Алберт Айнщайн — биография, теория на относителността и Нобелова награда

Ранен живот

Айнщайн е роден в Улм, Вюртемберг, Германия, на 14 март 1879 г. Семейството му е еврейско, но не е много религиозно. По-късно в живота си обаче Айнщайн започва да се интересува много от юдаизма. Айнщайн започва да говори едва на 3-годишна възраст. Според по-малката му сестра Мая "той изпитвал такива трудности с езика, че околните се страхували, че никога няма да се научи". Когато Айнщайн е на около 4 години, баща му му подарява магнитен компас. Той усилено се опитвал да разбере как иглата сякаш се движи сама, така че винаги да сочи север. Иглата била в затворена кутия, така че нищо като вятър не можело да я движи, но въпреки това тя се движела. По този начин Айнщайн се заинтересувал от изучаването на природните науки и математиката. Компасът му дал идеи да изследва света на науката.

Когато пораства, отива да учи в Швейцария. След като се дипломира, получава работа в патентното ведомство там. Докато работи там, той пише статиите, които за първи път го правят известен като велик учен.

През януари 1903 г. Айнщайн се жени за 20-годишната сръбкиня Милева Марич.

През 1917 г. Айнщайн се разболява тежко от болест, която едва не го убива, но за щастие той оцелява. Братовчедка му Елза Льовентал го излекува. След като това се случва, Айнщайн се развежда с Милева на 14 февруари 1919 г. и се жени за Елза на 2 юни 1919 г.

Деца

Първата дъщеря на Айнщайн е Лизерл Айнщайн. Тя е родена в Нови Сад, Войводина, Австро-Унгария, на 27 януари 1902 г. Първите си години прекарва под грижите на сръбски баба и дядо, защото баща ѝ Алберт не иска да я заведе в Швейцария, където има предложение за работа в патентното ведомство. Някои историци смятат, че тя умира от скарлатина.

Двамата синове на Айнщайн са Ханс Алберт Айнщайн и Едуард Тете Айнщайн. Ханс Алберт е роден в Берн, Швейцария, през май 1904 г. Той става професор в Бъркли (Калифорния). Едуард е роден в Цюрих, Швейцария, през юли 1910 г. Той умира на 55-годишна възраст от инсулт в психиатричната университетска болница в Цюрих "Бургьолцли" . Заради шизофренията си той прекарва живота си в болници и извън тях.

По-късен живот

През пролетта на 1914 г. той се връща в Германия и става редови член на Пруската академия и директор на новосъздадения институт по физика към Кайзер-Вилхелм-Гезелшафт. Живее в Берлин и през ноември 1915 г. завършва Общата теория на относителността. Във Ваймарската република е политически активен в полза на социализма и ционизма. През 1922 г. получава Нобелова награда за физика за обяснението на фотоелектричния ефект през 1905 г. След това се опитва да формулира обща теория на полето, обединяваща гравитацията и електромагнетизма, но без успех. Има резерви към квантовата механика, изобретена от Хайзенберг (1925 г.) и Шрьодингер (1926 г.). През пролетта на 1933 г. Айнщайн и Елза пътуват в САЩ, когато на власт идва нацистката партия. Нацистите са били жестоко антисемитски настроени. Те наричат теорията на относителността на Айнщайн "еврейска физика", а някои немски физици започват полемика срещу теориите му. Други, като Планк и Хайзенберг, защитаваха Айнщайн.

След завръщането си в Белгия, предвид заплахите от страна на нацистите, Айнщайн подава оставка от поста си в Пруската академия с писмо от Остенде. Айнщайн и Елза решават да не се връщат в Берлин и се преместват в Принстън, Ню Джърси в САЩ, а през 1940 г. той става гражданин на САЩ.

Преди Втората световна война, през август 1939 г., Айнщайн по предложение на Лео Силард пише на президента на САЩ Франклин Д. Рузвелт, че Съединените щати трябва да изобретят атомна бомба, за да не може нацисткото правителство да ги изпревари. Той подписва писмото. Той обаче не е бил част от проекта "Манхатън", който е проектът, създал атомната бомба.

