Біографія та відкриття Альберта Ейнштейна

Альберт Ейнштейн подарував світу найреволюційніші наукові ідеї XX століття, включаючи знамениту теорію відносності. Ейнштейн – всесвітньо визнаний геній науки.

Альберт Ейнштейн народився у місті Ульме на півдні Німеччини 14 березня 1879 р. Через рік після його народження сім’я Ейнштейн переїхала до Мюнхена. Батько Ейнштейна разом зі своїм братом володів маленькою фірмою, що торгувала електротехнікою, але в 1894 р. брати вирішили перевести свою фірму в маленьке італійське містечко Павія поблизу Мілана, сподіваючись, що справи там підуть краще. Батько і мати Альберта перебралися в Італію, але сам він ще деякий час продовжував навчатися в одній з мюнхенських гімназій, залишившись під опікою родичів. Ніщо у дитинстві Альберта Ейнштейна не віщувало, що він стане науковим генієм. Він не говорив до 3 років, а під час навчання ненавидів строгу шкільну дисципліну. Задоволення йому приносила лише гра на скрипці. В 1895 Альберт переїхав до Італії до батька з матір’ю.

Навчання Ейнштейн завершував у швейцарському місті Цюріху. У 1896 р. він вступив до Вищого технічного училища — найпрестижнішого вищого навчального закладу Швейцарії. Альберт виробив свою власну систему навчання та, замість відвідувати лекції, самостійно вивчав праці великих фізиків. Через це його недолюблювали професори. В 1900 році Ейнштейн отримав диплом викладача фізики та математики, але довго не міг знайти постійне місце роботи – хоча б шкільного вчителя. Нарешті, в 1902 р. він був прийнятий до бернського Федерального бюро патентування винаходів на посаду експерта третього класу.

Чудовий рік

Робота в бюро патентування не надто захоплювала Ейнштейна, проте вона дала йому можливість поправити матеріальне становище та одружитися з колишньою однокурсницею Мільовою Маріч. Крім того, у Альберта залишалося достатньо вільного часу, щоб займатися власними науковими розробками. Ніщо, однак, не віщувало того, що трапилося в 1905 р. Тоді Ейнштейн подав до провідного німецького наукового журналу «Аннали фізики» відразу кілька статей, кожна з яких стала поворотним моментом в історії науки. Одна з них була присвячена явищу, яке пізніше отримало назву фотоелектричного ефекту. У ній Ейнштейн виклав свій погляд на явище, коли яскраве світло вибиває з атомів електрони, у результаті виробляється невеликий електричний заряд. Тоді залишалося загадкою, чому цей ефект залежить від кольору світлового впливу, а не від його інтенсивності. Це здавалося дивним, тому що передбачалося, що великі хвилі мають викликати більший ефект.

Частинки світла

Молодий Ейнштейн вирішив проблему, пішовши всупереч науковим уявленням, виробленим протягом ХІХ століття. Вважалося, що світло поширюється як хвиль.

А Ейнштейн зрозумів, що фотоелектричний ефект можна легко пояснити, якщо розглядати світло у вигляді частинок, тому що частинки одного розміру завжди викликають однаковий ефект. Частинки світла пізніше були названі фотонами, і вони дійсно є крихітними частинками енергії. В 1900 німецький фізик Макс Планк виявив, що тепло випромінюється не рівномірним потоком, а виходить порціями, які він назвав квантами. Але саме Ейнштейн зрозумів, що подібним чином поширюється все електромагнітне випромінювання, і що порції енергії є частинками, як електрони та фотони. Іншими словами, порції енергії та крихітні частинки – це одне й те саме.

Друга стаття, написана Ейнштейном у 1905 р., була присвячена вимірюванню розміру молекул. Третя докладно пояснювала броунівський рух — безладний рух у воді крихітних частинок, наприклад, порошинок, який можна побачити під мікроскопом.

Ейнштейн висунув припущення, що рух порошин викликається зіткненнями з атомами, що рухаються, і представив математичні розрахунки, що підтверджують це. Це стало важливим доказом реальності атомів і молекул, що тоді ще заперечувалося деякими вченими. Але головною роботою Альберта Ейнштейна в 1905 рооці виявилася спеціальна теорія відносності.

Спеціальна теорія відносності

У 1887 р. знаменитий експеримент Альберта Майкельсона та Едварда Морлі показав, що світло завжди рухається з однаковою швидкістю, незалежно від способу виміру. Це розчарувало вчених, оскільки руйнувало одну з теорій щодо світлових хвиль. Але у Ейнштейна щодо цього була власна думка.

Зазвичай швидкість вимірюється стосовно чогось. Наприклад, якщо тобі потрібно визначити швидкість, з якою ти біжиш, то ти вимірюєш її щодо землі під ногами, яка здається нерухомою, проте обертається разом із Землею. Але світло рухається з однаковою швидкістю незалежно від чогось іншого. І існує лише одна  величина його швидкості.

