Реферат
Тема: Жизнь и творчествоАльберта Эйнштейна
Содержание
Введение
1 Начало пути
2 Бюро патентов. Первые шаги к признанию
3 Знаменитые теории Альберта Эйнштейна
3.1. Броуновское движение
3.2 Кванты и фотоэффект
3.3 Частная (специальная) теория относительности
3.4 Общая теория относительности
4 Калейдоскоп изобретений и экспериментов
5 Эмиграция
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Эйнштейн Альберт(1879-1955), физик-теоретик, один из основателей современной физики. Создательспециальной и общей теории относительности, коренным образом изменившихпредставления о пространстве, времени и материи. В 1905 году в статье «Кэлектродинамике движущихся тел» разработал основы специальной теорииотносительности, изложив новые законы движения. В основу своей теории положилдва постулата: специальный принцип относительности, являющийся обобщениеммеханического принципа относительности Галилея на любые физические явления ипринцип постоянства скорости света в вакууме.
Оба постулата и теория, построенная на их основе, заставилипересмотреть ряд основных положений классической физики Ньютона, установилновый взгляд на мир, новые пространственно-временные представления. В том же1905 году открыл закон взаимосвязи массы и энергии заключенной в телах. Этосоотношение Эйнштейна лежит в основе расчета энергетического баланса ядерныхреакций, в основе всей ядерной физики. В 1915 году завершил создание общейтеории относительности или современной релятивистской теории тяготения, установилсвязь между пространством временем и материей. Вывел уравнение, описывающееполе тяготения.
Автор основополагающих трудов по квантовой теории света: ввелпонятие фотона, установил законы фотоэффекта, основной закон фотохимии,предсказал индуцированное излучение. Развил статистическую теорию броуновскогодвижения, заложив основы теории флуктуаций, создал квантовую статистику Бозе-Эйнштейна. С 1933 годаработал над проблемами космологии и единой теории поля.
Эйнштейн лауреат Нобелевской премии 1921 года, член многихакадемий наук, в частности иностранный член АН СССР.
Цель данной работы: ознакомиться с жизнью и творчеством великогоученого-физика Альберта Эйнштейна.
Структура работы: работасостоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы.Общий объем работы 25 страниц.
1 Начало пути
Альберт Эйнштейн родилсяв старинном немецком городе Ульме, но через год семья переселилась в Мюнхен,где отец Альберта, Герман Эйнштейн, и дядя Якоб организовали небольшую компанию«Электротехническая фабрика Я.Эйнштейна и К°». Вначале дела компании,занимавшейся усовершенство-ванием приборов дугового освещения,электроизмерительной аппаратурой и генераторами постоянного тока, шли довольноуспешно. Но в 90-х гг. 19 века, в связи с расширением строительства крупныхэлектроцентралей и линий дальних электропередач, возник целый ряд мощныхэлектротехнических фирм. Надеясь спасти компанию, братья Эйнштейны в 1894 году перебралисьв Милан, однако через два года, не выдержав конкуренции, компания прекратиласвое существование.
Альберт до трех лет неговорил, но уже в ранние годы проявлял необычайное любопытство в отношениитого, как устроен окружающий мир, и способность понимать сложные математическиеидеи. В 12-летнем возрасте он сам по книгам выучил евклидовую геометрию.
Дядя Якоб уделял многовремени маленькому племяннику. «Я помню, например, что теорема Пифагора быламне показана моим дядей еще до того, как в мои руки попала священная книжечкапо геометрии», — так Эйнштейн в воспоминаниях, говорил об учебнике евклидовойгеометрии. Часто дядя задавал мальчику математические задачи, и тот «испытывалподлинное счастье, когда справлялся с ними».
Родители отдали Альбертасначала в католическую начальную школу, а затем в мюнхенскую классическуюгимназию Луитпольда, известную как прогрессивное и весьма либеральное учебноезаведение, но которую он так и не окончил. И в школе, и в гимназии Альбертприобрел не лучшую репутацию. Чтение научно-популярных книг породило у юногоЭйнштейна, по его собственному выражению, «прямо-таки фантастическоесвободомыслие». В своих воспоминаниях М.Борн писал: «Уже в ранние годы Эйнштейнпоказал неукротимую волю к независимости. Он ненавидел игру в солдаты, потомучто это означало насилие». Позже Эйнштейн говорил, что людям, которымдоставляет удовольствие маршировать под звуки марша, головной мозг досталсязря, они вполне могли бы довольствоваться одним спинным.
Тупая регламентация и скука в мюнхенскойшколе отталкивала молодого Эйнштейна. Когда постоянные деловые неудачи заставили семью в 1894 году покинуть Германию и переехать в Италию, в Милан, 15-летний Эйнштейнвоспользовался этой возможностью и бросил школу. Еще год он провел вместе с родителями вМилане. В октябре 1895 года шестнадцатилетний Эйнштейнпешком отправился из Милана в Цюрих, чтобы поступить в Федеральную высшуютехническую школу — знаменитый Политехникум, для поступления в который нетребовалось свидетельства об окончании средней школы. Блестяще сдаввступительные экзамены по математике, физике и химии, он, однако, с трескомпровалился по другим предметам. Ректор Политехникума, оценив незаурядныематематические способности Эйнштейна, направил его для подготовки вкантональную школу в Аарау (в 20 милях к западу от Цюриха), которая в то времясчиталась одной из лучших в Швейцарии. Год, проведенный в этой школе, которойруководил серьезный ученый и прекрасный педагог А.Таухшмид, оказался и оченьполезным, и — по контрасту с казарменной обстановкой в Пруссии — приятным.
