Айнщайн отключва енергията

Статия на Валентин Калчев от списание ВСЕЛЕНАТА , с участие на директора на обсерваторията в Стара Загора Алексей Стоев.

Теорията на относителността на Алберт Айнщайн е сред значимите етапи от вековните усилия на човечеството да опише обективно околния свят, основавайки се на причинно-следствените връзки. Преди Айнщайн сериозна крачка във физиката правят Галилей и Нютон, които описват пространството, но го абсолютизират и лимитират в определени закони, управляващи движението на телата в него. Като стъпва на тази основа и като използва други теоретични разработки, осъществени преди него, Айнщайн прави връзка между пространството, времето и материята.

До края на 19-ти век във физиката се натрупват изключително много доказателства, че между времето, пространството и материята съществува сериозна взаимосвързаност,  която предопределя състоянието на физическия свят. На тази база Айнщайн успява да покаже пряката връзка между материя, време и пространство, върху която се базират специалната и обща теория на относителността. Първата се отнася за структурата на пространство-времето. Описана е за пръв път през 1905 година от Айнщайн в статията му: „За електродинамиката на движещите се тела”. Специалната теория се основава на два принципа, като най-важната особеност при нея е замяната на така наречените галилееви преобразувания в класическата механика с лоренцовите преобразувания. Самият термин „теория на относителността” е предложен от великия физик Макс Планк през 1908 година.

Двата принципа гласят:

1. Физичните закони са еднакви спрямо всички инерционни отправни системи.
2. Скоростта на светлината във вакуум е постоянна за всички наблюдатели независимо от тяхната скорост.

По –интересни са изводите, които следват от тези два принципа, като например: часовници, които се движат с различна скорост, измерват различно време, а обекти движещи се с различна скорост, имат различни линейни размери по посока на движението. Интересен е ефектът на относителността на едновременността, т.е. две събития, които в една инерционна система са едновременни, в друга система, движеща се спрямо първата праволинейно и равномерно – не изглеждат едновременни. Най-интересното следствие от специалната теория на относителността е еквивалентността между маса и енергия, която се изразява в твърдението, че всяко тяло с маса m в покой притежава определена енергия E=mc2.

По-късно Айнщайн развива своите идеи още по-мащабно, създавайки общата теория на относителността. Тя дава обяснение за гравитацията, представена в научните му трудове в периода между 1907 и 1915 година. В основата и е залегнал принципът на еквивалентността, според който състоянието на тяло в покой, намиращо се в дефинирано гравитационно поле, се описва като ускорително движение на същото тяло  без наличие на гравитационно поле. През 1915 година Айнщайн доразвива теорията, като предлага идеята за изкривеното пространство-време. Основните изводи на общата теория на относителността са, че времето тече по-бавно в присъствието на по-силна гравитация, както и това, че прецесията на орбитите на движение на планетите не се описва точно от нютоновата теория на гравитацията ( това явление е наблюдавано при изучаване на орбитата на планетата Меркурий и тези на двойните звезди ). Също така светлинните лъчи се движат по изкривена траектория  в присъствие на силно гравитационно поле, както и това, че вселената се разширява, като отдалечените от нас нейни части се движат спрямо обекта с огромни скорости.

По този начин известният учен дава обяснение за физическите принципи, управляващи движението на телата в микро и макро света. Общата теория на относителността има важни следствия за астрофизиката. Тя показва, че в края на еволюцията си масивните звезди могат да се превърнат в колапсиращи обекти, наречени още черни дупки. Това са области от космоса, в които пространство-времето е толкова изкривено, че нищо не може да го напусне. От друга страна, изкривяването на светлината от земното притегляне може да създаде гравитационни лещи, при които се наблюдава повече от един образ на един и същ астрономически обект. Теорията предсказва и наличието на гравитационни вълни, които впоследствие са измерени непряко. В допълнение общата теория на относителността е основата на съвременните космологични модели на постоянно разширяващата се Вселена. Сред основните практически следствия от изчисленията на Айнщайн в тази насока е установяването на кривината на пространството в рамките на универсума и откриването на своеобразен клас тела, наричани „черни дупки”.

Общата и специална теория на относителността намират своето емпирично приложение и при изучаването на Вселената, нейното настояще, минало и бъдеще. Практическата стойност на двете теории се изразява в откриване на връзката между енергията и веществото.Това става на база формулата на Айнщайн за връзката на енергията с масата и скоростта на светлината. Благодарение на това уравнение се открива възможността да се освободи огромна енергия при делене или синтез на веществото. Ярък пример в това отношение е верижната реакция при деленето на урана, когато под формата на ядрен взрив се освобождава колосална енергия, заключена в миниатюрните атомни и субатомни частици. Обратния процес може да се наблюдава при термоядрената бомба и при физическите процеси в слънцето, където протича синтез на четири ядра водород в едно хелиево, при което също се отделя голямо количество топлина. Ядрените заряди намират приложение както за военни цели, така и за взривни дейности при оформянето на подземни хранилища за газ и нефт, гигантски изкопни работи и други. Очаква се задаващата се в не толкова далечното бъдеще енергийна криза да се преодолее основно с овладяване на контролирания термоядрен синтез.

След като вече е известна структурата на атома, през 30-те години на миналия век откритието на Айнщайн подсказва, че човекът може да освободи огромната енергия съдържаща се в атома на урана. По този начин теорията на относителността намира своето практическо приложение в създаването на технология за освобождаването и овладяването енергията на урана. По това време САЩ, Германия и СССР започват разработки в областта на ядрената енергетика като се върви в две посоки: овладяването на ядрения разпад в атомни реактори и използването на енергията на урана при взрива на ядрената бомба. Прилагането на атомната енергия за мирни цели започва през 1942 година с построяването на първия ядрен реактор в Чикаго от италианския физик Енрико Ферми. Така с освободената в огромно количество топлина от разпада на уран 235 се нагорещява и изпарява водата, която задвижва турбината за производство на електричество. Военното приложение на теорията на относителността се изразява в поразяващото действие на урановия взрив, който е с еквивалент на милиони тонове тротил. Развитието на двете направления продължава и до настоящия момент, като има страни, които експлоатират сериозно количество ядрени реактори за производство на електроенергия. С напредването на науката централите се усъвършенстват и най-модерните от тях са с изключителна защита и с почти нулево замърсяване на околната среда. Учените от Русия, САЩ, Индия, Китай и страните от ЕС работят усилено и по линия на създаване на установка за управляем ядрен синтез. Той по всяка вероятност ще се превърне в неизчерпаем източник за производство на електричество още в средата на XXI век. Енергийните централи на бъдещето ще се захранват с деутерий, произведен от морска вода. Стремежът на учените в досегашните им опити е да създадат в лабораторни условия енергия, подобна на тази, която кара слънцето да свети. В специална установка се използва пространство, наподобяващо бутилка, обвито със соленоиди. Чрез тях се създава мощно магнитно поле, което удържа в „магнитната бутилка” нагорещената до няколко милиона градуса плазма. В тези условия става управляем синтез на ядрата на деутерия и се образува ядро на хелий. При тази реакция се освобождава голямо количество енергия. Един от проблемите в тази ситуация е, че все още не е намерена устойчива форма на магнитното поле, удържащо високотемпературната плазма. Второто изпитание пред учените е как да трансформират образуваната енергия в електричество, а третият проблем е как термоядрената система да функционира безопасно. В момента в САЩ, Русия и Индия усилено се работи по тези въпроси.Там дори има реални установки, където се извършват опити за получаване на управляем термоядрен синтез.

Теорията на относителността се появява в ситуация на научна криза, когато се натрупва огромен емпиричен материал, показващ погрешността на физическите модели, обясняващи света. Това доказва, че откритите на този етап теории и закони на физиката, разясняващи процесите в света, не са докрай верни. Тази ситуация позволява на гений като Айнщайн да вникне докрай в проблемите, стоящи за решаване пред науката физика, да предложи теория и описващите я уравнения, които съгласуват всички наблюдателни ефекти в микро и макро света.

В момента човечеството е изправено пред подобен проблем. Натрупани са колосално количество данни, които показват, че част от съвременните теории също имат нужда от доразвиване и усъвършенстване. За съжаление все още не се е появил новият Айнщайн от 21 век, който да тласне физиката на по-високо ниво. Сред основните постижения на съвременната астрофизика е и откритието на тъмната материя и тъмната енергия, както и това, че познатите ни пространство, време и материя са много малка част от заобикалящия ни свят. Това ще наложи развитието на нови  дялове във физиката, както и на нова регистрираща апаратура.