Ейнштейн

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ВОЛОДИМИРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

з історії та перспективі

на тему:

«Ейнштейн»

виконав:

Володимир 2001

популярну літературу. Велике враження справила на нього ідея про космічному порядку. Після того як справи батька в 1895 р занепали, сім'я переселилася в Мілан. Е. залишився в Мюнхені, але незабаром залишив гімназію, так і не отримавши атестата, і приєднався до своїх рідних.

Шістнадцятирічного Е. вразила та атмосфера свободи і культури, яку він знайшов в Італії. Незважаючи на глибокі пізнання в математиці і фізиці, придбані головним чином шляхом самоосвіти, і не за віком самостійне мислення, Е. не вибрав собі професію. Батько наполягав на тому, щоб син обрав інженерне терені і в майбутньому зміг поправити хитке фінансове становище сім'ї. Е. спробував здати вступні іспити до Федерального технологічного інституту в Цюріху, для надходження в який не було потрібно свідоцтва про закінчення середньої школи. Не володіючи достатньою підготовкою, він провалився на іспитах, але директор училища, оцінивши математичні здібності Е., направив його в Аарау, за двадцять миль на захід від Цюріха, щоб той закінчив там гімназію. Через рік, влітку 1896 р Е. успішно витримав вступні іспити до Федерального технологічного інституту. У Аарау Е. розцвів, насолоджуючись тісним контактом з вчителями і ліберальним духом, що панував в гімназії. Все колишнє викликало у нього настільки глибоке неприйняття, що він подав офіційне прохання про вихід з німецького підданства, на що його батько погодився вельми неохоче.

У Цюріху Е. вивчав фізику, більше покладаючись на самостійне читання, ніж на обов'язкові курси. Спочатку він мав намір викладати фізику, але після закінчення Федерального інституту в 1901 р і отримання швейцарського громадянства не зміг знайти постійної роботи. У 1902 р Е. став експертом Швейцарського патентного бюро в Берні, в якому прослужив сім років. Для нього це були щасливі і продуктивні роки. Він опублікував одну роботу про капілярності (про те, що може статися з поверхнею рідини, якщо її укласти у вузьку трубку). Хоча платні ледве вистачало, робота в патентному бюро не була особливо обтяжливою і залишала Е. достатньо сил і часу для теоретичних досліджень. Його перші роботи були присвячені силам взаємодії між молекулами і додатків статистичної термодинаміки. Одна з них - «Нове визначення розмірів молекул» ( "A new Determination of Molecular Dimensions") - була прийнята в якості докторської дисертації цюріхськими університетом, і в 1905 р Е. став доктором наук. У тому ж році він опублікував невелику серію робіт, які не тільки показали його силу як фізика-теоретика, а й змінили обличчя всієї фізики.

Одна з цих робіт була присвячена поясненню броунівського руху - хаотичного зиґзаґоподібного руху частинок, зважених в рідини. Е. пов'язав рух частинок, що спостерігається в мікроскоп, із зіткненнями цих часток з невидимими молекулами; крім того, він передбачив, що спостереження броунівського руху дозволяє обчислити масу і число молекул, що знаходяться в даному обсязі. Через кілька років це було підтверджено Жаном Перреном. Ця робота Е. мала особливе значення тому, що існування молекул, які вважалися не більше ніж зручною абстракцією, в той час ще ставилося під сумнів.

В іншій роботі пропонувалося пояснення фотоелектричного ефекту - випускання електронів металевою поверхнею під дією електромагнітного випромінювання в ультрафіолетовому або будь-якому іншому діапазоні. Філіп де Ленард висловив припущення, що світло вибиває електрони з поверхні металу. Припустив він і те, що при висвітленні поверхні яскравішим світлом електрони повинні вилітати з більшою швидкістю. Але експерименти показали, що прогноз Ленарда невірний. Тим часом в 1900 р Максу Планку вдалося описати випромінювання, що випускається гарячими тілами. Він прийняв радикальну гіпотезу про те, що енергія випускається не безупинно, а дискретними порціями, які отримали назву квантів. Фізичний сенс квантів залишався неясним, але величина кванта дорівнює добутку деякого числа (постійної Планка) і частоти випромінювання.