Выпускные экзамены вАарау Эйнштейн сдал вполне успешно (кроме экзамена по французскому языку), чтодало ему право на зачисление в Политехникум в Цюрихе. «Поли», как его обычноназывали студенты и преподаватели,– в те годы по праву считался одним из лучшихвузов мира по уровню преподавания точных наук и технических дисциплин. Кафедруфизики там возглавлял профессор В.Г.Вебер, прекрасный лектор и талантливыйэкспериментатор, занимавшийся в основном вопросами электротехники. Поначалу он былпринят очень хорошо, но затем отношения между Эйнштейном и руководителямикафедры физики Вебером и Перне стали складываться далеко не лучшим образом и вконце концов перешли во взаимную враждебность. В какой-то мере это объяснялосьчисто научными причинами. Отличаясь консерватизмом взглядов на электромагнитныеявления, Вебер не принимал теории Максвелла, представлений о поле ипридерживался концепции дальнодействия. Его студенты узнавали прошлое физики,но не ее настоящее и, тем более, будущее. Эйнштейн же изучал труды Максвелла,был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как нанего действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можноэкспериментально обнаружить движение относительно эфира. Он тогда не знал обопытах Майкельсона и независимо от него предложил свою интерференционную методику.Но опыты, придуманные Эйнштейном, со страстью работавшим в физическомпрактикуме, не имели шансов осуществиться. «Скепсис» Вебера в отношениизадуманных Эйнштейном экспериментов по обнаружению «эфирного ветра» вполнепонятен: он просто не верил в существование эфира. Конечно, Вебер в концеконцов оказался в этом прав, но вера его проистекала не из глубокого анализасостояния электродинамики на рубеже столетий, а, наоборот, из ее полногоигнорирования. Понятно, что архаичные взгляды профессора и его столь слабаяосведомленность в наиболее актуальных вопросах физической науки не могли неуронить его авторитет в глазах студента, в своем самообразовании ушедшего ужегораздо дальше.
Преподавателинедолюбливали строптивого студента. «Вы умный малый, Эйнштейн, очень умныймалый, но у вас есть большой недостаток — вы не терпите замечаний», — сказалему как-то Вебер, и этим определялось многое.
В книгах об ЭйнштейнеВебер неизменно выступает в качестве, так сказать, отрицательного героя. Идействительно, трудное положение, в котором оказался будущий великий физикпосле окончания Поли, целиком дело рук Вебера, но не следует забывать, скольнелегким студентом был молодой Эйнштейн. Конфликт с Вебером дорого обошелсяЭйнштейну: весьма успешно сдав выпускные экзамены и получив диплом об окончанииПолитехникума, он остался без работы. Вебер не только не захотел взять егоассистентом (у него на кафедре в это время были две вакансии, на которые онпринял выпускников другого факультета), но даже использовал свое влияние, чтобыпомешать Эйнштейну получить какое-нибудь другое место.
2 Бюро патентов. Первыешаги к признанию
После окончания Политехникума молодойдипломированный преподаватель физики (Эйнштейну шел тогда двадцать второй год)жил в основном у родителей в Милане и два года не мог найти постоянной работы.Только в 1902 году, по рекомендации друзей, он получил наконец место эксперта вфедеральном Бюро патентов в Берне. Незадолго до этого Эйнштейн сменилгражданство и стал швейцарским подданным.
Эйнштейн был зачислен в Патентное бюро надолжность технического эксперта III класса (а не II, как он хотел) с годичнымиспытательным сроком – он должен был овладеть техническими дисциплинами ичерчением. Испытательный срок затянулся более чем на два года. Только всентябре 1904 года Эйнштейн стал полноправным техническим экспертом III класса,а вопрос о переводе его на должность эксперта II класса был решен только в 1906году, когда его «звездные» работы были уже опубликованы.
К моменту поступления в бюро Эйнштейна, оно былодля своего времени учреждением весьма высокого класса. Четко отлаженнаядеятельность патентного ведомства, несомненно, способствовала промышленномуразвитию Швейцарии в начале нашего столетия. Служащие бюро работали впросторных светлых помещениях, оборудованных по последнему слову тогдашнейоргтехники. Технические эксперты Бюро патентов получали жалованье на уровнеуниверситетских профессоров. Все они были специалисты высокого класса, вбольшинстве своем закончившие, как и Эйнштейн, цюрихский Политехникум.
