„Efectul” Einstein. O sută de ani de idei strălucite, dăruiți de înțelegerea modului în care funcționează lumina

Sursa: Pixabay

Teoria revoluționară a naturii luminii, care i-a adus lui Albert Einstein Premiul Nobel pentru fizică din 1921, a modelat lumea, scrie The Economist, într-un material care analizează cum s-a scurs un secol întreg de inovație.

<< Albert Einstein a câștigat în 1922 Premiul Nobel pentru fizică pe 1921. Anomalia temporală întruchipată în această propoziție nu a fost, din păcate, una dintre consecințele contraintuitive ale teoriilor sale relativității, care distorsionau viziunea obișnuită despre timp și spațiu. S-a datorat în schimb unui oftalmolog suedez încăpățânat și faptului că geniul lui Einstein a remodelat fizica în mai multe moduri.

Medicul oftalmolog era Allvar Gullstrand, unul dintre cei cinci membri ai Comitetului Nobel pentru Fizică însărcinat cu desemnarea unui laureat anual, spre aprobarea Academiei Regale de Științe a Suediei. Gullstrand a considerat că lucrarea lui Einstein despre relativitate este un afront adus bunului simț (ceea ce a cam și fost) și greșită (ceea ce chiar nu era adevărat). În fiecare an, din 1918, comitetul a primit mai multe nominalizări pentru Einstein decât pentru orice alt candidat. Și în fiecare an, Gullstrand spunea că nu.

Până în 1921, restul comitetului se săturase să se mulțumească cu laureați mai mici: singura decizie care putea fi luată în unanimitate era aceea de a nu acorda deloc premiul. Jenată, Academia a ales să amâne premiul din 1921 până în anul următor, pentr a fi acordat în tandem cu cel pe 1922. Acest lucru i-a oferit lui Carl Wilhelm Oseen, un fizician suedez proaspăt numit în comitet, timp pentru a veni cu un plan abil. El l-a nominalizat pe Einstein nu pentru relativitate, ci pentru lucrările sale timpurii, în care era explicată capacitatea luminii de a produce curenți electrici. Deși Gullstrand era încă iritat, a funcționat. În noiembrie 1922, Einstein a primit premiul din 1921 „pentru serviciile sale aduse fizicii teoretice și mai ales pentru descoperirea legii efectului fotoelectric”.

Această manevră dibace de a ieși cu fața curată pare, și la un secol distanță, pe deplin justificată. Prima lucrare a lui Einstein despre natura luminii, publicată în 1905, conținea singurul aspect al operei sale pe care el însuși l-a numit vreodată „revoluționar”. Nu a explicat un nou experiment sau descoperire și nici nu a umplut un gol în teoria existentă; fizicienii erau destul de fericiți tratând lumina ca niște unde într-un „eter luminifer”. Pur și simplu, a sugerat că un nou mod de a ne raporta la lumină ar putea ajuta știința să descrie lumea mai consecvent.

Această căutare a consistenței l-a determinat pe Einstein să întrebe dacă energia dintr-o rază de lumină ar putea fi folosită în mod util ca fiind împărțită în pachete discrete; cantitatea de energie din fiecare pachet depindea de culoarea sau lungimea de undă a luminii implicate. Astfel, „legea” menționată în citatul său Nobel: cu cât lungimea de undă a unui fascicul de lumină este mai mică, cu atât mai multă energie este conținută în fiecare pachet.

Cu opt ani mai devreme, în 1897, experimentele efectuate de J.J. Thompson îi convinseseră pe colegii săi fizicieni că „razele catodice” produse de electrozi în tuburile în vid erau formate din particule fundamentale pe care el le numea „electroni”. În timp, pachetele de energie ale lui Einstein au ajuns să fie văzute ca „fotoni”. Electronul a arătat că sarcina electrică a fost concentrată în particule asemănătoare punctelor; fotonul era o manieră de a vedea energia ca fiind concentrată în același mod. Lucrările realizate de Einstein și alții au arătat că cele două particule erau intim legate una de cealaltă. Pentru a obține energie într-un electron, trebuie folosit un foton; iar atunci când unui electron i induce să renunțe la energie, rezultatul este un foton. Această reciprocitate este întruchipată de unele dintre cele mai răspândite tehnologii actuale; celule solare, camere digitale, legături de date cu fibră optică, iluminare cu led și lasere. Este folosită pentru a măsura cosmosul și a testa țesătura spațiului și a timpului. Mai mult, poate să trimită sonde spațiale spre stele.