Ідея Е. полягала в тому, щоб встановити відповідність між фотоном (квантом електромагнітної енергії) і енергією вибитого з поверхні металу електрона. Кожен фотон вибиває один електрон. Кінетична енергія електрона (енергія, пов'язана з його швидкістю) дорівнює енергії, що залишилася від енергії фотона за вирахуванням тієї її частини, яка витрачена на те, щоб вирвати електрон з металу. Чим яскравіше світло, тим більше фотонів і більше число вибитих з поверхні металу електронів, але не їх швидкість. Більш швидкі електрони можна отримати, направляючи на поверхню металу випромінювання з більшою частотою, так як фотони такого випромінювання містять більше енергії. Е. висунув ще одну сміливу гіпотезу, припустивши, що світло має двоїсту природу. Як показують проводилися протягом століть оптичні експерименти, світло може вести себе як хвиля, але, як свідчить фотоелектричний ефект, і як потік частинок. Правильність запропонованої Е. інтерпретації фотоефекту була багаторазово підтверджена експериментально, причому не тільки для видимого світла, але і для рентгенівського і гамма-випромінювання. У 1924 р Луї де Бройль зробив ще один крок у перетворенні фізики, припустивши, що хвильовими властивостями володіє не тільки світло, а й матеріальні об'єкти, наприклад електрони. Ідея де Бройля також знайшла експериментальне підтвердження і заклала основи квантової механіки. Роботи Е. дозволили пояснити флуоресценцію, фотоіонізації і загадкові варіації питомої теплоємності твердих тіл при різних температурах.

Третя, воістину чудова робота Е., опублікована все в тому ж 1905 г. - спеціальна теорія відносності, революционизировавшая все галузі фізики. У той час більшість фізиків вважало, що світлові хвилі поширюються в ефірі - загадковому речовині, яке, як прийнято було думати, заповнює весь Всесвіт. Однак виявити ефір експериментально нікому не вдавалося. Поставлений в 1887 р Альбертом А. Майкельсона і Едвардом Морлі експеримент з виявлення розходження у швидкості світла, що поширюється в гіпотетичному ефірі уздовж і поперек напрямку руху Землі, дав негативний результат. Якби ефір був носієм світла, який поширюється по ньому у вигляді обурення, як звук по повітрю, то швидкість ефіру мала б додаватися до спостерігається швидкості світла або відніматися з неї, подібно до того як річка впливає, з точки зору стоїть на березі спостерігача, на швидкість човна, що йде на веслах за течією або проти течії. Немає підстав стверджувати, що спеціальна теорія відносності Е. була створена безпосередньо під впливом експерименту Майкельсона-Морлі, але в основу її були покладені два універсальних допущення, робили зайвої гіпотезу про існування ефіру: всі закони фізики однаково застосовні для будь-яких двох спостерігачів, незалежно від того , як вони рухаються відносно один одного, світло завжди поширюється у вільному просторі з однією і тією ж швидкістю, незалежно від руху його джерела.

Висновки, зроблені з цих припущень, змінили уявлення про простір і час: ні один матеріальний об'єкт не може рухатися швидше за світло; з точки зору стаціонарного спостерігача, розміри рушійної об'єкта скорочуються в напрямку руху, а маса об'єкта зростає, щоб швидкість світла була однаковою для рухається і спочиває спостерігачів, рухомі годинник повинні йти повільніше. Навіть поняття стаціонарності підлягає ретельному перегляду. Рух або спокій визначаються завжди щодо якогось спостерігача. Спостерігач, який їде верхи на рухомому об'єкті, нерухомий щодо даного об'єкта, але може рухатися відносно будь-якого іншого спостерігача. Оскільки час стає такою ж відносної змінної, як і просторові координати x, y і z, поняття одночасності також стає відносним. Дві події, що здаються одночасними одному спостерігачеві, можуть бути розділені в часі, з точки зору іншого. З інших висновків, до яких призводить спеціальна теорія відносності, заслуговує увагу еквівалентність маси і енергії. Маса m є свого роду «заморожену» енергію E, з якою пов'язана співвідношенням E = mc2, де c - швидкість світла. Таким чином, випускання фотонів світла відбувається ціною зменшення маси джерела.

