VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ 17.3.1905

Einstein selvitti 1905 aluksi kvantit

 Tieteen hämmästyttävin tarina ja vuosi alkaa 17. maaliskuuta 1905.

Juuri 26 vuotta täyttänyt Albert Einstein jättää valon pakettimaista luonnetta koskevan tutkimuksen Annalen der Physik -lehteen. Einstein julkaisee 1905 vain kahdeksassa kuukaudessa viisi tärkeää tutkimusta – sivutöinään.

Julkaisuista kolme mullistaa maailmaa. Einsteinin työt 1905 muuttivat käsityksiämme aineen, energian ja ajan perustavasta luonteesta.

Ei ihme, että fyysikot kutsuvat Einsteinin vuotta 1905 sanoilla annus mirabilis, ihmeiden vuosi.

Einsteinin löydöt ovat aiheellisesti maailman fysiikan juhlavuoden 2005 kantava teema – Einsteinilla oli tarjota ideoita tutkijoille vuosisadaksi.

Hän ahkeroi vuonna 1905 siitä huolimatta, että aika oli Bernissä Sveitsissä tiukoilla. Einstein oli paitsi tuore perheenisä myös rahapulassa.

Hän ei ollut saanut virkaa yliopistolta. Niinpä hänen oli pitimikseen pakko ryhtyä patenttiviraston virkamieheksi.

Einsteinin ensi työ käsitteli valosähköisyyttä ja valon osittunutta, kvantittunutta luonnetta. Kaikki fyysikot luulivat 1900-luvun alkuun asti, että valo ja sähkömagneettinen säteily, kuten radioaallot, esiintyivät vain aaltoina.

Einsteinin ilmoitus, että valo etenee myös paketteina, oli sokki fyysikoille. Artikkeli 17. maaliskuuta ehdotti valon raemaisen luonteen todistamiseksi joukon kokeita. Kokeet 1910-luvulla varmensivat Einsteinin väitteet.

Valokvanteilla eli fotoneilla mittaaminen tuli 1900-luvun varrella myös osaksi arkeamme eri laitteisiin, kopiokoneista kameroihin.

Ne ovat "vain" keksintöjä ja sovelluksia. Einsteinin ja fyysikko Max Planckin avaama kvanttikumous nimittäin avasi tieteissä kokonaan uuden alan. Aineella on tarkastelusta riippuen sekä aallon että erillisen hiukkasen luonne.

Valon kvanttiluonne oli vihje siitä, että hyvin pienessä atomien mikrokosmoksessa kaikki poikkeaa ihmisen vajavaisesta aistikokemuksesta. Näin 1800-luvun klassinen fysiikka murtuu ja kvanttimekaniikka syntyy, kertoo Albrecht Fölsing Einsteinin elämäkerrassa.

Valosähköiseen ilmiöön liittyvä tutkimus sopi nuorelle Einsteinille. Hänen isällään ja sedällään oli sähkökoneita valmistava yritys J. Einstein & Cie. Se valmisti generaattoreita, kaapeleita ja mittareita.

Tähän taustaan sopi myös Einsteinin työ Bernin patenttivirastossa. Hän tutki erityisesti sähkötekniikan patentteja.

"Teknisen patentin muotoiluun liittyvä työ oli minulle siunaus", hän kirjoittikin.

Einstein käytti vuonna 1905 heuristisia, mallintavia olettamuksia. Se oli ajatustapa, josta hän oli oppinut lukemalla Immanuel Kantin filosofiaa. Jo työn otsikossa lukee sana heuristinen: . . . Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtpunkt.

"Einsteinilla oli 1905 siis jo etukäteen valmis näkemys siitä, mihin hänen tutkimuksensa johtaisi", kirjoittaa Fölsing.

Valosähköisen tutkimuksen yhteydessä Einstein kehuskelee kirjeessä ainoan kerran töitään sanalla "vallankumouksellinen". Einstein esitti 16-sivuisessa artikkelissaan teesejä, joita hän johti päättelyin, tilastollisesti ja eri tutkimuksista.

Einstein ei ollut ensimmäinen, joka oivalsi valon raemaisen luonteen. Hän kuitenkin suhtautui aiheeseen vakavasti ja tajusi, mitä siitä seuraa.

Fotoneilla on vuonna 2005 yhä tärkeämpi rooli kvanttiviestinnässä. Sata vuotta kvanttikumouksen jälkeen aineen pienimmät osat aiotaan valjastaa tiedon nopeaan siirtoon ja tallennukseen.

Ensimmäiset kvanttitietokoneet valmistuvat 2010-luvulla. Ne laskevat äärimmäisen nopeasti. Joskus myös satelliitiit viestivät valon avulla.

"Olemme vakuuttuneita siitä, että perinteiset informaatiotekniikat korvaa kvantteihin perustuva tietotekniikka. Muutos toteutuu jo siksikin, että tietotekniset laitteet ja niiden kytkimet pienenevät lähelle kvanttien kokoa."

Näin vakuuttaa ryhmä itävaltalaisia fyysikkoja tiedelehti Naturen fysiikan vuoden juhlanumerossa. Lehti tarkastelee laajalti Einsteinin perintöä.

Maailma juhlii kvanttilöytöjä maaliskuussa 2105 ehkä riemukkaammin kuin nyt.

Helge Kragh. Kvanttisukupolvet. 1900-luvun fysiikka.

Terra Cognita 2002.

Lisää aiheesta:

Muualla HS.fi:ssä:

Muualla verkossa:

Helsingin Sanomat | hs.online@hs.fi