Observarea stabilă a luminii, care a oferit un context pentru lucrarea lui Einstein, datează din 1864, când James Clerk Maxwell a folosit tot ce știa fizica despre forțele electrice și magnetice într-o teorie a „câmpurilor” electromagnetice produse de obiecte care au o sarcină electrică. Obiectele încărcate staționare au creat câmpuri electrice; cei care se mișcă cu o viteză constantă au creat câmpuri magnetice. Accelerarea obiectelor încărcate a creat unde compuse din ambele câmpuri, simultan: radiații electromagnetice. Lumina este o formă de astfel de radiații, spunea Maxwell. Ecuațiile sale sugerau că ar putea exista și altele. La sfârșitul anilor 1880, Heinrich Hertz a arătat că acest lucru este adevărat, prin crearea undelor radio în laboratorul său. Pe lângă faptul că i-a dat dreptate lui Maxwell, el a adăugat posibilitatea telegrafiei fără fir la gama de tehnologii electrice – de la iluminat stradal la dinamuri și până la cabluri de telegraf transatlantice – care au revoluționat sfârșitul secolului al XIX-lea.

Oamenii de știință au detectat și / sau au folosit unde electromagnetice la lungimi de undă care variază de la de multe ori diametrul Pământului la o milionime din diametrul unui nucleu atomic. Lungimile de undă ale luminii vizibile – 380 nanometri (miliardimi de metru) la capătul albastru al spectrului, 700nm la capătul roșu – sunt speciale numai pentru că sunt cele la care ochii umani sunt sensibili.

Motivul pentru care Einstein a găsit incompletă ceea ce el a numit „descoperirea strălucită a lui Maxwell” a avut de-a face cu câmpurile pe care Maxwell le-a descris, matematic, ca funcții „continue”: puterea câmpurilor avea o valoare în fiecare punct al spațiului și nu putea sări în valoare de la un punct la altul. Dar lumea materială nu era continuă. Prezenta „umflături”; moleculele, atomii și electronii săi erau entități separate în spațiu. Fizica a descris lumea materială prin relatări statistice despre comportamentul unui număr foarte mare din acești bulgări microscopici; căldura, de exemplu, depindea de viteza cu care vibrau sau se loveau unul de celălalt. Era o abordare matematică cu totul diferită de modul în care tratase Maxwell câmpurile electromagnetice.

Cu toate acestea, materia și radiația electromagnetică au fost intim asociate. Fiecare obiect emite radiații electromagnetice dat fiind faptul că are o temperatură; temperatura sa este o chestiune de zdruncinare a particulelor sale constitutive, dintre care unele sunt încărcate, iar zdruncinarea particulelor încărcate produce unde electromagnetice. Răspândirea lungimilor de undă observate în acea radiație – spectrul ei – este o funcție a temperaturii corpului; cu cât corpul este mai fierbinte, cu atât va fi mai scurtă atât lungimea de undă mediană cât și cea mai mare pe care o va emite. Motivul pentru care ochiul uman este sensibil la lungimile de undă din intervalul 380-700nm este acela că acestea sunt lungimile de undă pe care un corp le produce dacă este încălzit la 5.500°C, temperatura suprafeței Soarelui. Acestea sunt astfel lungimile de undă care domină lumina soarelui.

Dacă lungimile de undă și temperatura sunt atât de intim legate, credea Einstein, trebuia să fie posibil să vorbim despre ele în același limbaj matematic. Așa că a inventat o abordare statistică a modului în care entropia variază atunci când volumul unei cavități umplute cu radiații electromagnetice se schimbă. Apoi s-a întrebat ce fel de abateri ar putea explica statisticile sale. Răspunsul a fost: resturi de energie invers proporționale cu lungimea de undă a luminii pe care au reprezentat-o.

În 1905, Einstein a fost dispus să meargă atât de departe încât să sugereze că acest punct de vedere poate oferi explicații cu iz natural diferitelor fenomene. În anii următori, el și-a întărit poziția. Munca sa asupra relativității a arătat că eterul luminifer al lui Maxwell nu era necesar pentru propagarea câmpurilor electromagnetice; ele erau de sine stătătoare. Lucrarea sa asupra luminii a arătat că energia din acele câmpuri ar putea fi concentrată în particulele punctiforme din spațiul gol. Lumina a fost promovată de la ceea ce el a numit „o manifestare a unui mediu ipotetic” la „o entitate independentă ca materia”.

Acest lucru nu era pe deplin satisfăcător, deoarece lumina era tratată acum ca o undă continuă, în unele contexte – atunci când este concentrată de lentile, să zicem -, respectiv ceva fundamental neregulat, în altele. Acest lucru a fost rezolvat prin dezvoltarea mecanicii cuantice, în care materia și radiația sunt considerate a fi în același timp ca niște particule și ca niște unde. O parte din ceea ce înseamnă a fi un electron sau un foton sau orice altceva este să ai o „funcție de undă”; probabilitățile calculate din aceste funcții de undă îi oferă fizici singurul acces la adevărul despre particule de care poate beneficia.

Einstein nu a fost niciodată împăcat cu asta. El a respins ideea că o teorie care furniza doar probabilități ar putea fi cu adevărat fundamentală și a dorit o modalitate mai bună pentru ca un foton să fie atât undă, cât și particulă. Nu a găsit-o niciodată. „Toți acești 50 de ani de neliniște conștientă”, i-a scris unui prieten în 1951, „nu m-au adus mai aproape de răspunsul la întrebarea: Ce sunt fotonii? În prezent, orice Tom, Dick și Harry crede că știe asta, dar se înșală”.

Deși probabil că Einstein nu se gândea anume la el, unul dintre acei Dicks a fost Richard Feynman, unul dintre cei patru fizicieni care, la sfârșitul anilor 1940, au terminat structura intelectuală căreia Einstein i-a pus bazele: o teorie completă a luminii și a materiei numită electrodinamica cuantică sau QED. Este o teorie în care atât materia, cât și radiațiile sunt descrise în termeni de câmpuri de natură fundamental cuantică. Particulele – fie de lumină, fie de materie – sunt tratate ca „stări excitate” ale acelor câmpuri. Nu s-a găsit niciun fenomen pe care QED să fie în măsură să-l explice și să nu poată; nu s-a făcut nicio măsurătoare care să nu se potrivească cu previziunile sale.

Feynman a afirmat direct că „lumina este făcută din particule”. Raționamentul său era pragmatic. (…)

Manipularea precisă a fotonilor a aruncat multă lumină asupra „non-localității”, „de-coerenței” și a altor fenomene ciudate din mecanica cuantică. Acum face ca aplicarea lor la probleme practice, prin calcul cuantic și criptografie cuantică, să devină din ce în ce mai plauzibilă. Dar această „Technology Quarterly” nu are de-a face cu o ciudățenie cuantică. Este vorba despre modul în care au fost folosite interacțiunile fotonilor cu electronii pentru a schimba lumea, prin crearea de sisteme care pot transforma lumina direct în electricitate și electricitatea direct în lumină.

Că lumina și electricitatea erau legate între ele, fusese un fapt cunoscut cu mult înainte de Einstein. În anii 1880, Werner von Siemens, fondatorul firmei de inginerie care îi poartă numele, a acordat „cea mai mare importanță” misteriosului „efect fotoelectric” care a determinat panourile de seleniu să producă scurgeri de curent. Teoria lui Einstein a fost luată în serios și pentru că explica de ce o lumină slabă, cu lungime de undă scurtă, ar putea produce un astfel de curent, pe când o lumină strălucitoare cu lungime de undă mai mare nu ar putea: ceea ce conta era cantitatea de energie din fiecare foton, nu numărul total de fotoni.

Tehnologia construită pe baza unor astfel de idei a permis, de atunci, transformarea luminii în electricitate pe o scară care ar fi zăpăcit mintea lui Siemens. Permite ca miliarde de utilizatori de telefoane să realizeze videoclipuri digitale și să și le trimită reciproc printr-o infrastructură țesută din „mustăți” de sticlă. Luminează camere, șterge tatuaje, sculptează corneea și descrie lumea mașinilor fără șofer. Ingeniozitatea și șansa fericită, subvențiile guvernamentale și căutarea profitului au creat, din sugestia lui Einstein, o epocă de aur a luminii – o explozie de inovație care, după un secol, încă nu s-a încheiat. >>

1 COMENTARIU

LĂSAȚI UN MESAJ

Please enter your comment!
Please enter your name here