Служба в бернском Бюропатентов, несомненно, оказала влияние на многие события его жизни. По словамсамого Эйнштейна, которые звучат, правда, несколько парадоксально, именно онапозволила ему спокойно и плодотворно работать в области теоретической физики. Обретенная,благодаря этой удовлетворительно оплачиваемой работе финансовая независимость,устойчивость положения позволили Эйнштейну построить семью. Через несколькомесяцев после устройства на работу он женился на своей бывшей цюрихскойоднокурснице Милеве Марич, родом из Сербии, которая была на четыре года старшеего. Их семейная жизнь сложилась неудачно. Для Эйнштейна физика всегда была напервом месте. Оно же было практически и единственным.
Технический эксперт былобязан подвергать проверке, оценке и корректировке поступающие патентныезаявки, решать спорные вопросы с изобретателями, выписывать авторскиеудостоверения. Это была работа не только с бумагами. Эксперт был обязанпроводить испытания действующих патентуемых моделей или образцов. За день приходилосьобрабатывать не менее трех заявок. Рабочий день служащего Патентного бюродлился восемь часов. К тому же Эйнштейн должен был, по крайней мере, в первыегоды, находить время для освоения технического черчения. Директор бюро Галлербыл приверженцем жесткой дисциплины. Себя и своих коллег Эйнштейн называл «батраками»,«патентными рабами», а само учреждение «светским монастырем». Эйнштейна какзнатока электродинамики Максвелла загрузили в первую очередь «электрическими»патентами.
В бюро патентов Эйнштейн проработалсемь с лишним лет, считая эти годы самыми счастливыми в жизни. Скорее всего, онимел в виду не материальные блага, к которым он всегда относился с большойдолей безразличия, и не наличие якобы свободного времени для занятий наукой. Внепростой бернский период своей жизни Эйнштейн взялся за сложные нетривиальныезадачи и успешно решил их. Он с оптимизмом говорил: «…после восьми часов работыостается еще восемь часов на всякую всячину, да еще есть воскресенье». МаксБорн писал: «Чтобы успешно заниматься наукой в виде побочного труда, нужно былобыть Эйнштейном».
Должность «патентногослужки» постоянно занимала его ум различными научными и техническими вопросами,но оставляла достаточно времени для самостоятельной творческой работы. Еерезультаты к середине «счастливых бернских лет» составили содержание научныхстатей, которые изменили облик современной физики, принесли Эйнштейну мировуюславу.
Годы работы в Патентномбюро были счастливыми и благодаря так называемой «Академии Олимпа». В первыемесяцы пребывания в Берне Эйнштейн дал объявление о частных уроках. Наобъявление откликнулся Морис Соловин, изучавший в Цюрихском университетефилософию. Уроки быстро переросли в обсуждения различных проблем. Соловинпредложил вместе читать по вечерам интересные книги. Вскоре к ним присоединилсяКонрад Габихт, приехавший в Берн для завершения своего математическогообразования. Свой кружок молодые люди назвали «Академия Олимпа». Они собирались послеработы и читали сочинения Спинозы, Юма, Ампера, Гельмгольца, Римана, Пуанкаре,трактаты математиков Дедекинда и Клиффорда и многое другое. Они читали такиешедевры мировой литературы: «Антигона» Софокла, «Рождественские рассказы»Диккенса, «Дон–Кихот» Сервантеса.
Соловин вспоминал: «Прочитываласьодна страница, иногда только полстраницы, а порой только одна фраза, после чегоследовало обсуждение, которое, могло затянуться на много дней». Друзейобъединяло искреннее стремление учиться, познавать то, что не давала высшаяшкола. Вскоре к ним примкнул Микеланжело Бессо. По рекомендации Эйнштейна онпоступил в 1904 году в Бернское патентное бюро. С работы они часто возвращалисьвместе и вели нескончаемые беседы. Бессо обладал энциклопедическими знаниями,был заядлым спорщиком. Эйнштейн потом писал, что не знал «лучшего резонаторановых идей». Бессо был первым, кому Эйнштейн рассказал о теорииотносительности. Статью «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн заканчиваетсловами: «В заключение отмечу, что мой друг и коллега М.Бессо явился вернымпомощником при разработке изложенных здесь проблем и что я обязан ему рядомценных указаний». Заседания «академии» чаще всего проходили на квартиреЭйнштейна. Когда в 20-х годах журналисты спросили, где была создана теорияотносительности, он без колебаний назвал адрес своей бернской квартиры.
Ученая степень докторафилософии была присвоена Эйнштейну в 1905 году, но только в 1908 году он былутвержден приват-доцентом в Берне, а в 1909 году принял приглашение занятьместо экстраординарного профессора теоретической физики в Цюрихском университетеи покинул Патентное бюро в Берне.
3 Знаменитые теории АльбертаЭйнштейна
3.1 Броуновское движение
Год 1905 сталзнаменательным в истории физики.
В этом году Эйнштейнопубликовал три важнейшие работы, сыгравшие выдающуюся роль во всем последующемразвитии физики ХХ века. В первой из них, посвященной броуновскому движению, онсделал важные предсказания о движении взвешенных в жидкости частиц,обусловленном столкновениями с молекулами. Предсказания позднее подтвердилисьна опыте.
