Albert Einstein: življenje, teorija relativnosti in znanstveni prispevki

Zgodnje življenje

Einstein se je rodil 14. marca 1879 v Ulmu v Württembergu v Nemčiji. Njegova družina je bila judovska, vendar ni bila preveč verna. Vendar se je Einstein pozneje v življenju začel zelo zanimati za judovstvo. Einstein je začel govoriti šele pri dveh letih. Po besedah njegove mlajše sestre Maje "je imel takšne težave z jezikom, da se je okolica bala, da se ne bo nikoli naučil". Ko je bil Einstein star približno 4 leta, mu je oče podaril magnetni kompas. Zelo si je prizadeval razumeti, kako se lahko zdi, da se igla sama premika, tako da vedno kaže na sever. Igla je bila v zaprtem ohišju, tako da je očitno ni mogel potiskati veter, a se je kljub temu premikala. Tako se je Einstein začel zanimati za študij naravoslovja in matematike. Njegov kompas mu je dal ideje za raziskovanje sveta znanosti.

Ko je postal starejši, je odšel v šolo v Švici. Po diplomi se je zaposlil v tamkajšnjem patentnem uradu. Med delom je napisal članke, zaradi katerih je najprej zaslovel kot velik znanstvenik.

Einstein se je januarja 1903 poročil z 20-letno Srbkinjo Milevo Marić.

Leta 1917 je Einstein hudo zbolel in skoraj umrl. Njegova sestrična Elsa Löwenthal ga je oskrbela. Po tem se je Einstein 14. februarja 1919 ločil od Mileve in se 2. junija 1919 poročil z Elso.

Otroci

Einsteinova prva hči je bila Lieserl (njenega pravega imena nihče ne pozna). Rodila se je v Novem Sadu v Vojvodini v Avstro-Ogrski v prvih mesecih leta 1902. Svoje zelo kratko življenje (menda je trajalo manj kot dve leti) je preživela v oskrbi srbskih starih staršev. Domnevajo, da je umrla zaradi škrlatinke. Nekateri menijo, da se je morda rodila z motnjo, imenovano Downov sindrom, čeprav tega nikoli niso dokazali. Nihče ni vedel za njen obstoj vse do leta 1986, ko je Einsteinova vnukinja odkrila škatlo za čevlje, v kateri je bilo 54 ljubezenskih pisem (večina od Einsteina), ki sta si jih Mileva in Einstein izmenjala od leta 1897 do septembra 1903.

Einsteinova sinova sta bila Hans Albert Einstein in Eduard Tete Einstein. Hans se je rodil maja 1904 v Bernu v Švici, Eduard pa julija 1910 v Zürichu v Švici. Eduard je umrl v 55. letu starosti zaradi možganske kapi v psihiatrični univerzitetni bolnišnici v Zürichu. Zaradi shizofrenije je bil vse življenje v zavetiščih in izven njih.

Poznejše življenje

Tik pred začetkom prve svetovne vojne se je vrnil v Nemčijo in tam postal ravnatelj šole. V Berlinu je živel do prihoda nacistične vlade na oblast. Nacisti so sovražili ljudi, ki so bili Judje ali so izhajali iz judovskih družin. Einsteina so obtožili, da je pomagal ustvariti "judovsko fiziko", nemški fiziki pa so poskušali dokazati, da so njegove teorije napačne.

Leta 1933 sta se Einstein in Elsa zaradi smrtnih groženj nacistov in sovraštva nemškega tiska, ki so ga nadzorovali nacisti, preselila v Princeton v New Jerseyju v ZDA, leta 1940 pa je Einstein postal ameriški državljan.

Med drugo svetovno vojno sta Einstein in Leó Szilárd pisala ameriškemu predsedniku Franklinu D. Rooseveltu, da bi morale Združene države izumiti atomsko bombo, da jih nacistična vlada ne bi mogla prehiteti. Bil je edini, ki je pismo podpisal. Vendar pa ni bil del projekta Manhattan, v okviru katerega je bila izdelana atomska bomba.

Einsteinu, ki je bil Jud, vendar ni bil izraelski državljan, so leta 1952 ponudili predsedniško mesto, vendar ga je zavrnil z besedami: "Ponudba naše države Izrael me je globoko ganila, hkrati pa me je žalostno in sram, da je ne morem sprejeti. " Ehud Olmert naj bi razmišljal, da bi predsedniško mesto ponudil še enemu neizraelcu, Elieju Wieselu, vendar naj bi bil ta "zelo nezainteresiran".

Do smrti 18. aprila 1955, ko je umrl zaradi anevrizme aorte, je predaval fiziko na Inštitutu za napredne študije v Princetonu v New Jerseyju. Nekaj ur pred smrtjo je še vedno pisal o kvantni fiziki. Prejel je Nobelovo nagrado za fiziko.

Einstein je posebno teorijo relativnosti objavil leta 1905 v članku O elektrodinamiki gibajočih se teles. V njej je zapisano, da se tako meritve razdalje kot meritve časa spreminjajo blizu hitrosti svetlobe. To pomeni, da ko se približujemo hitrosti svetlobe (skoraj 300 000 kilometrov na sekundo), se zdi, da so dolžine krajše, ure pa tiktakajo počasneje. Einstein je dejal, da posebna teorija relativnosti temelji na dveh idejah. Prva je, da so fizikalni zakoni enaki za vse opazovalce, ki se med seboj ne gibljejo.

Za stvari, ki se gibljejo v isti smeri z enako hitrostjo, pravimo, da so v "inercialnem okviru".

Ljudje v istem "okvirju" merijo, koliko časa traja, da se nekaj zgodi. Njihove ure merijo isti čas. V drugem "okvirju" pa se njihove ure premikajo z drugačno hitrostjo. Razlog za to je naslednji. Če opazovalec izmeri hitrost svetlobe, ki prihaja iz te zvezde, bo ta vedno enaka, ne glede na to, kako se giblje.

Predstavljajte si, da bi bil astronavt sam v drugem vesolju. V njem sta samo astronavt in vesoljska ladja. Ali se premika? Ali miruje? Ta vprašanja ne pomenijo ničesar. Zakaj? Ker ko rečemo, da se gibljemo, mislimo na to, da lahko v različnih trenutkih izmerimo svojo oddaljenost od nečesa drugega. Če se številke povečujejo, se oddaljujemo. Če so številke manjše, se približujemo. Da bi se gibali, moramo imeti vsaj dve stvari. Letalo se lahko premika s hitrostjo več sto kilometrov na uro, vendar potniki pravijo: "Tukaj samo sedim."

Recimo, da so nekateri ljudje na vesoljski ladji in želijo izdelati natančno uro. Na en konec postavijo ogledalo, na drugi konec pa preprost stroj. Ta izstreli kratek svetlobni sunek proti ogledalu in nato čaka. Svetloba pade na ogledalo in se odbije nazaj. Ko zadene detektor svetlobe na stroju, stroj reče: "Štetje = 1," hkrati pa izstreli še en kratek snop svetlobe proti zrcalu, in ko se ta vrne, stroj reče: "Štetje = 2." Odločijo se, da bo določeno število odbojev definirano kot sekunda, in stroj spremeni števec sekund vsakič, ko zazna to število odbojev. Vsakič, ko se spremeni števec sekund, se skozi odprtino pod strojem prižge tudi luč. Tako lahko nekdo zunaj vidi, da lučka utripa vsako sekundo.

Vsak osnovnošolec se nauči formulo d=rt (razdalja je enaka hitrosti, pomnoženi s časom). Ker poznamo hitrost svetlobe, lahko preprosto izmerimo razdaljo med strojem in ogledalom ter jo pomnožimo in dobimo razdaljo, ki jo prepotuje svetloba. Tako imamo d in r in zlahka izračunamo t. Ljudje na vesoljski ladji primerjajo svojo novo "svetlobno uro" z različnimi ročnimi in drugimi urami in so zadovoljni, da lahko z novo svetlobno uro dobro merijo čas.

Ta vesoljska ladja leti zelo hitro. Na vesoljski ladji zagledajo blisk ure, nato pa še en blisk. Le da bliski niso v razmaku ene sekunde. Prihajajo počasneje. Svetloba vedno teče z enako hitrostjo, d = rt. Zato ura na vesoljski ladji za zunanjega opazovalca ne utripa enkrat na sekundo.

Posebna teorija relativnosti povezuje tudi energijo z maso, in sicer s formulo E=mc2 Alberta Einsteina.

E=mc2, imenovana tudi ekvivalentnost mase in energije, je ena od stvari, po katerih je Einstein najbolj znan. To je znana enačba v fiziki in matematiki, ki prikazuje, kaj se zgodi, ko se masa spremeni v energijo ali energija v maso. Znak "E" v enačbi pomeni energijo. Energija je število, ki ga dodelimo predmetom glede na to, koliko lahko spremenijo druge stvari. Na primer, opeka, ki visi nad jajcem, lahko v jajce vnese dovolj energije, da se jajce razbije. Pero, ki visi nad jajcem, nima dovolj energije, da bi jajce poškodovalo.

