления.
Эйнштейн предположил, что минимальная частица света (позже названная фотоном) при столкновении с атомом определенного типа может выбить с его орбиты электрон, который станет почти точно таким же фотоном и вместе с первым устремится в пространство. Он назвал этот процесс «вынужденным излучением».
Сконцентрированный пучок света из множества фотонов, созданный за счет «вынужденного излучения», становится лазером — технологией, которая сегодня имеет широкое применение в самых разных областях.
В дальнейшем ученые выяснили, что световой луч умеет «считывать» информацию. Это открытие во второй половине 1970-х привело к появлению лазерных дисководов, а еще позже — лазерных принтеров. Благодаря знаниям о фотоэффекте мы можем пользоваться такими обыденными устройствами, как автоматические двери, сканирование штрих-кодов на продуктах в магазинах и лазерные указки. Лазерные технологии все больше используют в косметологии, медицине и хирургии.
Солнечная энергия
Отправной точкой в истории использования солнечных батарей также стала теория фотоэффекта Эйнштейна, которая объясняла, как свет можно преобразовать в электричество, — через сбор фотонов и направление их на материал, который в конечном итоге будет генерировать электрическую энергию. Сегодня солнечные панели являются довольно распространенным явлением. В рамках глобальной тенденции на переход к возобновляемым источникам энергии солнечные батареи можно часто увидеть на крышах домов или в пустынях, благодаря солнечной энергии также заряжаются спутники Земли.
Помимо солнечных панелей, фотоэлементы встречаются в камерах сотовых телефонов, в системах автоматического уличного освещения и даже в алкотестерах.
В целом применение фотоэффекта чаще всего можно встретить в повседневной жизни.
Прогнозы фондового рынка
Эйнштейн внес свой вклад в разработку формул, которые используются для прогнозов фондового рынка. В своей статье о броуновском движении в 1905 году он с помощью теоремы о флуктуации-диссипации объяснял механизм, который определяет движение частиц в текучей среде.
Спустя годы выяснилось, что это объяснение является лучшей аналогией для описания изменения цен на фондовых рынках.
Формулы Эйнштейна начали использовать для предсказания экономического поведения.
Бесшумный холодильник
Помимо прочих талантов, Эйнштейн также был изобретателем, которому принадлежит несколько патентов. Один из них — безопасный холодильник с электромагнитным насосом.
Дело в том, что в 1920-х годах в качестве хладагентов в холодильниках использовались токсичные вещества, которые часто протекали. В 1926 году произошел несчастный случай, который сильно впечатлил Эйнштейна: члены одной берлинской семьи, включая детей, умерли во сне из-за утечки ядовитых газов из холодильника.
Эйнштейн совместно с физиком Лео Силардом решил разработать свою версию холодильника без движущихся частей, отказавшись от механического компрессора и токсичных газов. Однако это изобретение не было запущено в производство, потому что вскоре распространение получила другая конструкция холодильников — с использованием фреона и компрессоров.
В 2008 году о холодильнике Эйнштейна вспомнили ученые из Оксфордского университета, которые отметили его эффективность, безопасность и экологичность. Ученые посчитали, что у холодильника Эйнштейна есть будущее, если его доработать с применением современных технологий.