Во второй работе, посвященнойфотоэффекту, Эйнштейн высказал революционную гипотезу о природе света: приопределенных обстоятельствах свет можно рассматривать как поток частиц,фотонов, энергия которых пропорциональна частоте световой волны. Практически ненашлось физиков, которые согласились бы с этой идеей Эйнштейна. Потребовалисьдва десятилетия напряженных усилий экспериментаторов и теоретиков, чтобыкартина фотонов стала общепризнанной в рамках квантовой механики.
Но наиболее революционнойстала третья работа Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой снеобычайной ясностью были изложены идеи частной теории относительности (ЧТО),разрушившей классические представления о пространстве-времени, существовавшиесо времени Ньютона.
Первая из этих статей — «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, вытекающем измолекулярно-кинетической теории», вышедшая в 1905 году, была посвящена теорииброуновского движения.
Это явление (непрерывноебеспорядочное зигзагообразное движение частичек цветочной пыльцы в жидкости),открытое в 1827 году английским ботаником Р.Броуном, уже получило тогдастатистическое объяснение, но теория Эйнштейна (который не знал предшествующихработ по броуновскому движению) имела законченную форму и открывала возможностиколичественных экспериментальных исследований.
Эйнштейн связал движениечастиц, наблюдаемое в микроскоп, со столкновениями этих частиц с невидимымимолекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движенияпозволяет вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объеме. Эта работа Эйнштейна имела особое значение потому, чтосуществование молекул, считавшихся не более чем удобной абстракцией, в то времяеще ставилось под сомнение.
Решения важнейшего дляфизики вопроса о реальности атомов Эйнштейн ждет не от туманныхнатурфилософских рассуждений и не от бесконечных словопрений, а от прямого, таксказать «лобового», опыта, причем, как видно, ждет с нетерпением. «Если быкакому-либо исследователю удалось вскоре ответить на поднятые здесь вопросы!» — таким восклицанием заканчивается статья. Для Эйнштейна эта статья неотвлеченная «игра ума», не еще одна публикация в солидном журнале, укрепляющаяего репутацию в научном мире; нет, ему чрезвычайно интересно, просто необходимо- и причем поскорее — убедиться в том, что атомы, о которых говорят уже более2000 лет, действительно существуют.
В 1908 году Ж.Перренс сотрудниками серией тонких и систематических экспериментальных работ блестящеподтвердили все выводы Эйнштейна, касающиеся броуновского движения, и из прямыхопытов получили для числа Авогадро значение, лежащее в пределах от 6,5·1023 до7,2·1023 (современное значение 6,02·1023) и согласующееся с более раннимикосвенными оценками. После этих работ отрицать реальность атомов было уженевозможно.
Но все это произошло, какуже говорилось, только в 1908 году, а пока Эйнштейн продолжает изыскиватьвозможные флуктуационные эксперименты. В декабре 1905 года он заканчиваетсвою вторую статью по броуновскому движению, «дополняющую в некоторых пунктах»предыдущую работу.
3.2 Кванты и фотоэффект
В том же 1905 вышла идругая работа Эйнштейна — «Об одной эвристической точке зрения на возникновениеи превращение света». За пять лет до этого М.Планк показал, что спектральныйсостав излучения, испускаемого горячими телами, находит объяснение, еслипринять, что процесс излучения дискретен, то есть свет испускается ненепрерывно, а дискретными порциями определенной энергии. Физическийсмысл квантов оставался неясным, но величина кванта равна произведениюнекоторого числа (постоянной Планка) и частоты излучения.
Эйнштейн выдвинул теорию,согласно которой свет не только излучается и поглощается, но и состоит издискретных, далее неделимых порций, квантов света. Они представляют собойчастицы, которые движутся в пустоте со скоростью 300 000 километров в секунду.Впоследствии (в двадцатые годы) эти частицы получили название фотонов. Этареволюционная идея позволила Эйнштейну объяснить законы фотоэффекта, вчастности, факт существования «красной границы», то есть той минимальной частоты,ниже которой выбивания светом электронов из вещества вообще не происходит.
Идея Эйнштейнасостояла в том, чтобы установить соответствие между фотоном (квантомэлектромагнитной энергии) и энергией выбитого с поверхности металла электрона.Каждый фотон выбивает один электрон. Кинетическая энергия электрона (энергия,связанная с его скоростью) равна энергии, оставшейся от энергии фотона завычетом той ее части, которая израсходована на то, чтобы вырвать электрон изметалла. Чем ярче свет, тем больше фотонов и больше число выбитых с поверхностиметалла электронов, но не их скорость. Более быстрые электроны можно получить,направляя на поверхность металла излучение с большей частотой, так как фотонытакого излучения содержат больше энергии.
В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейнувидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру ипоглощается отдельными порциями. Энергия Е каждой порции излучения в полномсоответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:
E = hv, где h — постоянная Планка.
Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями,еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную водупродают в бутылках, но отсюда совсем не следует, что вода имеет прерывистуюструктуру и состоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, чтосвет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E = hvсохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только всяпорция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применивзакон сохранения энергии. Это уравнение объясняет основные факты, касающиесяфотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов(порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов,вырванных из металла. Скорость же электронов согласно определяется толькочастотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния егоповерхности. От интенсивности света она не зависит.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишьв том случае, если частота v света больше минимального значения. Ведь чтобы вырватьэлектрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужносовершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть большеэтой работы. Предельную частоту, называют красной границей фотоэффекта.