Релятивістські ефекти, як правило, можна знехтувати малі при звичайних швидкостях, стають значними тільки при великих, характерних для атомних і субатомних частинок. Втрата маси, пов'язана з випусканням світла, надзвичайно мала і звичайно не піддається виміру навіть за допомогою самих чутливих хімічних ваг. Однак спеціальна теорія відносності дозволила пояснити такі особливості процесів, що відбуваються в атомній і ядерній фізиці, які до того залишалися незрозумілими. Майже через сорок років після створення теорії відносності фізики, працювали над створенням атомної бомби, зуміли обчислити кількість виділяється при її вибуху енергії на основі дефекту (зменшення) маси при розщепленні ядер урану.

Після публікації статей в 1905 р до Е. прийшло академічне визнання. У 1909 р він став ад'юнкт-професором Цюріхського університету, в наступному році професором Німецького університету в Празі, а в 1912 р - цюріхського Федерального технологічного інституту. У 1914 р Е. був запрошений до Німеччини на посаду професора Берлінського університету і одночасно директора Фізичного інституту кайзера Вільгельма (нині Інститут Макса Планка). Німецьке підданство Е. було відновлено, і він був обраний членом Прусської академії наук. Дотримуючись пацифістських переконань, Е. не поділяв поглядів тих, хто був на боці Німеччини у бурхливій дискусії про її ролі в першій світовій війні.

Після напружених зусиль Е. вдалося в 1915 р створити загальну теорію відносності, яка виходила далеко за рамки спеціальної теорії, в якій руху повинні бути рівномірними, а відносні швидкості постійними. Загальна теорія відносності охоплювала всі можливі руху, в тому числі і прискорені (тобто відбуваються зі змінною швидкістю). Пануюча раніше механіка, який походить з робіт Ісаака Ньютона (XVII ст.), Ставала окремим випадком, зручним для опису руху при щодо малих швидкостях. Е. довелося замінити багато з введених Ньютоном понять. Такі аспекти ньютонівської механіки, як, наприклад, ототожнення гравітаційної і інертної мас, викликали в нього занепокоєння. За Ньютону, тіла притягають одне одного, навіть якщо їх розділяють величезні відстані, причому сила тяжіння, або гравітація, поширюється миттєво. Гравітаційна маса служить мірою сили тяжіння. Що ж до руху тіла під дією цієї сили, то воно визначається інерціальній масою тіла, яка характеризує здатність тіла прискорюватися під дією цієї сили. Е. зацікавило, чому ці дві маси збігаються.

Він справив так званий «уявний експеримент».Якби людина в вільно падаючої коробці, наприклад у ліфті, впустив ключі, то вони не впали б на підлогу: ліфт, чоловік і ключі падали б з однією і тією ж швидкістю і зберегли б свої положення відносно один одного. Так відбувалося б в якійсь уявній точці простору далеко від усіх джерел гравітації. Один з друзів Е. зауважив з приводу такої ситуації, що людина в ліфті не міг би відрізнити, чи знаходиться він в гравітаційному полі або рухається з постійним прискоренням. Ейнштейнівської принцип еквівалентності, який стверджує, що гравітаційні і інерційні ефекти не можна відрізнити, пояснив збіг гравітаційної та інертної маси в механіці Ньютона. Потім Е. розширив картину, поширивши її на світло. Якщо промінь світла перетинає кабіну ліфта «горизонтально», в той час як ліфт падає, то вихідний отвір знаходиться на більшій відстані від підлоги, ніж вхідний, так як за той час, який потрібно променю, щоб пройти від стінки до стінки, кабіна ліфта встигає просунутися на якусь відстань. Спостерігач в ліфті побачив би, що світловий промінь скривився. Для Е. це означало, що в реальному світі промені світла викривляються, коли проходять на досить малій відстані від масивного тіла.