На Айнщайн, който е евреин, но не е израелски гражданин, е предложено да стане президент през 1952 г., но той отказва, като заявява: "Дълбоко съм развълнуван от предложението на нашата държава Израел и едновременно с това съм натъжен и засрамен, че не мога да го приема." Съобщава се, че Ехуд Олмерт е обмислял да предложи председателството на друг не-израелец, Ели Визел, но се твърди, че той "много не се интересува".

Изследва гравитацията в Института за напреднали изследвания в Принстън, Ню Джърси, до смъртта си на 18 април 1955 г. от спукана аневризма на аортата. Часове преди смъртта си той все още пише за квантовата физика. Награден е с Нобелова награда за физика.

През 1905 г. той изказва теорията, че светлината се състои от малки частици, наречени фотони ^ . С помощта на тази теория той успява да обясни фотоелектричния ефект. Формулата, отнасяща се до енергията и честотата на фотона, е E = h f {\displaystyle E=hf} . Това означава, че светлината с по-висока честота има повече енергия на един фотон.

Фотоелектрическият ефект се проявява, когато светлината, падаща върху метална повърхност, я кара да излъчва електрони. Трудността за класическата вълнова теория е да обясни защо този ефект се проявява само при високочестотна светлина, като например ултравиолетовата, но не и при по-нискочестотна, като червената или инфрачервената. Айнщайн показа, че тъй като светлината с по-висока честота има фотони с по-голяма енергия, тя има по-голям шанс да изтласка електроните от метала.

Айнщайн успява да обясни и други явления с фотони, като флуоресценция и йонизация. През 1921 г. той получава Нобелова награда за това откритие.

Теорията на специалната относителност е публикувана от Айнщайн през 1905 г. в статията "Електродинамика на движещите се тела". В нея се казва, че както измерванията на разстоянието, така и измерванията на времето се променят в близост до скоростта на светлината. Това означава, че с приближаването към скоростта на светлината (близо 300 000 километра в секунда) дължините изглеждат по-къси, а часовниците тиктакат по-бавно. Айнщайн казва, че специалната теория на относителността се основава на две идеи. Първата е, че законите на физиката са едни и същи за всички наблюдатели, които не се движат един спрямо друг.

За нещата, които се движат в една и съща посока с една и съща скорост, се казва, че се намират в "инерциална рамка".

Хората, които се намират в една и съща "рамка", измерват колко време е необходимо, за да се случи нещо. Техните часовници отчитат едно и също време. Но в друга "рамка" часовниците им се движат с различна скорост. Причината за това е следната. Независимо от това как се движи един наблюдател, ако той измери скоростта на светлината, идваща от тази звезда, тя винаги ще бъде едно и също число.

Представете си, че един астронавт е сам в друга вселена. В нея има само астронавт и космически кораб. Движи ли се той? Стои ли неподвижно? Тези въпроси не означават нищо. Защо? Защото когато казваме, че се движим, имаме предвид, че можем да измерим разстоянието си до нещо друго в различни моменти. Ако числата се увеличават, ние се отдалечаваме. Ако числата стават по-малки, ние се приближаваме. За да имате движение, трябва да имате поне две неща. Самолетът може да се движи с няколкостотин километра в час, но пътниците да казват: "Аз просто си седя тук".

Да предположим, че някои хора се намират на космически кораб и искат да направят точен часовник. В единия край поставят огледало, а в другия край - проста машина. Тя изстрелва една кратка светлинна вълна към огледалото и след това изчаква. Светлината се удря в огледалото и се отразява обратно. Когато тя попадне в светлинния детектор на машината, машината казва: "Брой = 1", едновременно с това изстрелва още един къс поток светлина към огледалото и когато тази светлина се върне, машината казва: "Брой = 2". Те решават, че определен брой отскоци ще се определят като секунда, и карат машината да променя брояча на секундите всеки път, когато засече този брой отскоци. Всеки път, когато променя брояча на секундите, тя също така пуска светлина през илюминатора под машината. Така че някой отвън може да види как светлината мига всяка секунда.