Для цинка красной границе соответствует длина волным (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращениюфотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовыелучи.
Работа выхода у алюминия или железа больше, чем уцинка. Поэтому в опыте использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работавыхода, напротив, меньше, а длина волны, соответствующая красной границе,больше. Пользуясь уравнением Эйнштейна можно найти постоянную Планка h. Дляэтого нужно экспериментально определить частоту света v, работу выхода А иизмерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Точно такое же значение былонайдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления —теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различнымиметодами, подтверждает правильность предположения о прерывистом характереизлучения и поглощения света веществом. Уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту,объясняет основные закономерности фотоэффекта. В современной физике фотонрассматривается как одна их элементарных частиц. Таблица элементарных частицуже многие десятки лет начинается с фотона.
Эйнштейнвыдвинул еще одну смелую гипотезу, предположив, что свет обладает двойственнойприродой. Как показывают проводившиеся на протяжении веков оптическиеэксперименты, свет может вести себя как волна, но, как свидетельствуетфотоэлектрический эффект, и как поток частиц. Правильность предложенной Эйнштейноминтерпретации фотоэффекта была многократно подтверждена экспериментально,причем не только для видимого света, но и для рентгеновского и гамма-излучения.
Таким образом, Эйнштейнупринадлежит теоретическое открытие фотона, экспериментально обнаруженного в1922 году А.Комптоном. А в 1924 году Луи де Бройль сделал ещеодин шаг в преобразовании физики, предположив, что волновыми свойствамиобладает не только свет, но и материальные объекты, например электроны. Идея деБройля также нашла экспериментальное подтверждение и заложила основы квантовоймеханики.
Работы Эйнштейнапозволили объяснить флуоресценцию, фотоионизацию и загадочные вариации удельнойтеплоемкости твердых тел при различных температурах и др., которые не моглаобъяснить электромагнитная теория света.
В 1922году Эйнштейну была вручена Нобелевская премия по физике 1921 года «за заслугиперед теоретической физикой, и особенно за открытие закона фотоэлектрическогоэффекта». «Закон Эйнштейна стал основой фотохимии так же, как закон Фарадея –основой электрохимии»,– заявил на представлении нового лауреата Сванте Аррениусиз Шведской королевской академии. Условившись заранее о выступлении в Японии,Эйнштейн не смог присутствовать на церемонии и свою Нобелевскую лекцию прочиталлишь через год после присуждения ему премии.
3.3 Частная (специальная)теория относительности
Наибольшую известностьЭйнштейну все же принесла теория относительности, изложенная им впервые в томже 1905 году, в статье «К электродинамике движущихся тел». Уже в юностиЭйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился соскоростью света вдогонку за световой волной. В то времябольшинство физиков полагало, что световые волны распространяются в эфире –загадочном веществе, которое, как принято было думать, заполняет всю Вселенную.Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось. Поставленный в1887 году Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом Морли эксперимент по обнаружениюразличия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль ипоперек направления движения Земли, дал отрицательный результат. Если бы эфирбыл носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, какзвук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемойскорости света или вычитаться из нее, подобно тому как река влияет, с точкизрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на веслах потечению или против течения.
Нетоснований утверждать, что специальная теория относительности Энштейна быласоздана непосредственно под влиянием эксперимента Майкельсона-Морли, но воснову ее были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезуо существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двухнаблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, светвсегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью,независимо от движения его источника. Теперь Эйнштейн решительно отвергконцепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всехинерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамкамимеханики.
Выводы, сделанные из этихдопущений, изменили представления о пространстве и времени: ни одинматериальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрениястационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются внаправлении движения, а масса объекта возрастает, чтобы скорость света былаодинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должныидти медленнее. Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру.Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя.Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительноданного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другогонаблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, каки пространственные координаты x, y и z, понятие одновременности такжестановится относительным. Два события, кажущихся одновременными одномунаблюдателю, могут быть разделены во времени, с точки зрения другого.
Из других выводов, ккоторым приводит специальная теория относительности, заслуживает вниманиеэквивалентность массы и энергии. Масса m представляет собой своего рода«замороженную» энергию E, с которой связана соотношением E = mc2, где c –скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценойуменьшения массы источника.
Релятивистские эффекты,как правило, пренебрежимо малые при обычных скоростях, становятся значительнымитолько при больших, характерных для атомных и субатомных частиц. Потеря массы,связанная с испусканием света, чрезвычайно мала и обычно не поддается измерениюдаже с помощью самых чувствительных химических весов. Однако специальная теорияотносительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих ватомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными. Почти черезсорок лет после создания теории относительности физики, работавшие надсозданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при ее взрывеэнергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.