Poznamo tri osnovne oblike energije: potencialno energijo, kinetično energijo in energijo mirovanja. Dve od teh oblik energije lahko vidimo v zgornjih primerih in v primeru nihala.

Topniška krogla visi na vrvi z železnega obroča. Konj vleče topovsko kroglo na desno stran. Ko je topovska krogla izpuščena, se premika naprej in nazaj, kot je prikazano na sliki. Tako bi se gibala večno, le da gibanje vrvi v obroču in drgnjenje na drugih mestih povzroča trenje, trenje pa ves čas jemlje nekaj energije. Če zanemarimo izgube zaradi trenja, se energija, ki jo zagotovi konj, odda topovski krogli kot potencialna energija. (Energijo ima, ker je visoko in lahko pade navzdol.) Ko se topovska krogla ziblje navzdol, pridobiva vedno večjo hitrost, zato bližje kot je dnu, hitreje leti in močneje bi te zadela, če bi stal pred njo. Nato se upočasni, saj se njena kinetična energija spremeni nazaj v potencialno energijo. "Kinetična energija" pomeni energijo, ki jo ima stvar, ker se giblje. "Potencialna energija" pomeni energijo, ki jo ima nekaj, ker je v nekem višjem položaju kot nekaj drugega.

Ko energija prehaja iz ene oblike v drugo, je njena količina vedno enaka. Ni je mogoče ustvariti ali uničiti. To pravilo imenujemo "zakon o ohranitvi energije". Ko na primer mečete žogo, se energija prenese iz vaše roke na žogo, ko jo spustite. Toda energija, ki je bila v vaši roki, in energija, ki je zdaj v žogi, sta enaki. Ljudje so dolgo časa mislili, da je ohranitev energije vse, o čemer je treba govoriti.

Ko se energija spremeni v maso, količina energije ne ostane enaka. Ko se masa spremeni v energijo, tudi količina energije ne ostane enaka. Vendar pa količina snovi in energije ostane enaka. Energija se spreminja v maso, masa pa v energijo na način, ki ga določa Einsteinova enačba E = mc2.

"m" v Einsteinovi enačbi pomeni maso. Masa je količina snovi v nekem telesu. Če bi poznali število protonov in nevtronov v kosu snovi, kot je opeka, bi lahko izračunali njeno skupno maso kot vsoto mas vseh protonov in vseh nevtronov. (Elektroni so tako majhni, da so skoraj zanemarljivi.) Mase se med seboj vlečejo in zelo velika masa, kot je masa Zemlje, zelo močno vleče stvari v bližini. Na Jupitru bi tehtali veliko več kot na Zemlji, ker je Jupiter tako velik. Na Luni bi tehtali veliko manj, ker ima le približno šestino mase Zemlje. Teža je povezana z maso opeke (ali osebe) in maso tistega, kar jo na vzmetni tehtnici vleče navzdol - kar je lahko manjše od najmanjše lune v sončnem sistemu ali večje od Sonca.

Maso in ne teže je mogoče pretvoriti v energijo. To misel lahko izrazimo tudi tako, da rečemo, da se snov lahko pretvori v energijo. Enote mase se uporabljajo za merjenje količine snovi v neki stvari. Masa ali količina snovi v nečem določa, v koliko energije se lahko ta stvar spremeni.

Energija se lahko pretvori tudi v maso. Če bi potiskali otroški voziček pri počasni hoji in bi ugotovili, da ga je lahko potiskati, če pa bi ga potiskali pri hitri hoji in bi se težje premikal, bi se spraševali, kaj je narobe z otroškim vozičkom. Če bi nato poskušali teči in ugotovili, da je premikanje otroškega vozička pri vsaki večji hitrosti enako potiskanju ob zid, bi bili zelo presenečeni. Resnica je, da se pri premikanju stvari poveča njena masa. Ljudje tega povečanja mase običajno ne opazimo, saj se pri hitrosti, s katero se ljudje običajno gibljejo, masa skoraj ne poveča.

Ko se hitrosti približajo hitrosti svetlobe, je nemogoče, da ne bi opazili sprememb v masi. Osnovna izkušnja, ki jo imamo vsi v vsakdanjem življenju, je, da močneje kot potiskamo nekaj, kot je avtomobil, hitreje se lahko pelje. Kadar pa nekaj, kar potiskamo, že vozi z velikim delom svetlobne hitrosti, ugotovimo, da pridobiva na masi, zato je vedno težje doseči, da bi vozilo vozilo vozilo vozilo hitreje. Nemogoče je doseči, da bi katerakoli masa dosegla svetlobno hitrost, saj bi za to potrebovali neskončno veliko energije.

