Эйнштейн, его открытия

Введение

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в маленьком австрийском городке Ульме. Герман Эйнштейн, отец великого физика, еще в школьные годы выделялся среди своих однокашников великолепными математическими способностями. Альберту был один год, когда семья перебралась в Мюнхен. В пять лет Альберт увидел магнитный компас и преисполнился благоговейного трепета и удивления, не угасавших всю жизнь. Эти чувства лежали в основе всех его величайших научных достижений. Позднее, в двенадцать лет, он испытал такое же изумление, впервые заглянув в учебник геометрии.В Мюнхене Альберт поступил в начальную школу, а затем в луитпольдовскую гимназию. Закончив шесть классов, он жил до осени 1895 года в Милане и учился самостоятельно.

Осенью 1895 года он приезжает в Швейцарию, чтобы поступить в Высшее техническое училище в Цюрихе, политехникум — так называлось кратко это учебное заведение. К сожалению, его знания по историкофилологическому циклу оказались недостаточными. Экзамены по бота нике и французскому языку были провалены. Директору политехникума очень понравился молодой человек-самоучка, и он посоветовал Эйнштейну поступить в последний класс кантональной школы в Аарау, чтобы получить аттестат зрелости. «Не переживайте, Джузеппе Верди тоже не сразу приняли в Миланскую консерваторию. У вас большое будущее, я в этом уверен», — сказал| директор.

После года обучения в Аарау, Альберт решил стать преподавателем! физики, и в октябре 1896 года Эйнштейн, наконец, был принят в политех- никум на учительский факультет. В первый год обучения в политехникуме Эйнштейн усердно работал в физической лаборатории, «увлеченный непосредственным соприкоснове- нием с опытом». Кроме интереса к теоретической физике, в студенческие) годы Эйнштейн интересуется геологией, историей культуры, экономикой, литературоведением. И продолжает заниматься и заниматься самообразованием... На его столе появляются труды Гельмгольца, Герца и даже Дарвина.

1 Первый год в Швейцарии

В октябре 1895 шестнадцатилетний Альберт Эйнштейн пешком отправился из Милана в Цюрих, чтобы поступить в Федеральную высшую техническую школу — знаменитый Политехникум, для поступления в который не требовалось свидетельства об окончании средней школы. Блестяще сдав вступительные экзамены по математике, физике и химии, он, однако, с треском провалился по другим предметам. Ректор Политехникума, оценив незаурядные математические способности Эйнштейна, направил его для подготовки в кантональную школу в Аарау (в 20 милях к западу от Цюриха), которая в то время считалась одной из лучших в Щвейцарии. Год, проведенный в этой школе, которой руководил серьезный ученый и прекрасный педагог А. Таухшмид, оказался и очень полезным, и — по контрасту с казарменной обстановкой в Пруссии — приятным.

2 Учеба в Политехникуме

Выпускные экзамены в Аарау Альберт Эйнштейн сдал вполне успешно (кроме экзамена по французскому языку), что дало ему право на зачисление в Политехникум в Цюрихе. Кафедру физики там возглавлял профессор В. Г. Вебер, прекрасный лектор и талантливый экспериментатор, занимавшийся в основном вопросами электротехники. Поначалу он очень хорошо принял Эйнштейна, но в дальнейшем отношения между ними осложнились настолько, что после окончания учебы Эйнштейн некоторое время не мог устроиться на работу. В какой-то мере это объяснялось чисто научными причинами. Отличаясь консерватизмом взглядов на электромагнитные явления, Вебер не принимал теорииМаксвелла, представлений о поле и придерживался 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 на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Он тогда не знал об опытах американского ученого-физика Альберта Майкельсона и независимо от него предложил свою интерференционную методику.

Но опыты, придуманные Альбертом Эйнштейном, со страстью работавшим в физическом практикуме, не имели шансов осуществиться. Преподаватели недолюбливали строптивого студента. «Вы умный малый, Эйнштейн, очень умный малый, но у вас есть большой недостаток — вы не терпите замечаний», — сказал ему как-то Вебер, и этим определялось многое. Бюро патентов.

3 Первые шаги А. Эйнштейна к признанию

После окончания Политехникума в 1900 году, молодой дипломированный 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 он получил наконец, по рекомендации друзей, место эксперта в федеральном Бюро патентов в Берне. Незадолго до этого Альберт сменил гражданство и стал щвейцарским подданным. Через несколько месяцев после устройства на работу он женился на своей бывшей цюрихской однокурснице Милеве Марич, родом из Сербии, которая была на четыре года старше его. В Бюро патентов, которое Эйнштейн называл «светским монастырем», он проработал семь с лишним лет, считая эти годы самыми счастливыми в жизни. Должность «патентного служки» постоянно занимала его ум различными научными и техническими вопросами, но оставляла достаточно времени для самостоятельной творческой работы. Ее результаты к середине «счастливых бернских лет» составили содержание научных статей, которые изменили облик современной физики, принесли Эйнштейну мировую славу.

Броуновское движение

Первая из этих статей — «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, вытекающем из молекулярно-кинетической теории», вышедшая в 1905 году, — была посвящена теории броуновского движения. Это явление (непрерывное беспорядочное зигзагообразное движение частичек цветочной пыльцы в жидкости), открытое в 1827английским ботаником Робертом Броуном, уже получило тогда статистическое объяснение, но теория Эйнштейна (который не знал предшествующих работ по броуновскому движению) имела законченную форму и открывала возможности количественных экспериментальных исследований. В 1908 эксперименты французского физика Жана Батиста Перрена полностью подтвердили теорию Эйнштейна, что сыграло важную роль для окончательного становления молекулярно-кинетических представлений.