Загальна теорія відносності Е. замінила ньютонівську теорію гравітаційного тяжіння тіл просторово-тимчасовим математичним описом того, як масивні тіла впливають на характеристики простору навколо себе. Відповідно до цієї точки зору, тіла не притягують один одного, а змінюють геометрію простору-часу, яка і визначає рух проходять через нього тел. Як одного разу зауважив колега Е., американський фізик Дж. А. Уілер, «простір говорить матерії, як їй рухатися, а матерія говорить простору, як йому викривлятися».

Але в той період Е. працював не тільки над теорією відносності. Наприклад, в 1916 році він ввів в квантову теорію поняття індукованого випромінювання. У 1913 р Нільс Бор розробив модель атома, в якій електрони обертаються навколо центрального ядра (відкритого кількома роками раніше Ернестом Резерфордом) по орбітах, що задовольняє певним квантовим умовам. Відповідно до моделі Бора, атом випускає випромінювання, коли електрони, що перейшли в результаті порушення на більш високий рівень, повертаються на нижчий. Різниця енергії між рівнями дорівнює енергії, що поглинається або випускається фотонами. Повернення порушених електронів на більш низькі енергетичні рівні являє собою випадковий процес. Е. припустив, що за певних умов електрони в результаті порушення можуть перейти на певний енергетичний рівень, потім, подібно лавині, повернутися на більш низький, тобто це той процес, який лежить в основі дії сучасних лазерів.

Хоча і спеціальна, і загальна теорії відносності були надто революційні, щоб здобути негайне визнання, вони незабаром отримали ряд підтверджень. Одним з перших було пояснення прецесії орбіти Меркурія, яку не вдавалося повністю зрозуміти в рамках ньютонівської механіки. Під час повного сонячного затемнення в 1919 р астрономам вдалося спостерігати зірку, приховану за кромкою Сонця. Це свідчило про те, що промені світла викривляються під дією гравітаційного поля Сонця. Всесвітня слава прийшла до Е., коли повідомлення про спостереження сонячного затемнення 1919 р облетіли весь світ. Відносність стала звичним словом. У 1920 р Е. став запрошеним професором Лейденського університету. Однак у самій Німеччині він піддавався нападкам з-за своїх антимілітаристських поглядів і революційних фізичних теорій, які припали не під масть певної частини його колег, серед яких було кілька антисемітів. Роботи Е. вони називали «єврейської фізикою», стверджуючи, що отримані ним результати не відповідають високим стандартам «арійської науки». І в 20-і рр. Е. залишався переконаним пацифістом і активно підтримував миротворчі зусилля Ліги Націй. Е. був прихильником сіонізму і доклав чимало зусиль до створення Єврейського університету в Єрусалимі в 1925 р

зміг бути присутнім на церемонії і свою Нобелівську лекцію прочитав лише через рік після присудження йому премії.

У той час як більшість фізиків почала схилятися до прийняття квантової теорії, Е. все більш не задовольняли слідства, до яких вона приводила. У 1927 р він висловив свою незгоду зі статистичної інтерпретацією квантової механіки, запропонованої Бором і Максом Борном. Відповідно до цієї інтерпретації, принцип причинно-наслідкового зв'язку непридатний до субатомних явищ. Е. був глибоко переконаний, що статистика є не більше ніж засобом і що фундаментальна фізична теорія не може бути статистичної за своїм характером. За словами Е., «Бог не грає в кості» із Всесвітом. У той час як прихильники статистичної інтерпретації квантової механіки відкидали фізичні моделі неспостережуваних явищ, Е. вважав теорію неповної, якщо вона не може дати нам «реальний стан фізичної системи, щось об'єктивно існуюче і допускає (принаймні в принципі) опис в фізичних термінах» . До кінця життя він прагнув побудувати єдину теорію поля, яка могла б виводити квантові явища з релятивістського опису природи. Здійснити ці задуми Е. так і не вдалося. Він неодноразово вступав у дискусії з Бором з приводу квантової механіки, але вони лише зміцнювали позицію Бора.