Včasih se masa spremeni v energijo. Običajna primera elementov, pri katerih se te spremembe imenujemo radioaktivnost, sta radij in uran. Atom urana lahko izgubi delec alfa (atomsko jedro helija) in postane nov element z lažjim jedrom. Takrat bo ta atom oddajal dva elektrona, vendar še ne bo stabilen. Oddajal bo vrsto delcev alfa in elektronov, dokler ne bo končno postal element Pb ali tako imenovani svinec. S tem ko je atom odvrgel vse te delce, ki imajo maso, je zmanjšal svojo lastno maso. Prav tako je proizvedel energijo.

Pri večini radioaktivnosti se celotna masa nečesa ne spremeni v energijo. V atomski bombi se uran spremeni v kripton in barij. Masa nastalih kriptona in barija ter masa prvotnega urana se nekoliko razlikujeta, vendar je energija, ki se pri tem sprosti, ogromna. To lahko izrazimo tako, da Einsteinovo enačbo zapišemo kot:

E = (_mural - mkriston _{in barij)} c2

c2 v enačbi pomeni kvadrat svetlobne hitrosti. Če nekaj kvadriramo, pomeni, da to pomnožimo s samim seboj, zato bi bila hitrost svetlobe, če bi jo kvadrirali, 299 792 458 metrov na sekundo krat 299 792 458 metrov na sekundo, kar je približno
(3-108)² = (9-1016 metrov2)/sekunde2 = 90
000 000 000 000 000 000 metrov2/sekunde2 Torej
bi bila energija, proizvedena z enim kilogramom:
E = 1 kg - 90,000,000,000,000,000,000,000 metrov2/sekunde2E
= 90,000,000,000,000,000,000 kg metrov2/sekunde2aliE
= 90,000,000,000,000,000,000 joulovali
E = 90,000 terajoulov

Pri eksploziji atomske bombe nad Hirošimo se je sprostilo približno 60 terajoulov. Približno dve tretjini grama radioaktivne mase v atomski bombi se je torej moralo izgubiti (spremeniti v energijo), ko se je uran spremenil v kripton in barij.

Zamisel o Bosejevem-Einsteinovem kondenzatu je nastala v sodelovanju med S. N. Bosejem in profesorjem Einsteinom. Einstein sam je ni izumil, temveč je idejo izpopolnil in ji pomagal, da je postala priljubljena.

Koncept energije ničelne točke sta leta 1913 v Nemčiji razvila Albert Einstein in Otto Stern.

V klasični fiziki je gibalna moč razložena z enačbo:

p = mv

kjer je

p pomeni zagon.

m predstavlja maso

v pomeni hitrost (hitrost).

Ko je Einstein posplošil klasično fiziko in vključil povečanje mase zaradi hitrosti gibajoče se snovi, je prišel do enačbe, ki je predvidevala, da je energija sestavljena iz dveh komponent. Ena komponenta vključuje "mirujočo maso", druga pa gibanje, vendar gibanje ni opredeljeno na klasičen način. Enačba ima za obe komponenti običajno vrednosti, ki so večje od nič:

E2 = (m0c2)² + (pc)²

kjer je

E predstavlja energijo delca

m0 je masa delca, ko se ne premika.

p je gibalna sila delca, ko se giblje.

c je hitrost svetlobe.

Za to enačbo obstajata dva posebna primera.

Foton nima mirujoče mase, ima pa gibalno moč. (Svetloba, ki se odbija od ogledala, potiska ogledalo s silo, ki jo lahko izmerimo.) V primeru fotona, ker je njegova m0 = 0, potem:

E2 = 0 + (pc)²

E = pc

p = E/c

Energijo fotona lahko izračunamo iz njegove frekvence ν ali valovne dolžine λ. Med njima velja Planckova zveza: E = hν = hc/λ, kjer je h Planckova konstanta (6,626×10-34 joule-sekunde). Če poznamo frekvenco ali valovno dolžino, lahko izračunamo fotonov gibalni moment.

V primeru negibnih delcev z maso, ker je p = 0, potem:

E02 = (m0c2)² + 0

ki je samo

E0 = m0c2

Zato se količina "m0", uporabljena v Einsteinovi enačbi, včasih imenuje "mirujoča masa". (Oznaka "0" nas opozarja, da govorimo o energiji in masi, ko je hitrost enaka 0.) Ta slavna formula "razmerje med maso in energijo" (običajno zapisana brez "0") nakazuje, da ima masa veliko količino energije, zato bi morda lahko nekaj mase pretvorili v bolj uporabno obliko energije. Na tej ideji temelji jedrska energetika.