Восприятие работЭйнштейна было неоднозначным. Многие ученые их попросту не понимали, и этопроисходило из-за специфических взглядов Эйнштейна на структуру правильныхтеорий и на связь между теорией и экспериментом. Хотя Эйнштейн и признавал, чтоединственным источником знаний является опыт, он был также убежден, что научныетеории являются свободными творениями человеческой интуиции и что основания, накоторых зиждется хорошая теория, не обязательно должны быть логически связаны сопытом. Идеальная теория, по Эйнштейну, должна базироваться на минимальновозможном количестве постулатов и описывать максимально возможное количествоявлений. Именно эта «скупость» на постулаты, свойственная всей научнойдеятельности Эйнштейна, делала его работы труднодоступными для коллег. Однако,ряд выдающихся физиков сразу поддержал молодого ученого, и среди них — МаксПланк. Именно он помог Эйнштейну перебраться из патентного бюро в Цюрихесначала в Прагу, а затем в Берлин на должность директора Института физикикайзера Вильгельма.
3.4 Общая теорияотносительности
В 1905 году Эйнштейнубыло 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. В 1914 году принялприглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинскогоуниверситета и одновременно директора Института физики. Германское подданствоЭйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа надобщей теорией относительности. Путь, приведший Эйнштейна к успеху, был трудными извилистым. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшегостуденческого товарища М.Гроссмана в 1912 году появилась статья «Набросокобобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теориидатируется 1915 годом. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и«инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решениюпроблемы: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами ичто является переносчиком этого взаимодействия? Ответ, предложенный Эйнштейном,был ошеломляюще неожиданным: в роли такого посредника выступала сама«геометрия» пространства — времени.
Общая теорияотносительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные(т.е. происходящие с переменной скоростью). Господствовавшая ранее механика,берущая начало из работ Исаака Ньютона, становилась частным случаем, удобнымдля описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлосьзаменить многие из введенных Ньютоном понятий. Такие аспекты ньютоновскоймеханики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс,вызывали у него беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, дажеесли их разделяют огромные расстояния, причем сила притяжения, или гравитация,распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения.Что же касается движения тела под действием этой силы, то оно определяетсяинерциальной массой тела, которая характеризует способность тела ускоряться поддействием данной силы.
Он произвел такназываемый «мысленный эксперимент». Если бы человек в свободно падающейкоробке, например в лифте, уронил ключи, то они не упали бы на пол: лифт,человек и ключи падали бы с одной и той же скоростью и сохранили бы своиположения относительно друг друга. Так происходило бы в некой воображаемойточке пространства вдали от всех источников гравитации. Один из друзей Эйнштейназаметил по поводу такой ситуации, что человек в лифте не мог бы отличить,находится ли он в гравитационном поле или движется с постоянным ускорением.Эйнштейновский принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитационные иинерциальные эффекты неотличимы, объяснил совпадение гравитационной и инертноймассы в механике Ньютона. Затем Эйнштейн расширил картину, распространив ее насвет. Если луч света пересекает кабину лифта «горизонтально», в то время каклифт падает, то выходное отверстие находится на большем расстоянии от пола, чемвходное, так как за то время, которое требуется лучу, чтобы пройти от стенки кстенке, кабина лифта успевает продвинуться на какое-то расстояние. Наблюдательв лифте увидел бы, что световой луч искривился. Для Эйнштейна это означало, чтов реальном мире лучи света искривляются, когда проходят на достаточно маломрасстоянии от массивного тела.
Общая теорияотносительности Эйнштейна заменила ньютоновскую теорию гравитационногопритяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, какмассивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этойточке зрения, тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени,которая и определяет движение проходящих через него тел. Как однажды заметилколлега Эйнштейна, американский физик Дж.А.Уилер, «пространство говоритматерии, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как емуискривляться». Дляпроверки своей теории предложил три эффекта: искривление светового луча в полетяготения Солнца, смещение перигелия Меркурия и гравитационное красноесмещение. Эти эффекты, как показали последующие эксперименты, действительнодействуют и количественно правильно предсказывались общей теориейотносительности.
В декабре 1915 года назаседании Академии наук в Берлине Эйнштейн доложил, наконец, окончательныеуравнения общей теории относительности. Эта теориястала вершиной творчества Эйнштейна, и, по мнению многих ученых, явилась самымзначительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Однакопонимание общей теории относительности пришло несразу. Первые три года эта теория интересовала узкий круг специалистов и былапонятна лишь десятку избранных.
Ситуация резко измениласьв 1919 году, так как в этом году удалось проверить прямыми наблюдениями одно изпарадоксальных предсказаний общей теории относительности- искривление луча света от далекой звезды полем тяготения Солнца. Такоенаблюдение возможно только во время полного солнечного затмения. Именно в 1919г. такое затмение можно было наблюдать в районах земного шара с обычно хорошейпогодой, что позволяло провести максимально точное фотографирование видимогоположения звезд на небе в момент полного затмения. Экспедиция, снаряженнаяанглийским астрофизиком сэром Артуром Эддингтоном, сумела получить данные,подтвердившие предсказание Эйнштейна. Буквально в один день Эйнштейн сталзнаменит на весь мир.
