Айнщайн: любопитството, което промени физиката
Как едно любопитно момче с компас стига до E=mc², защо часовниците на спътниците бързат и какво общо има това с твоя телефон.
Здравей, аз съм Мечо Добрин. Ако някой ти каже, че Айнщайн е бил слаб по математика, не му вярвай. Ще ти разкажа нещо много по-интересно: как едно „защо?“ промени света.
История от живота
Когато Алберт Айнщайн бил на около 5 години, баща му му показал компас. Момчето се чудело: каква невидима сила върти стрелката? По-късно той казвал, че тогава разбрал, че зад нещата има нещо скрито. На 16 години си представял какво ще види, ако гони лъч светлина. Десет години по-късно, през 1905 г., докато работел като служител в патентно бюро в Берн, публикувал четири статии, които променили физиката. Тази година учените наричат „годината на чудесата“.
Разбери го стъпка по стъпка
- Годината на чудесата, 1905
На 26 години Айнщайн написал четири важни статии. Едната обяснява как светлината избива електрони от метал (фотоефект). Друга доказва, че атомите наистина съществуват, чрез трептенето на мънички частици във вода. Третата е специалната теория на относителността, а четвъртата съдържа формулата E=mc².
- Времето не е еднакво за всички
Според специалната относителност времето тече по-бавно за нещо, което се движи много бързо. При скоростите в ежедневието разликата е мъничка, но при скорост близо до тази на светлината тя става огромна. Опитите с точни атомни часовници в самолети потвърждават това.
- E=mc²
Формулата казва, че във всяка маса (m) се крие огромно количество енергия (E). c е скоростта на светлината, около 300 000 км в секунда, и тя е на квадрат. Затова и мъничко количество маса крие гигантска енергия. Така свети и Слънцето: превръща част от масата си в енергия.
- Гравитацията огъва пространството
През 1915 г. Айнщайн публикувал общата теория на относителността. Според нея тежките тела огъват пространството и времето около себе си, а гравитацията е следствие от това огъване. През 1919 г. учени по време на слънчево затъмнение видели, че светлината на звездите се огъва край Слънцето. Айнщайн станал световна звезда.
- Нобеловата награда
Айнщайн получил Нобелова награда за физика за 1921 г. Интересното е, че не я получил за относителността, а за обяснението на фотоефекта. Същият ефект днес работи в соларните панели и в сензорите на фотоапаратите.
Представи си така: Представи си опънат батут. Сложиш ли тежка топка в средата, той хлътва. Пуснеш ли малко топче, то се търкаля към ямата. Така Слънцето огъва пространството, а Земята се движи по тази „хлътнатина“.
- 1879Роден на 14 март в Улм, Германия
- 1902Започва работа в патентното бюро в Берн
- 1905Годината на чудесата: 4 статии и E=mc²
- 1915Обща теория на относителността
- 1919Затъмнение потвърждава огъването на светлината
- 1921Нобелова награда (връчена 1922) за фотоефекта
- 1933Заселва се в САЩ, в Принстън
- 1955Умира на 18 април в Принстън
Решени примери
Как навигацията в телефона ти зависи от Айнщайн?
Часовниците на GPS спътниците бягат напред с около 38 микросекунди на ден спрямо Земята, заради скоростта и по-слабата гравитация горе. Ако не се поправяше, грешката в позицията ти щеше да расте с километри всеки ден.
Колко енергия има в 1 грам маса според E=mc²?
m = 0,001 кг, c = 300 000 000 м/с. E = 0,001 по 90 000 000 000 000 000 = 90 000 000 000 000 джаула (9 по 10 на 13-та). Приблизително колкото енергията на голяма електроцентрала за около ден.
Светлината от Слънцето пътува около 150 милиона км. За колко време стига до нас?
150 000 000 делено на 300 000 = 500 секунди, около 8 минути и 20 секунди. Значи виждаш Слънцето такова, каквото е било преди 8 минути.
Внимавай с тези грешки
- Айнщайн е скъсан по математика в училище.Не е вярно. Той бил отличен по математика. На 16 години не издържал общата част на приемния изпит в Цюрих, но по математика и физика се представил много добре.
- Айнщайн получил Нобелова награда за теорията на относителността.Наградата е за обяснението на фотоефекта.
- Относителността е само теория, която не влияе на живота ни.Без нейните поправки GPS навигацията би грешала с километри всеки ден.
Задачи
Лесни
На колко години е бил Айнщайн през 1905 г., ако е роден през 1879 г.?
Подсказка
Извади годините.
Отговор
1905 минус 1879 = 26 години.
Какво е дал бащата на малкия Алберт, което го накарало да се чуди за невидимите сили?
Подсказка
Стрелката му винаги сочи на север.
Отговор
Компас.
Средни
Колко години минали от годината на чудесата (1905) до Нобеловата награда (за 1921)?
Подсказка
1921 минус 1905.
Отговор
16 години.
Луната е на около 384 000 км. Светлината минава 300 000 км в секунда. За колко време светлината от Луната стига до нас?
Подсказка
Раздели разстоянието на скоростта.
Отговор
384 000 делено на 300 000 = 1,28 секунди, малко над секунда.
Трудни
GPS часовниците бягат с около 38 микросекунди на ден. Колко микросекунди биха избягали за седмица без поправка? А за година (365 дни)?
Подсказка
Умножи по броя дни.
Отговор
Седмица: 7 по 38 = 266 микросекунди. Година: 365 по 38 = 13 870 микросекунди, около 0,014 секунди.
Направи мисловен опит като Айнщайн: седиш във влак без прозорци, който се движи напълно гладко. Можеш ли да разбереш дали се движиш? Обясни.
Подсказка
Сети се как се чувстваш в самолет, който лети гладко.
Отговор
Не можеш с опит вътре във вагона: топката пада по същия начин, водата не се клати. Това е основна идея на относителността: законите на физиката са еднакви при равномерно движение.
Батутът на гравитацията
Цел: Да видим как тежко тяло огъва „пространството“ и кара малките тела да обикалят около него.
- Опънете стар чаршаф или ластичен плат над голяма купа или между четири стола и го закрепете с щипки.
- Сложете в средата тежка топка или портокал. Това е Слънцето.
- Пуснете малко топче или стъклено топче по ръба, леко настрани.
- Наблюдавайте как то кръжи около „Слънцето“ преди да падне в ямата.
- Опитайте с по-лека и по-тежка топка в средата и сравнете.
- Снимайте с телефон (с разрешение) и опишете какво видяхте.
Накрая: Видео или рисунки, които показват, че по-тежкото тяло прави по-дълбока яма и по-силно привлича топчето, и кратко обяснение какво значи това за планетите.
Тест с точки
10 въпроса, 18 точки, оценка накрая и разбор какво да преговориш.