Альберт Ейнштейн міркував так. Швидкість – це відстань, що проходиться за певний відрізок часу. Якщо швидкість світла незмінна, то час і відстань повинні змінюватися. Це означало, що час і відстань — поняття відносні і не були постійними. Це називається спеціальною теорією відносності Ейнштейна.

Світ відносності

Значимість цього твердження Ейнштейна важко переоцінити. Воно перевернуло всі колишні уявлення про простір і час, відстань і швидкість та змусило вчених глянути на них абсолютно по-новому. Наскільки це виявилося важливим, стало зрозуміло, коли астрономія, на озброєння якої прийшли радіотелескопи, ще більше розсунула уявлення вчених про простір.

Правда, до подій повсякденного життя спеціальна теорія відносності Ейнштейна практично не застосовується, але з об’єктами, що пересуваються зі швидкістю світла, мають відбуватися дивовижні речі. Ейнштейн показав, виходячи із законів руху Ньютона, що для об’єктів, що переміщуються зі швидкістю світла або близько того, час, схоже, розширюється – він розтягується і йде повільніше, а відстані скорочуються. А самі об’єкти стають важчими. Цей факт Ейнштейн назвав відносністю.

Чудове рівняння

Висунувши спеціальну теорію відносності. Ейнштейн продовжував розмірковувати над проблемою. Він показав, що, як тільки швидкість руху об’єкта наближається до швидкості світла, маса цього об’єкта збільшується. Щоб «набрати» цю додаткову масу не знижуючи швидкості, знадобилася б додаткова енергія. Будь-яка інша зміна означала б зміну швидкості світла, чого, згідно з поданими Ейнштейном доказами, статися не може.

Таким чином. Ейнштейн зрозумів, що маса та енергія взаємозамінні. І він вивів просте, але стало знаменитим рівняння, що визначає ці взаємини:

E = mс²

Воно показує, що E (енергія) дорівнює добутку маси (m) на швидкість світла (c) у квадраті. Це була видатна ідея, що легко пояснювала, наприклад, як діє радіація — простим шляхом перетворення маси на енергію. Вона доводила можливість вироблення великої кількості енергії з малої кількості радіоактивного матеріалу. Збільшення маси за допомогою швидкості світла мало на увазі, що в масі найменшого атома укладена величезна потенційна енергія. Ця теорія була використана через 40 років, коли була створена перша атомна бомба. Спочатку видатні теорії Ейнштейна не привернули особливої ​​уваги наукового світу, і він продовжував роботу в Бюро патентування винаходів. Поступово, однак, його популярність зростала, і в 1909 р. Ейнштейну було запропоновано посаду доцента в Політехнічному університеті Цюріха. На той час він уже працював над загальною теорією відносності.

Загальна теорія відносності

При розробці загальної теорії відносності Ейнштейн образно представив промінь світла, що пронизує падаючий ліфт. Промінь сягає далекої стінки ліфта трохи вище, проти передній, оскільки ліфт знижується у міру того, як промінь перетинає його, і промінь світла трохи згинається вгору. Виходячи із спеціальної теорії відносності. Ейнштейн припустив, що насправді промінь не згинається, а це тільки здається так, тому що простір і час спотворено силою, яка тягне ліфт униз.

Завдяки такому припущенню Ейнштейн побудував велику наукову теорію. Коли Ньютон вивів закон всесвітнього тяжіння, він зміг показати лише математичну реальність — те, що об’єкти певної маси прискорюються за певної, передбачуваної швидкості. Але він не показав як це працює. Наочно це вдалося зробити Ейнштейну. Вчений показав, що сила тяжкості – це лише спотворення в просторі і часі. Маса створює ефект, відомий як сила тяжіння. Маса створює ефект, відомий як сила тяжіння, шляхом спотворення простору та часу навколо неї.

І чим більша маса, тим більше спотворення. Це означає, що планети обертаються навколо Сонця не тому, що на них впливає якась загадкова сила, а просто тому, що простір і час навколо Сонця спотворені, і планети обертаються навколо нього, як м’яч усередині воронки.

Теорії Ейнштейна доводять, що подорожі в космосі неможливі на більшій швидкості, ніж швидкість світла. Але письменники-фантасти припускають, що космічні кораблі майбутнього зможуть «побити» рекорд швидкості світла шляхом розтягування часу і простору за допомогою уявних «гіперпросторових» двигунів.

Ейнштейн мав рацію

Коли в 1915 р. Ейнштейн опублікував свою загальну теорію відносності, багато хто не дуже зрозумів його докази. Були й такі, хто вважав її абсурдною вигадкою. Чи був спосіб довести твердження Ейнштейна на практиці? Сам він запропонував для підтвердження своєї теорії такий шлях.

Астрономи повинні були зафіксувати невелике зрушення у справжньому положенні віддаленої зірки при проходженні перед нею, щодо спостерігача, нашого Сонця. Таке зрушення показало б, що промені світла від зірки виявилися вигнутими через спотворення простору і часу поблизу Сонця. Тому у травні 1919 р. спеціальні експедиції вирушили до Гвінеї та Бразилії, щоб спостерігати сонячне затемнення — це єдиний час, коли зірки можна бачити поблизу Сонця. Очолив її англійський астрофізик Артур Еддінгтон, який був прихильником складних для розуміння теорій Ейнштейна. Одного разу вчений Людвіг Сільверстайн сказав йому: «Ви, мабуть, один із тих трьох людей на Землі, хто розуміє загальну теорію відносності», маючи на увазі Ейнштейна, себе та Еддінгтона. На що Еддінгтон відповів йому: “Цікаво, а хто ж третій?”

Під час затемнення астрономам дійсно вдалося зробити знімки зірки, на яких було показано, як вона змістилися щодо Сонця — майже так, як передбачив Ейнштейн. Результати спостережень були опубліковані у всьому світі, і незабаром Ейнштейн виявився найзнаменитішим із вчених. Знаменитим був тепер навіть його зовнішній вигляд – неслухняне скуйовджене волосся і опущені донизу вуса.

Сам Ейнштейн був дуже здивований такою увагою до своєї персони, але вона не заважала йому продовжувати роботу.

Ейнштейну хотілося знайти спосіб поєднати природу електромагнетизму і сили тяжіння в одну велику теорію, яка б змогла пояснити, як працює абсолютно все – від зоряних галактик до найменших субатомних частинок. До кінця свого життя вчений продовжував працювати над такою «уніфікованою теорією».

За іронією долі Ейнштейн стояв біля витоків початку квантової теорії, що мала таке ж наукове значення, як і теорія відносності. Вона передбачає, що на субатомному рівні необхідно оперувати поняттями порцій чи квантів енергії. Вона доводить також, що частинки та хвилі взаємозамінні: кожна частка може поводитися як хвиля, а кожна хвиля – як частка. Крім того, квантова теорія показує, що дослідники не можуть точно визначити, де знаходиться частка, а тільки передбачити її можливе місцезнаходження. Тому рано чи пізно частка може опинитися у несподіваному місці.

Бог не грає у кості

І хоча саме завдяки ідеям Ейнштейна щодо взаємовідносин світла та атомів квантова теорія набула розвитку, сам він її не приймав. Це було не лише тому, що, як виявилось. Всесвіт підпорядковувався не одному зведенню законів, а двом: один – для субатомного світу, а інший – для решти. Альберт Ейнштейн відкидав саму нестійку природу квантової теорії загалом.

Теорії відносності Ейнштейна могли здатися екстраординарними, але вони завжди виходили з припущення, що Всесвіт поводиться певним чином. Він просто не міг припустити думку, що Всесвіт керується ймовірністю.

“Бог не грає в кості” – цю знамениту фразу Ейнштейна часто цитують. Насправді він сказав так: «Здається, складним зазирнути в карти Бога. Але те, що він грає в кості і використовує «телепатичні» методи… я не повірю ні на хвилину». Спроби Ейнштейна спростувати квантову теорію, яка все більше здавалася вченому помилковою, призвели до головних доказів того, що квантові ефекти реальні.

У 1920-х роках. Ейнштейн став виявляти все більший інтерес до політичних проблем. У 1933 р. він переїхав до США, де почав працювати в Прінстоні. Там він познайомився з видатними мислителями, такими як австрійський психолог Зігмунд Фрейд та індійський письменник Рабіндранат Тагор. Ейнштейна жахало те, що його ідеї були використані при розробці ядерної зброї, і після Другої світової війни він став затятим прихильником ідеї формування світового уряду, здатного припинити конфлікти між державами. Альберт Ейнштейн помер у квітні 1955 р. у віці 76 років.

Альберт Ейнштейн. Біографія та відкриття Альберта Ейнштейна

Щоб зрозуміти загальну теорію відносності Ейнштейна, уяви собі гумове «простирадло». Тяжкий об’єкт, такий як Сонце (A), робить у ній вм’ятину. Ця вм’ятина образно показує, як сила тяжіння спотворює простір та час. Потім сила тяжіння діє в такий спосіб. Будь-яке тіло, що повільно рухається, що проходить поблизу (наприклад, Земля або інша планета) скочуються в поглиблення, створене (A), і рухаються по шляху (B) всередині нього. Тіла, що рухаються швидше, будуть слідувати по більш відкритій траєкторії навколо A, тоді як промінь світла (C), що проходить на великій відстані і набагато швидше, щодо інших тіл,  що рухаються, скривиться незначно.

Джерело