Обрушившаяся на него слава не поддается описанию.Теория относительности на долгое время стала предметом салонных бесед. Газетывсех стран были переполнены статьями о теории относительности, вышло множествопопулярных книг, в которых авторы пытались объяснить обывателям суть этойтеории. Университеты упрашивали его работать у них в качестве преподавателя,ученые из различных стран мира обращались к нему за советом, а политическиепартии и всевозможные благотворительные организации и фонды сражались междусобой за его поддержку и помощь, он был избран почетным членом множестваакадемий.
Пришло, наконец, признание.
Слово и мнение Эйнштейна стало одним из самыхавторитетных в мире. В 1920-е гг. Эйнштейн много ездит по свету, участвует вмеждународных конференциях. Особенно важна была роль Эйнштейна в дискуссиях,развернувшихся в конце 1920-х гг. по концептуальным проблемам квантовоймеханики. Беседы и споры Эйнштейна с Бором на эти темы стали знаменитыми.
Портреты Эйнштейнапоявились на обложках иллюстрированных журналов, его имя мелькало в заголовкахежедневных газет. Аудитории, где Эйнштейн читал лекции в Берлинскомуниверситете, во время «релятивистской шумихи» были всегда переполнены, иногдачисло слушателей превышало тысячу человек. Среди многочисленных почестей,оказанных Эйнштейну, было предложение стать президентом Израиля, последовавшеев 1952 году, которое он не принял.
Свою мировую славу Эйнштейн начал восприниматькак тягостное бремя. Егонаучный триумф вышел далеко за рамки естественных наук. Он совершаетмногочисленные зарубежные поездки. Журнал «Scientific American» профинансировалконкурс на самое понятное объяснение теории относительности с призом в 5 тысячдолларов. Эйнштейн пошутил, что среди своих друзей он один не участвовал: «Ябоялся, что не справлюсь». Любопытно (или символично), что победитель конкурсаБолтон был сотрудником Британского патентного бюро.
4 Калейдоскоп изобретений и экспериментов
В период интенсивных исследований по общей теорииотносительности, Эйнштейн обратился к экзотическим лабораторным экспериментам.Он пишет своему другу Микеле Бессо: «Эксперимент скоро закончится… Изумительнаяработа… Какую же изощренность демонстрирует природа, когда пытаешься проникнутьв ее тайны… я все еще увлекаюсь проведением опытов». Речь идет о гиромагнитныхявлениях микрочастиц, а именно, о повороте свободно подвешенногоферромагнитного образца при его намагничивании внешним магнитным полем. Этотуникальный опыт был поставлен совместно с зятем выдающего голландскоготеоретика Хендрика Лоренца – де Гаазом. Эйнштейн преодолел трудности, скоторыми не смогли справиться многие маститые экспериментаторы.
Малоизвестно, что Эйнштейн с различнымисоавторами имел более двух десятков патентов. Интересно и то, что, уйдя избернского патентного бюро, получив мировую известность как физик, Эйнштейн нерасстался с патентной деятельностью. Например, совместно с Л.Сциллардом в конце1920-х годов были запатентованы три типа холодильных машин, насосы дляхолодильных машин, компрессор, устройства для сжижения газов и паров (они нашлиприменение в атомной технике).
Совместно с Гольдштейном запатентовано устройстводля передачи звука, основанное на явлении магнитострикции. В 1936 году со своимдругом, врачом Г.Буки он запатентовал фотокамеру с автоматической подстройкойпод уровень освещенности. Эйнштейн часто выступал в качестве патентногоэксперта. В 1916 году (создание общей теории относительности!) он писал Бессо: «Уменя сейчас снова весьма забавная экспертиза в одном патентном процессе».
Эйнштейн сыграл значительную роль в признанииГ.Аншютца изобретателем гироскопического компаса. Известно, что он участвовал впатентной тяжбе между фирмами АЭГ и Сименс в 1929 году. Во время второй мировойвойны Эйнштейн сотрудничал с министерством военно-морского флота США в качественаучно-технического эксперта. В его обязанности входила оценка изобретений,поступающих в министерство.
5 Эмиграция
Эйнштейн не без колебанийпринял предложение переехать в Берлин. Но возможность общения с крупнейшиминемецкими учеными, в числе которых был и Планк, привлекала его. Но политическаяи нравственная атмосфера в Германии делалась все тягостнее и тягостнее,антисемитизм поднимал голову. В 1933 году, когда власть захватили фашисты,Эйнштейн навсегда покинул Германию. На этих драматических событияхзаканчивается европейский период жизни Эйнштейна.
В знак протеста противфашизма он отказался от германского подданства и вышел из состава Прусской иБаварской Академий наук.
Переехав в США, Эйнштейнзанял должность профессора физики в новом институте фундаментальныхисследований в Принстоне (штат Нью-Джерси). Он продолжал заниматься вопросамикосмологии, а также усиленно искал пути построения единой теории поля, котораябы объединила гравитацию, электромагнетизм (а возможно, и остальное). И хотяреализовать эту программу ему не удалось, это не поколебало репутации Эйнштейнакак одного из величайших естествоиспытателей всех времен.
