Вклад в науку А.Эйнштейна

Введение

Когда посетители знаменитого учёного видели в его домашнем кабинете небольшой телескоп, они не могли не спросить, для чего он предназначен. Эйнштейн обычно отвечал: «Нет, это не для звёзд. Телескоп принадлежал бакалейщику, ранее жившему здесь. Приятная вещь. Я его берегу, как игрушку». Конечно, Эйнштейну доводилось бывать на крупнейших обсерваториях мира и видеть лучшие телескопы, но его «инструментом» было теоретическое мышление, а не астрономическая труба.

Альберт Эйнштейн - один из величайших мыслителей всех времён.  
В детские годы будущая гениальность Эйнштейна внешне никак не проявлялась. Альберт рос тихим, замкнутым ребёнком; он редко играл с другими детьми, долго учился говорить и в семилетнем возрасте мог лишь повторять короткие фразы. Но ещё в пятилетнем возрасте на него произвёл неизгладимое впечатление компас, подаренный ему отцом. Способность стрелки показывать направление на север и на юг заворожило его своей загадочностью и необъяснимостью на основе обыденных представлений. В 12 лет он был пленён красотой математической логики, прочитав случайно попавшуюся ему книгу по евклидовой геометрии. Способности к логическому мышлению Альберт унаследовал от отца, а склонность к музыке - от матери. Со временем он научился неплохо играть на рояле и на скрипке.

 

 

 

 

 

 

3

Биографический экскурс.  
        Детство и юность А.Эйнштейна.

Немецко-швейцарско-американский физик Альберт Эйнштейн родился в Ульме, средневековом городе королевства Вюртемберг (ныне земля Баден-Вюртемберг в Германии), в семье Германа Эйнштейна и Паулины Эйнштейн, урожденной Кох. Вырос он в Мюнхене, где у его отца и дяди был небольшой электрохимический завод. Эйнштейн был тихим, рассеянным мальчиком, который питал склонность к математике, но терпеть не мог школу с ее механической зубрежкой и казарменной дисциплиной. В унылые годы, проведенные в мюнхенской гимназии Луитпольда, Эйнштейн самостоятельно читал книги по философии, математике, научно-популярную литературу. Большое впечатление произвела на него идея о космическом порядке. Как-то в гимназии к Альберту подошёл классный наставник и сказал: «Мне хотелось бы, чтобы Вы покинули нашу школу!». Изумлённый Альберт ответил: «Но ведь я ни в чём не провинился!». «Да, это верно, - перебил его учитель, - но одного Вашего присутствия в классе достаточно, чтобы полностью подорвать уважение к учителям». После того как дела отца в 1895 г. пришли в упадок, семья переселилась в Милан. Эйнштейн остался в Мюнхене, но вскоре оставил гимназию, так и не получив аттестата, и присоединился к своим родным. Они не были очень обрадованы, когда сын прибыл к ним без аттестата о среднем образовании и даже без паспорта.

Шестнадцатилетнего Эйнштейна поразила та атмосфера свободы и культуры, которую он нашел в Италии.  
Несмотря на глубокие познания в математике и физике, приобретенные главным образом путем самообразования, и не по возрасту самостоятельное мышление, Эйнштейн не выбрал себе профессию. Отец настаивал на том, чтобы сын избрал инженерное поприще и в будущем смог поправить шаткое

4

финансовое положение семьи. Эйнштейн попытался сдать вступительные экзамены в Федеральный технологический институт в Цюрихе, для поступления в который не требовалось свидетельства об окончании средней школы. Не обладая достаточной подготовкой, он провалился на экзаменах, но директор училища, оценив математические способности Эйнштейна, направил его в Аарау, в двадцати милях к западу от Цюриха, чтобы тот закончил там гимназию.

Через год, летом 1896 г., Эйнштейн успешно выдержал вступительные экзамены в Федеральный технологический институт. В Аарау Эйнштейн расцвел, наслаждаясь тесным контактом с учителями и либеральным духом, царившим в гимназии. Все прежнее вызывало у него настолько глубокое неприятие, что он подал официальное прошение о выходе из германского подданства, на что его отец согласился весьма неохотно. 

Нельзя не сказать ещё об одном увлечении Эйнштейна - музыке. Он охотно участвовал и в домашнем музицировании, и в любительских концертах. В студенческие годы он стал хорошим скрипачом. Он играл Генделя и Брамса, Шумана и Шуберта, но его любимыми композиторами всегда оставались Бах и Моцарт. Именно в их произведениях его покоряла та прозрачность и гармония, которую он искал, строя свои теории Вселенной. В Цюрихе Эйнштейн изучал физику, больше полагаясь на самостоятельное чтение, чем на обязательные курсы. Сначала он намеревался преподавать физику, но после окончания Федерального института в 1901 г. и получения швейцарского гражданства не смог найти постоянной работы.

 

 

 

5

Начало самостоятельных исследований

В 1902 г. Эйнштейн стал экспертом Швейцарского патентного бюро в Берне, в котором прослужил семь лет. Для него это были счастливые и продуктивные годы. Он опубликовал одну работу о капиллярности (о том, что может произойти с поверхностью жидкости, если ее заключить в узкую трубку). Хотя жалованья едва хватало, работа в патентном бюро не была особенно обременительной и оставляла Эйнштейну достаточно сил и времени для теоретических исследований. Его первые работы были посвящены силам взаимодействия между молекулами и приложениям статистической термодинамики.