Всяко дете в началното училище научава формулата d=rt (разстоянието е равно на скоростта, умножена по времето). Знаем скоростта на светлината и лесно можем да измерим разстоянието между машината и огледалото и да го умножим, за да получим разстоянието, което изминава светлината. Така имаме и d, и r, и лесно можем да изчислим t. Хората на космическия кораб сравняват новия си "светлинен часовник" с различните си ръчни часовници и други часовници и са доволни, че могат да измерват добре времето с помощта на новия си светлинен часовник.

Сега този космически кораб се движи много бързо. Те виждат светкавица от часовника на космическия кораб, а след това виждат още една светкавица. Само че светкавиците не са на разстояние една секунда. Те идват с по-бавна скорост. Светлината винаги се движи с една и съща скорост, d = rt. Ето защо часовникът на космическия кораб не мига веднъж в секунда за външния наблюдател.

Специалната теория на относителността също така свързва енергията с масата във формулата E=mc на Алберт Айнщайн . ²

E=mc² , наричана още еквивалентност на масата и енергията, е едно от нещата, с които Айнщайн е най-известен. Това е известно уравнение във физиката и математиката, което показва какво се случва, когато масата се променя в енергия или енергията се променя в маса. Буквата "Е" в уравнението означава енергия. Енергията е число, което се дава на обектите в зависимост от това колко силно те могат да променят други неща. Например тухла, която виси над яйце, може да придаде достатъчно енергия на яйцето, за да го счупи, но перо не може.

Съществуват три основни форми на енергия: потенциална енергия, кинетична енергия и енергия на покой. Две от тези форми на енергия могат да се видят в примерите, дадени по-горе, и в примера с махалото.

Пушечна топка виси на въже от железен пръстен. Един кон дърпа топката към дясната страна. Когато пушката се освободи, тя се движи напред-назад, както е показано на схемата. То би се движило така вечно, освен ако движението на въжето в пръстена и триенето на други места не предизвиква триене, а триенето отнема малко енергия през цялото време. Ако пренебрегнем загубите, дължащи се на триенето, тогава енергията, предоставена от коня, се предава на топката като потенциална енергия. (Тя има енергия, защото е нависоко и може да падне надолу.) Докато оръдейната топка се люлее надолу, тя набира все по-голяма скорост, така че колкото по-близо е до дъното, толкова по-бързо се движи и толкова по-силно би ви ударила, ако застанете пред нея. След това то се забавя, тъй като кинетичната му енергия се превръща отново в потенциална. "Кинетична енергия" означава просто енергията, която нещо има, защото се движи. "Потенциална енергия" означава енергията, която нещо има, защото се намира на по-високо място от нещо друго.

Когато енергията преминава от една форма в друга, количеството ѝ винаги остава същото. Тя не може да бъде създадена или унищожена. Това правило се нарича "закон за запазване на енергията". Например, когато хвърляте топка, енергията се предава от ръката ви на топката, когато я пускате. Но енергията, която е била в ръката ви, и енергията, която сега е в топката, са едно и също число. Дълго време хората смятаха, че запазването на енергията е всичко, за което трябва да се говори.

Когато енергията се превръща в маса, количеството енергия не остава същото. Когато масата се трансформира в енергия, количеството на енергията също не остава същото. Въпреки това количеството на материята и енергията остава същото. Енергията се превръща в маса, а масата - в енергия по начин, който се определя от уравнението на Айнщайн: E = mc² .

Буквата "m" в уравнението на Айнщайн означава маса. Масата е количеството материя, което се намира в дадено тяло. Ако знаете броя на протоните и неутроните в едно парче вещество, например тухла, можете да изчислите общата му маса като сума от масите на всички протони и на всички неутрони. (Електроните са толкова малки, че са почти пренебрежими.) Масите се привличат една друга и много голяма маса, като тази на Земята, привлича много силно нещата наблизо. На Юпитер ще тежите много повече, отколкото на Земята, защото Юпитер е толкова огромен. На Луната бихте тежали много по-малко, защото тя е само около една шеста от масата на Земята. Теглото е свързано с масата на тухлата (или на човека) и масата на това, което я дърпа надолу на пружинната везна - което може да е по-малко от най-малката луна в Слънчевата система или по-голямо от Слънцето.