Маленький университетскийгородок Принстон в США приютил Эйнштейна. Никаких особых мер для обеспеченияего личной безопасности не принималось, жители были дружелюбны, называли его «старыйдок», а студенты распевали про него песенки.
В Принстоне Эйнштейн сталместной достопримечательностью. Его знали как физика с мировым именем, но длявсех он был скромным, приветливым и несколько эксцентричным человеком, с которымможно было столкнуться прямо на улице. В часы досуга он любил музицировать.Начав учиться игре на скрипке в шесть лет, Эйнштейн продолжал играть всю жизнь,иногда в ансамбле с другими физиками. Ему нравился парусный спорт, который, какон полагал, необыкновенно способствует размышлениям над физическими проблемами.
Приезд Эйнштейна был дляАмерики огромным событием. Почти сразу же Эйнштейн был приглашён президентомРузвельтом в Белый дом (ведь у них были общие интересы – огромное увлечениепарусным спортом).
Но спокойной жизни втихом американском городке не получилось. Среди физиков – иностранцев,оказавшихся в эмиграции в США, росла тревога по возможному созданию атомнойбомбы в Германии. Они обратились к Эйнштейну с просьбой обратиться камериканскому президенту. Сегодня, когда известные ученые обсуждают важныеэкологические проблемы, вопросы противоракетной обороны и многие другие, важныедля общества вопросы, раздаются голоса, что не следует смешивать науку сполитикой. Эйнштейн же был убежден, что на каждом учёном лежит моральнаяответственность за судьбу человечества. И учёный обязан донести до людей сутьсвоих работ и объяснить возможные последствия. Поэтому Эйнштейн и физик ЛеоСциллард направили письмо Франклину Рузвельту, где сообщали об открытии деленияядер урана и предупреждали об опасности создания ядерного оружия. Это былимпульс к развертыванию «Манхэттенского проекта» по созданию атомной бомбы.
После второй мировойвойны, потрясенный ужасающими последствиями использования атомной бомбы противЯпонии и все ускоряющейся гонкой вооружений, Эйнштейн стал горячим сторонникоммира, считая, что в современных условиях война представляла бы угрозу самомусуществованию человечества. Незадолго до смерти он поставил свою подпись подвоззванием Бертрана Рассела, обращенным к правительствам всех стран,предупреждающим их об опасности применения водородной бомбы и призывающим кзапрету ядерного оружия. Эйнштейн выступал за свободный обмен идеями иответственное использование науки на благо человечества.
18 апреля 1955 года в 1 час 25 минут пересталобиться сердце великого творца. Эйнштейн скончался в Принстоне от аневризмыаорты. Весь мир скорбел. Но Эйнштейн завещал, чтобы не было ни похорон, нимогилы, ни памятника. Всего десять самых близких человек шли за гробом. Телобыло предано кремации, пепел развеян по ветру над рекой Дэлавер.
Река по имени Время продолжает свое течение игде-то несет его прах.
Заключение
Имя Альберта Эйнштейна вошло в переченьсамых выдающихся людей XX столетия и одного из величайшихученых всех времен.
Эйнштейн обогатил физикус присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. Сдетских лет он воспринимал мир как гармоническое познаваемое целое, «стоящееперед нами наподобие великой и вечной загадки». По его собственному признанию,он верил в «Бога Спинозы, являющего себя в гармонии всего сущего». Именно это«космическое религиозное чувство» побуждало Эйнштейна к поиску объясненияприроды с помощью системы уравнений, которая обладала бы большой красотой и простотой.
И сегодня, спустя 100 лет после выхода в свет «звездных»статей, посвященных принципам относительности, квантовой и молекулярнойтеориям, проблема, волновавшая Эйнштейна, по-прежнему будоражит умы ученыхмира. Выражение E = mc2 – это крылатая фраза, знакомая широкой публике так же,как строки Шекспира.
Величие, сделанного Эйнштейном в науке, труднопереоценить. Сейчас нет практически ни одной ветви современной физики, где, такили иначе, не присутствовали бы фундаментальные понятия квантовой механики илитеории относительности.
Но, пожалуй, еще важнее уверенность, которуюсвоими трудами вселил в ученых Эйнштейн, что природа познаваема и ее законыкрасивы. Стремление к этой красоте и составляло смысл жизни великого ученого.
Список использованной литературы
1. КузнецовБ.Г. Эйнштейн. Жизнь, смерть, бессмертие. 5-е изд., перераб. и доп. — М.:Наука, 1985.
2. ЛауреатыНобелевской премии. Энциклопедия. Пер. с англ. — М.: «Прогресс», 1992.
3. СноуЧ.П. Портреты и размышления. — М.: изд. «Прогресс», 1985.
4. ФренкельВ.Я., Явелов Б.Е. Эйнштейн: изобретения и эксперимент. 2-е изд., перераб. идополн. – М.: изд. «Наука», 1990.
5. ХофманБ. Альберт Эйнштейн: творец и бунтарь. История физики. — Пер. с англ. – М.:«Прогресс», 1983.
6. ЯвеловБ.Е., Френкель В.Я. Патентный эксперт Эйнштейн//Сб. Пути в незнакомое, — М.:Советский писатель, 1983