Докторская диссертация

Одна из них - «Новое определение размеров молекул» ("A new Determination of Molecular Dimensions") - была принята в качестве докторской диссертации Цюрихским университетом, и в 1905 г. Эйнштейн стал доктором наук. В том же году он опубликовал небольшую серию работ, которые не только показали его силу как физика-теоретика, но и изменили лицо всей физики.

Одна из этих работ была посвящена объяснению броуновского движения - хаотического зигзагообразного движения частиц, взвешенных в жидкости. Эйнштейн связал движение частиц, наблюдаемое в микроскоп, со столкновениями этих частиц с невидимыми молекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движения позволяет вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объеме.

Через несколько лет это было подтверждено Жаном Перреном. Эта работа Эйнштейна имела особое значение потому, что существование  
6

 

молекул, считавшихся не более чем удобной абстракцией, в то время еще ставилось под сомнение. В другой работе предлагалось объяснение фотоэлектрического эффекта - испускания электронов металлической поверхностью под действием электромагнитного излучения в ультрафиолетовом или каком-либо другом диапазоне. Филипп де Ленард высказал предположение, что свет выбивает электроны с поверхности металла.

 Предположил он и то, что  при освещении поверхности более  ярким светом электроны должны  вылетать с большей скоростью. Но эксперименты показали, что  прогноз Ленарда неверен. Между тем в 1900 г. Максу Планку удалось описать излучение, испускаемое горячими телами. Он принял радикальную гипотезу о том, что энергия испускается не непрерывно, а дискретными порциями, которые получили название квантов. Физический смысл квантов оставался неясным, но величина кванта равна произведению некоторого числа (постоянной Планка) и частоты излучения.

 Идея Эйнштейна состояла  в том, чтобы установить соответствие  между фотоном (квантом электромагнитной  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 за вычетом  той ее части, которая израсходована  на то, чтобы вырвать электрон  из металла. Чем ярче свет, тем  больше фотонов и больше число  выбитых с поверхности металла  электронов, но не их скорость.

Более быстрые электроны можно получить, направляя на поверхность металла излучение с большей частотой, так как фотоны такого излучения содержат больше энергии. Эйнштейн выдвинул еще одну смелую гипотезу,

7

предположив, что свет обладает двойственной природой. Как показывают проводившиеся на протяжении веков оптические эксперименты, свет может вести себя как волна, но, как свидетельствует фотоэлектрический эффект, и как поток частиц. Правильность предложенной Эйнштейном интерпретации фотоэффекта была многократно подтверждена экспериментально, причем не только для видимого света, но и для рентгеновского и гамма-излучения. В 1924 г. Луи де Бройль сделал еще один шаг в преобразовании физики, предположив, что волновыми свойствами обладает не только свет, но и материальные объекты, например электроны. Идея де Бройля также нашла экспериментальное подтверждение и заложила основы квантовой механики. Работы Эйнштейна позволили объяснить флуоресценцию, фотоионизацию и загадочные вариации удельной теплоемкости твердых тел при различных температурах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

Специальная теория относительности

Третья, поистине замечательная работа Эйнштейна, опубликованная все в том же 1905 г. - специальная теория относительности, революционизировавшая все области физики. В то время большинство 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  в 1887 г. Альбертом А. Майкельсоном  и Эдвардом Морли эксперимент по обнаружению различия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль и поперек направления движения Земли, дал отрицательный результат.

 Если бы эфир был носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, как звук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемой скорости света или вычитаться из нее, подобно тому, как река влияет, с точки зрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на веслах по течению или против течения.

Нет оснований утверждать, что специальная теория относительности Эйнштейна была создана непосредственно под влиянием эксперимента Майкельсона-Морли, но в основу ее были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника.

9

Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени: ни один материальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает, чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее.

Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру. Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y и z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени, с точки зрения другого. Из других выводов, к которым приводит специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии. Масса m представляет собой своего рода «замороженную» энергию E, с которой связана соотношением "E равняется эм-цэ-квадрат", где c - скорость света.

Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника. Релятивистские эффекты, как правило, пренебрежимо малые при обычных скоростях, становятся значительными только при больших, характерных для атомных и субатомных частиц. Потеря массы, связанная с испусканием света, чрезвычайно мала и обычно не поддается измерению даже с помощью самых чувствительных химических весов. Однако специальная теория относительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих в атомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными. Почти через сорок лет после  
                                                                   10

создания теории относительности физики, работавшие над созданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при ее взрыве энергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

Признание заслуг Эйнштейна.

После публикации статей в 1905 г. к Эйнштейну пришло академическое признание. В 1909 г. он стал адъюнкт-профессором Цюрихского университета, в следующем году профессором Немецкого университета в Праге, а в 1912 г. - цюрихского Федерального технологического института. В 1914 г. Эйнштейн был приглашен в Германию на должность профессора Берлинского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка). Германское подданство Эйнштейна было восстановлено, и он был избран членом Прусской академии наук. Придерживаясь пацифистских убеждений, Эйнштейн не разделял взглядов тех, кто был на стороне Германии в бурной дискуссии о ее роли в первой мировой войне.

Общая теория относительности

После напряженных усилий Эйнштейну удалось в 1915 г. создать общую теорию относительности, выходившую далеко за рамки специальной теории, в которой движения должны быть равномерными, а относительные скорости постоянными.

Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные (т.е. происходящие с переменной скоростью). Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона (XVII в.), становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введенных Ньютоном понятий.

Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс, вызывали у него  
12

беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причем сила притяжения, или гравитация, распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения.