Tämä vuosi on fysiikan juhlavuosi. Juhlimiseen antavat aiheen maailman kuuluisimman tiedemiehen Albert Einsteinin sata vuotta sitten tekemät suuret tieteelliset keksinnöt, jotka loivat pohjan modernille fysiikalle. Hänen aikaansaannoksensa eivät rajoittuneet vain tiedemaailmaa kiinnostaviin kysymyksiin, vaan me törmäämme hänen työnsä jälkiin joka päivä arkiympyröissämme.
Yleinen mielikuva Einsteinista on, että hän oli tieteen korkeimmissa sfääreissä liikkunut ylivertainen nero, jonka monimutkaiset matemaattiset ajatusrakennelmat ylittävät tavallisen kuolevaisen käsityskyvyn. Jos ristisanatehtävässä haetaan sanaa nero, vihjeenä on kuva raskasviiksisestä ja raukeakatseisesta herrasta, jonka hiukset sojottavat sekaisina kaikkiin ilmansuuntiin. Albert Einsteinin (1879-1955) merkitys fysiikalle on paljon laajempi ja monipuolisempi kuin yleensä tiedetään.
Skotlantilainen James Clerk Maxwell esitti 1873 matemaattisen teorian, joka yhdisti sähköiset ja magneettiset ilmiöt yhteisten lakien alle. Einstein tutki Maxwellin teoriaa pyhän innostuksen vallassa. Sähkömagnetismi toi fysiikkaan kokonaisen uuden ilmiömaailman, jonka sovittaminen yhteen Isaac Newtonin 1600-luvulla kehittämän mekaniikan lakien kanssa aiheutti ongelmia. Kun muut etsivät ratkaisua sähkömagnetismista, patenttivirkailijana leipänsä ansainnut Einstein osoitti vian olevan Newtonin teoriassa. Se oli pommi, sillä voitosta voittoon kulkenutta Newtonin teoriaa oli pidetty erehtymättömänä. Einsteinin ratkaiseva oivallus oli, että valo liikkuu aina samalla nopeudella. Tästä seuraa avaruuden ja ajan suhteellisuus: etäisyydet ja ajan kestot riippuvat mittaajan liikkeestä. Jos mittaisimme lähes valonnopeudella liikkuvan junan, toteaisimme sen olevan lyhyempi kuin sama juna paikallaan seisoessaan. Todelliset junat kulkevat niin hitaasti, ettei niiden lyhenemistä mitenkään huomaa, mutta esimerkiksi alkeishiukkasia tutkiville fyysikoille etäisyyksien lyheneminen on tuttu ilmiö.
Liikkuvat kellot myös käyvät hitaammin kuin paikallaan olevat kellot. Ajan suhteellisuus on todistettu esimerkiksi lennättämällä tarkkoja kelloja lentokoneessa maapallon ympäri ja vertaamalla niiden käyntiä maassa olevien samanlaisten kellojen käyntiin. Lentävät kellot jätättävät. Kyse ei ole siitä, että liike jotenkin vaikuttaisi kappaleitten rakenteeseen tai kellojen mekanismiin, vaan avaruuden ja ajan luonteesta. Newtonin mukaan avaruus ja aika ovat absoluuttisia ja koskemattomia, Einsteinin mukaan kaikkea muuta. Myöhemmin Einstein mullisti aikaa ja avaruutta koskeneita käsityksiä lisää. Hän osoitti, että painovoima johtuu avaruuden ja ajan muodonmuutoksista. Raskaat taivaankappaleet muovaavat ympärillä olevaa avaruutta ja myös aikaa, niin että tutut geometrian säännöt menevät siellä uusiksi ja myös ajan kulku muuttuu. Nykyajan takseissa on näyttölaite, josta kuljettaja voi seurata autonsa kulkua. Järjestelmä perustuu GPS-paikannusjärjestelmään. Avaruudessa on huipputarkkoja aikamerkkejä lähettäviä satelliitteja, joiden signaaleja autossa oleva laite vertailee toisiinsa. Koska satelliittien paikat ja nopeudet tunnetaan tarkasti, laite laskee tästä auton paikan kymmenen metrin tarkkuudella ja merkitsee sen näyttölaitteen karttaan punaiseksi pisteeksi. Suhteellisuusteorian mukaan satelliittien liike ja gravitaatio vaikuttavat kellojen käyntiin, ja jos tätä ei otettaisi huomioon, paikannusjärjestelmä toimisi ja taksi pysyisi oikealla reitillä vain muutaman minuutin ajan. Saksalainen Heinrich Hertz havaitsi 1888, että valo irrottaa elektroneja metallin pinnasta. Einstein selitti ilmiön olettamalla, että valo koostuu hiukkasmaisista osista, valokvanteista eli fotoneista. Valolla on aalto-ominaisuuksia, mutta joissakin ilmiöissä kuten valosähköilmiössä, se käyttäytyy hiukkasmaisesti. Tämä kaksinaisuus on aineen perustason ilmiöitä kuvaavan kvanttifysiikan mukaan yleinen ominaisuus, jonka Einstein työllään paljasti. Suurin osa nykyfysiikasta on kvanttifysiikkaa.
Valosähköilmiöön törmää vaikkapa ostoskeskuksen ovella. Ovien "valosilmät" reagoivat sen avulla ovea lähestyvän ihmisen aiheuttamaan muutokseen valossa ja laukaisevat avaajamekanismin. Valosähköilmiö mittaa myös kamerassa valaistuksen ja säätää aukon kohdalleen, ja monistuskoneessa se ohjaa musteen minne se kuuluu. Kun poliisi puhalluttaa, paljastuvat promilletkin valosähköilmiön ansiosta, sillä alkoholi reagoi alkometrissä olevan kaasun kanssa muuttaen sen väriä ja valoisuutta. Paradoksaalista kyllä, mutta Einstein ei koskaan oppinut hyväksymään hänen fotoniteoriastaan alkunsa saanutta kvanttimekaniikkaa. Viimeiset kvanttifysiikkaan liittyvät tutkimuksensa hän teki 1920-luvun puolessa välissä toimiessaan professorina Berliinissä. Hän tutki fotonien ryhmäkäyttäytymistä ja keksi niin sanotun spontaanin emission ilmiön, yllytyssäteilyn. Kun atomia valaistaan sopivalla valolla, atomi stimuloituu säteilemään samanlaista valoa eli valo monistuu. Näin voi saada aikaan erittäin voimakkaan valonsäteen, jossa kaikilla fotoneilla on sama aallonpituus ja ne liikkuvat kaikki samaan suuntaan. Nykyajan laserit perustuvat tähän Einsteinin keksintöön. Ensimmäiset laserit rakennettiin 1950-luvun lopulla. Laserit kuuluvat nykyään joka kodin varustukseen. Tietokoneiden levyasemat, kirjoittimet, CD-soittimet ja DVD-soittimet käyttävät kaikki lasereita. Kaupan kassalla laserit lukevat viivakoodista hintatiedot ja kirjastoissa laserit ovat oleellisesti nopeuttaneet asiointia lainaustiskillä. Teitä ja rakennuksia linjoitetaan lasersäteellä, ja lääkärit leikkaavat niillä silmiä, oikovat ryppyjä ja tekevät monia muita hyödyllisiä operaatioita.
Kun juhlimme Einsteinia, juhlimme samalla ennen muuta perustutkimusta. Einsteinia eivät hänen tieteellisiin tuloksiinsa perustuvat sovellutukset olisi luultavasti paljon hetkauttaneet. Häntä kiinnostivat vain perusilmiöt. Einsteinin isällä oli sähköfirma, ja hän oli toivonut pojasta työnsä jatkajaa. Poika ei halunnut insinööriksi, vaan halusi keskittyä luonnon ymmärtämiseen. Jos tietäisi, mihin kaikki on johtanut, isä olisi nyt varmaan tyytyväinen poikaansa.