Кванты и фотоэффект

В том же 1905 году вышла и другая работа Эйнштейна — «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света». За пять лет до этого немецкий физик Макс Планк показал, что спектральный состав излучения, испускаемого горячими телами, находит объяснение, если принять, что процесс излучения дискретен, то есть свет испускается не непрерывно, а дискретными порциями определенной энергии. Эйнштейн выдвинул предположение, что и поглощение света происходит теми же порциями и что вообще «однородный свет состоит из зерен энергии (световых квантов),... несущихся в пустом пространстве со скоростью света». Эта революционная идея позволила Эйнштейну объяснить законы фотоэффекта, в частности, факт существования «красной границы», то есть той минимальной частоты, ниже которой выбивания светом электронов из вещества вообще не происходит.

Идея квантов была применена Альбертом Эйнштейном и к объяснению других явлений, например, флуоресценции, фотоионизации, загадочных вариаций удельной теплоемкости твердых тел, которые не могла описать   

классическая теория.

Работы Эйнштейна, посвященные квантовой теории света, были удостоены в 1921 Нобелевской премии.

Частная (специальная) теория относительности

Наибольшую известность А. Эйнштейну все же принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905, в статье «К электродинамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Хендриком Лоренцом формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще итальянским ученым и физиком Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E2= М2 c4 + P2 с2 (где с — скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.

Профессорская деятельность. Приглашение в Берлин. Общая теория относительности

В 1905 Альберту Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. В 1909 он избран профессором Цюрихского университета, а через два года — Немецкого университета в Праге.

В 1912 Эйнштейн возвратился в Цюрих, где занял кафедру в Политехникуме, но уже в 1914 принял приглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Института физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа над общей теорией относительности. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого товарища М. Гроссмана в 1912 появилась статья «Набросок обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории датируется 1915 годом. Эта теория, по мнению многих ученых, явилась самым значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и «инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решению проблемы, поставленной еще английским физиком Исааком Ньютоном: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия.

Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства — времени. Любое массивное тело, по Эйнштейну, вызывает вокруг себя «искривление» пространства, то есть делает его геометрические свойства иными, чем в геометрии Евклида, и любое другое тело, движущееся в таком «искривленном» пространстве, испытывает воздействие первого тела.

Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов, которые вскоре получили экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

1. Эйнштейн создал специальную  и общую теорию относительности, коренным образом изменившее представления о пространстве, времени и материи. В 1905 году в статье «К электродинамике движущихся тел» разработал основы специальной теории относительности, изложив новые законы движения, которые обобщали Ньютоновские и переходили в них в случае малых скоростей тел.В основу своей теории положил 2 постулата:

Специальный принцип относительности, являющийся обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические явления( в любых инерциальных системах все физические процессы- механические, электрические, тепловые оптические и др.- протекают одинаково), и принцип постоянства скорости света в вакуме ( скорость света в вакуме не зависит от движения источника света или наблюдения и одинакова во всех направлениях, то есть, одинакрва во всех инерциальных системах и равна 30000000000млр см/с.

Оба постулата и теория, построенная на их основе, привели к ломке многих установившихся классических понятий (абсолютное пространство, абсолютное время), заставили пересмотреть ряд основных положений классической физики Ньютона, установили новый взгляд на мир, новые пространственно- временные представления ( относительность длины, времени, одновременности событий). Однако эта теория не отбросила совсем закономерностей, установленных классической механикой, а уточнила их в случае движения со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме.

Исходя из своей теории, Эйнштейн в том же 1905 году окрыл закон взаимосвязи массы и энергии. Показал,что масса является мерой энергии, заключенных в телах. Это соотношение Эйнштейна лежит в основе расчета энергитического баланса ядерных реакций, в основе всей ядерной физики. Все положения и выводы специальной теории относительности ярко подтвердились в многочисленных опытах, она стала мощным инструментом в физических исследованиях, в частности в физике микромира.

2. Значительная роль Энштейна и в создании квантовой теории. Если М. Планк квантовал лишь энергию материального осциллятора, то эйнштейн ввел в 1905 году представление о дискретной, квантовой структуре самого светового излучения, рассматривая последнее как поток квантов света, или фотонов (фотоновая теория света). Тким образом, Эйнштейну  пренадлежит теоритические окрытие фотона, экспериментально  обнаруженного в 1992 году. А.Комптонном. Исходя из квантовой теории света, объяснил такое явления, как фотоэффект (закон Эйнштейна для фотоэффекта), правило Стокса для флюоресценции, фотоионизацию и др.., которые не могла объяснить  электромагнитная теория света. За эти исследования  в 1921 году ученому была присуждена Нобелевская премия по физике. В 1907 году распостранил идеи квантовой теории на физические процессы, непосредственно не связанные со светом. В частности, рассмотрев тепловые колебания атомов в твердом теле и использовав идеи квантовой теории, объяснил уменьшение теплоемкости твердых тел при понижении температуры ,разработав первую квантовую теорию теплоемкости твердых тел.

3. в 1909 году впервые рассмотрел  корпускулярно-волновой дуализм  для излучения, а также флуктуации  энергии равновесного излучения, получив формулу для флуктуаций  энергии.

4. В 1912 году установил  основной закон фотохимии: каждый  поглощенный фотон вызывает одну  элементарную фотореакцию (закон  Эйнштейна).

5. Предсказал в 1916 году  явление индуцированного излучения, ввел вероятности спонтанного  и вынужденного излучений (коэффициенты  Эйнштейна).

6. В статистической физике  развил в 1905 году молекулярно-статистическую  теорию броуновского движения, в 1924-25 годах  создал квантовую статистику  частиц с целым спином (статистика  Бозе-Эйнштейна).