Масата, а не теглото, може да се трансформира в енергия. Друг начин за изразяване на тази идея е да се каже, че материята може да се трансформира в енергия. Единиците за маса се използват за измерване на количеството материя в нещо. Масата или количеството на материята в нещо определя в колко енергия може да се превърне това нещо.

Енергията също може да се превърне в маса. Ако бутате бебешка количка с бавна крачка и я бутате лесно, но я бутате с бърза крачка и я движите по-трудно, тогава ще се чудите какво не е наред с количката. След това, ако се опитате да тичате и установите, че придвижването на бебешката количка с по-бърза скорост е като бутане срещу тухлена стена, ще бъдете много изненадани. Истината е, че когато нещо се движи, масата му се увеличава. Човешките същества обикновено не забелязват това увеличение на масата, защото при скоростта, с която хората обикновено се движат, увеличението на масата е почти нулево.

Когато скоростта се доближи до скоростта на светлината, промените в масата стават невъзможни за забелязване. Основният опит, който всички споделяме в ежедневието, е, че колкото по-силно натискаме нещо като автомобил, толкова по-бързо може да го задвижим. Но когато нещо, което бутаме, вече се движи с голяма част от скоростта на светлината, откриваме, че то продължава да набира маса, така че става все по-трудно да го накараме да се движи по-бързо. Невъзможно е да накараме каквато и да е маса да се движи със скоростта на светлината, защото за това е необходима безкрайна енергия.

Понякога масата се превръща в енергия. Често срещани примери за елементи, които извършват тези промени, които наричаме радиоактивност, са радий и уран. Атомът на урана може да загуби алфа частица (атомното ядро на хелия) и да се превърне в нов елемент с по-леко ядро. Тогава този атом ще излъчи два електрона, но все още няма да е стабилен. Той ще излъчва поредица от алфа частици и електрони, докато накрая се превърне в елемента Pb или това, което наричаме олово. Изхвърляйки всички тези частици, които имат маса, той е направил собствената си маса по-малка. Също така е произвело енергия.

При повечето случаи на радиоактивност цялата маса на веществото не се превръща в енергия. В атомната бомба уранът се превръща в криптон и барий. Има малка разлика в масата на получените криптон и барий и масата на първоначалния уран, но енергията, която се освобождава при промяната, е огромна. Един от начините да изразим тази идея е да запишем уравнението на Айнщайн по следния начин:

E = (_муран - мкриптон _{и барий)} c ²

С² в уравнението се означава скоростта на светлината на квадрат. Да квадратирате нещо означава да го умножите по себе си, така че ако квадратирате скоростта на светлината, тя ще бъде 299 792 458 метра в секунда, умножена по 299 792 458 метра в секунда, което е приблизително
(3-10 )⁸² = (9-10¹⁶ метра² )/секунди²
 = 90 000 000 000 000 000 метра /секунди²²
 Така че енергията, произведена от един килограм, ще бъде:
E = 1 kg - 90 000 000 000 000 000 000 метра /секунди²²
 E = 90 000 000 000 000 000 000 kg метра /секунди²²
 или
E = 90 000 000 000 000 000 000 джаула
или
E = 90 000 тераджаула

Около 60 тераджаула са били освободени от атомната бомба, която избухна над Хирошима. Така че около две трети от грама от радиоактивната маса в атомната бомба трябва да е била загубена (превърната в енергия), когато уранът се е превърнал в криптон и барий.

Идеята за кондензат на Бозе-Айнщайн се ражда в резултат на сътрудничеството между С. Н. Бозе и проф.Айнщайн. Самият Айнщайн не я е изобретил, а вместо това е усъвършенствал идеята и е спомогнал тя да стане популярна.

Концепцията за енергията на нулевата точка е разработена в Германия от Алберт Айнщайн и Ото Щерн през 1913 г.

В класическата физика инерцията се обяснява с уравнението:

p = mv

където

p представлява инерция

m представлява маса

v е скорост (скорост).

Когато Айнщайн обобщил класическата физика, за да включи увеличаването на масата в резултат на скоростта на движещата се материя, той стигнал до уравнение, което предсказва, че енергията се състои от два компонента. Единият компонент включва "маса на покой", а другият - импулс, но импулсът не е дефиниран по класическия начин. Уравнението обикновено има стойности, по-големи от нула, и за двата компонента:

E² = (m c )₀²² + (pc)²

където

E представлява енергията на частица

m₀ представлява масата на частицата, когато тя не се движи

p представлява моментът на импулса на частицата, когато тя се движи

c е скоростта на светлината.

Това уравнение има два специални случая.

Фотонът няма маса на покой, но има импулс. (Светлината, отразена от огледало, избутва огледалото със сила, която може да бъде измерена.) В случая с фотона, тъй като неговото m₀ = 0, тогава:

E² = 0 + (pc)²

E = pc

p = E/c

Енергията на един фотон може да се изчисли от неговата честота ν или дължина на вълната λ. Те са свързани помежду си чрез връзката на Планк: E = hν = hc/λ, където h е константата на Планк (6,626×10⁻³⁴ джаул-секунди). Като знаете честотата или дължината на вълната, можете да изчислите импулса на фотона.

В случая на неподвижни частици с маса, тъй като p = 0, тогава:

E₀² = (m c )₀²² + 0

което е просто

E₀ = m c₀²

Затова величината "m₀ ", използвана в уравнението на Айнщайн, понякога се нарича "маса на покой". (Буквата "0" ни напомня, че става дума за енергията и масата, когато скоростта е 0.) Тази прочута формула за "отношението маса-енергия" (обикновено се изписва без "0") подсказва, че масата има голямо количество енергия, така че може би бихме могли да превърнем част от масата в по-полезна форма на енергия. Ядрената енергетика се основава на тази идея.

Айнщайн казва, че не е добра идея да се използва класическата формула, отнасяща импулса към скоростта, p = mv, но ако някой иска да направи това, трябва да използва маса на частицата m, която се променя със скоростта:

m_v² = m₀² / (1 - v /c )²²

В този случай можем да кажем, че E = mc² важи и за движещи се частици.

Общата теория на относителността е публикувана през 1915 г., десет години след създаването на специалната теория на относителността. Общата теория на относителността на Айнщайн използва идеята за пространство-времето. Пространственото време е фактът, че имаме четириизмерна вселена, която има три пространствени (пространствени) измерения и едно времево (времево) измерение. Всяко физическо събитие се случва на някакво място в тези три пространствени измерения и в някакъв момент от времето. Според общата теория на относителността всяка маса предизвиква изкривяване на пространство-времето, а всяка друга маса следва тези криви. По-голямата маса води до по-голямо изкривяване. Това е нов начин за обяснение на гравитацията (тежестта).

Общата теория на относителността обяснява гравитационната леща, която представлява огъване на светлината, когато тя се приближава до масивен обект. Това обяснение се оказа вярно по време на слънчево затъмнение, когато поради тъмнината на затъмнението можеше да се измери огъването на слънчевата светлина от далечни звезди.

Общата теория на относителността също така поставя началото на космологията (теории за структурата на нашата Вселена на големи разстояния и за дълъг период от време). Айнщайн смята, че Вселената може да се изкриви малко както в пространството, така и във времето, така че Вселената винаги е съществувала и винаги ще съществува, и че ако един обект се движи през Вселената, без да се блъска в нищо, той ще се върне на началното си място, от другата посока, след много дълго време. Той дори променил уравненията си, като включил "космологична константа", за да създаде математически модел на една непроменяща се Вселена. Общата теория на относителността също така позволява на Вселената да се разпространява (да става все по-голяма и по-малко плътна) завинаги и повечето учени смятат, че астрономията е доказала, че това се случва. Когато Айнщайн осъзнава, че добри модели на Вселената са възможни и без космологичната константа, той нарича използването на космологичната константа своя "най-голям гаф" и тази константа често се пропуска от теорията. Въпреки това много учени сега смятат, че космологичната константа е необходима, за да се вмести във всичко, което сега знаем за Вселената.

Една от популярните теории в космологията се нарича Големият взрив. Според теорията за Големия взрив Вселената се е образувала преди 15 милиарда години в така наречената "гравитационна сингулярност". Тази сингулярност е била малка, плътна и много гореща. Според тази теория цялата материя, която познаваме днес, е произлязла от тази точка.

Самият Айнщайн не е имал идеята за "черна дупка", но по-късно учените използват това име за обект във Вселената, който огъва пространство-времето толкова много, че дори светлината не може да го избегне. Те смятат, че тези свръхплътни обекти се образуват, когато гигантски звезди, поне три пъти по-големи от нашето Слънце, умират. Това събитие може да последва така наречената свръхнова. Образуването на черни дупки може да бъде основен източник на гравитационни вълни, така че търсенето на доказателства за гравитационни вълни се е превърнало във важно научно занимание.

Много учени се интересуват само от работата си, но Айнщайн често говори и пише и за политиката и световния мир. Той харесва идеите за социализъм и за едно-единствено правителство за целия свят. Работил е и за ционизма - усилието да се опита да създаде новата държава Израел.

Подтикнат от своя колега Л. Е. Я. Брууер, Айнщайн прочита книгата на философа Ерик Гуткинд "Избери живота", в която се обсъжда връзката между еврейското откровение и съвременния свят. На 3 януари 1954 г. Айнщайн изпраща следния отговор на Гуткинд: "Думата "Бог" за мен не е нищо повече от израз и продукт на човешките слабости, а Библията - сборник от благородни, но все още примитивни легенди, които обаче са доста детински. .... За мен еврейската религия, както и всички останали религии, е въплъщение на най-детинските суеверия." През 2018 г. писмото му до Гуткинд е продадено за 2,9 млн. долара.

Макар че Айнщайн измислил много идеи, които помогнали на учените да разберат света много по-добре, той не бил съгласен с някои научни теории, които се харесвали на други учени. Теорията на квантовата механика обсъжда неща, които могат да се случат само с определени вероятности, които не могат да бъдат предсказани с по-голяма точност, независимо от това с колко много информация бихме могли да разполагаме. Този теоретичен стремеж се различава от статистическата механика, в която Айнщайн е извършил важна работа. Айнщайн не е харесвал онази част от квантовата теория, която отрича нещо повече от вероятността да се окаже вярно за нещо, когато то бъде действително измерено; той е смятал, че би трябвало да е възможно да се предскаже всичко, ако разполагаме с правилна теория и достатъчно информация. Веднъж той каза: "Не вярвам, че Бог играе на зарове с Вселената."

Тъй като Айнщайн е помогнал толкова много на науката, днес името му се използва за няколко различни неща. Единица, използвана във фотохимията, е кръстена на него. Тя е равна на числото на Авогадро, умножено по енергията на един фотон светлина. Химическият елемент айнщайниум също е наречен на името на учения. На жаргон понякога наричаме много умен човек "Айнщайн".

Повечето учени смятат, че теориите на Айнщайн за специалната и общата теория на относителността работят много добре, и използват тези идеи и формули в своята работа. Айнщайн не е съгласен, че явленията в квантовата механика могат да се случат по чиста случайност. Той смята, че всички природни явления имат обяснения, които не включват чиста случайност. Голяма част от по-късния си живот той прекарва в опити да намери "единна теория на полето", която да включва неговата обща теория на относителността, теорията на Максуел за електромагнетизма и може би по-добра квантова теория. Повечето учени не смятат, че той е успял в този опит.