Коли в 1933 Гітлер прийшов до влади, Е. перебував за межами Німеччини, куди він так і не повернувся. Е. став професором фізики в новому Інституті фундаментальних досліджень, який був створений в Прінстоні (штат Нью-Джерсі). У 1940 році він отримав американське громадянство. У роки, що передують другій світовій війні, Е. переглянув свої пацифістські погляди, відчуваючи, що тільки військова сила здатна зупинити нацистську Німеччину. Він прийшов до висновку, що для «захисту законності і людської гідності» доведеться «вступити в битву» з фашистами. У 1939 р за наполяганням кількох фізиків-емігрантів Е. звернувся з листом до президента Франкліна Д. Рузвельта, в якому писав про те, що в Німеччині, ймовірно, ведуться роботи зі створення атомної бомби. Він вказував на необхідність підтримки з боку уряду США досліджень з розщеплення урану. В подальшому розвитку подій, які призвели до вибуху 16 липня 1945 року першої в світі атомної бомби в Аламогордо (штат Нью-Мексико), Е. участі не брав.

Після другої світової війни, вражений жахливими наслідками використання атомної бомби проти Японії і прискореної гонкою озброєнь, Е. став гарячим прихильником світу, вважаючи, що в сучасних умовах війна представляла б загрозу самому існуванню людства. Незадовго до смерті він поставив свій підпис під відозвою Бертрана Рассела, зверненим до урядів всіх країн, який попереджає їх про небезпеку застосування водневої бомби і закликає до заборони ядерної зброї. Е. виступав за вільний обмін ідеями та відповідальне використання науки на благо людства.

Першою дружиною Е. була Мілева Марич, його однокурсниця по Федеральному технологічному інституту в Цюріху. Вони одружилися в 1903 р, незважаючи на запеклий опір його батьків. Від цього шлюбу у Е. було два сина. Після п'ятирічного розриву подружжя в 1919 р розлучилися. У тому ж році Е. одружився зі своєю двоюрідною сестрою Ельзою, вдовою з двома дітьми. Ельза Ейнштейн померла в 1936 р У години дозвілля Е. любив музикувати. Він почав вчитися грі на скрипці, коли йому виповнилося шість років, і продовжував грати все життя, іноді в ансамблі з іншими фізиками, наприклад з Максом Планком, колишнім чудовим піаністом. Подобалися йому і прогулянки на яхті. Е. вважав, що вітрильний спорт надзвичайно сприяє роздумам над фізичними проблемами. У Прінстоні він став місцевою визначною пам'яткою. Його знали як фізика зі світовим ім'ям, але для всіх він був добрим, скромним, привітним і кілька ексцентричним людиною, з яким можна зіткнутися прямо на вулиці. Е. помер в Прінстоні від аневризми аорти.

Найзнаменитіший з учених XX в. і один з найвидатніших учених усіх часів, Е. збагатив фізику із властивою тільки йому силою прозріння і неперевершеною грою уяви. З дитячих років він сприймав світ як гармонійне пізнаване ціле, «що стоїть перед нами зразок великої і вічної загадки». За його власним визнанням, він вірив в «Бога Спінози, який є себе в гармонії всього сущого». Саме це «космічне релігійне почуття» спонукало Е. до пошуку пояснення природи з допомогою системи рівнянь, яка мала б великою красою і простотою.

Серед численних почестей, наданих Е., була пропозиція стати президентом Ізраїлю, подальше в 1952 р Е. відмовився. Крім Нобелівської премії, він був удостоєний багатьох інших нагород, в тому числі медалі Коплі Лондонського королівського товариства (1925) і медалі Франкліна Франкліновского інституту (1935). Е. був почесним доктором багатьох університетів і членом провідних академій наук світу.

Джерело інформації:

Лауреати Нобелівської премії: Енциклопедія: Пер. з англ М.: Прогрес, 1992.