Einstein je dejal, da ni dobra zamisel uporabljati klasične formule, ki povezuje gibalno moč s hitrostjo, p = mv, ampak da bi moral nekdo, ki bi to želel storiti, uporabiti maso delca m, ki se spreminja s hitrostjo:

mv2 = m02 / (1 - v2/c2)

V tem primeru lahko rečemo, da E = mc2 velja tudi za gibajoče se delce.

Splošna teorija relativnosti je bila objavljena leta 1915, deset let po nastanku posebne teorije relativnosti. Einsteinova splošna teorija relativnosti uporablja idejo prostor-časa. Prostorski čas je dejstvo, da imamo štiridimenzionalno vesolje s tremi prostorskimi (prostorskimi) in eno časovno (časovno) dimenzijo. Vsak fizični dogodek se zgodi na nekem mestu znotraj teh treh prostorskih razsežnosti in v nekem časovnem trenutku. V skladu s splošno teorijo relativnosti vsaka masa povzroči ukrivljanje prostor-časa, katerakoli druga masa pa sledi tem ukrivljenostim. Večja masa povzroča večje ukrivljanje. To je bil nov način razlage gravitacije.

Splošna teorija relativnosti pojasnjuje gravitacijsko lečo, ki pomeni upogibanje svetlobe, ko se ta približa masivnemu objektu. Ta razlaga se je izkazala za pravilno med sončnim mrkom, ko je bilo zaradi teme mrka mogoče izmeriti, kako Sonce ukrivlja svetlobo oddaljenih zvezd.

Splošna teorija relativnosti je postavila tudi temelje za kozmologijo (teorije o zgradbi našega vesolja na velikih razdaljah in v daljšem časovnem obdobju). Einstein je menil, da se vesolje lahko nekoliko ukrivlja v prostoru in času, tako da je vesolje vedno obstajalo in bo vedno obstajalo, in da se bo predmet, ki se giblje po vesolju, ne da bi v kaj trčil, po zelo dolgem času vrnil na svoje izhodišče iz druge smeri. Da bi omogočil matematični model nespremenljivega vesolja, je celo spremenil svoje enačbe in vključil "kozmološko konstanto". Splošna teorija relativnosti dopušča tudi možnost, da se vesolje širi (veča in manjša gostota) v neskončnost, in večina znanstvenikov meni, da je astronomija dokazala, da se to tudi dogaja. Ko je Einstein spoznal, da so dobri modeli vesolja mogoči tudi brez kozmološke konstante, je uporabo kozmološke konstante označil za svojo "največjo napako", zato je ta konstanta pogosto izpuščena iz teorije. Vendar mnogi znanstveniki zdaj menijo, da je kozmološka konstanta potrebna, da se vanjo prilega vse, kar zdaj vemo o vesolju.

Priljubljena kozmološka teorija se imenuje veliki pok. Po teoriji velikega poka je vesolje nastalo pred 15 milijardami let v tako imenovani gravitacijski singularnosti. Ta singularnost je bila majhna, gosta in zelo vroča. Po tej teoriji je vsa snov, ki jo poznamo danes, nastala v tej točki.

Einstein sam ni imel ideje o "črni luknji", vendar so poznejši znanstveniki to ime uporabili za objekt v vesolju, ki tako močno upogiba prostor-čas, da mu ne more uiti niti svetloba. Menijo, da ti izjemno gosti objekti nastanejo, ko umrejo orjaške zvezde, ki so vsaj trikrat večje od našega Sonca. Ta dogodek lahko sledi tako imenovani supernovi. Nastajanje črnih lukenj je lahko glavni vir gravitacijskih valov, zato je iskanje dokazov za gravitacijske valove postalo pomembno znanstveno prizadevanje.

Mnogi znanstveniki se ukvarjajo le s svojim delom, Einstein pa je pogosto govoril in pisal tudi o politiki in svetovnem miru. Všeč so mu bile ideje socializma in ene same vlade za ves svet. Zavzemal se je tudi za sionizem, prizadevanje za ustanovitev nove države Izrael.

Einsteinova družina je bila judovska, vendar Einstein te vere ni nikoli resno prakticiral. Všeč so mu bile ideje judovskega filozofa Barucha Spinoze, prav tako pa je menil, da je budizem dobra religija. ^[]

Čeprav se je Einstein domislil številnih idej, ki so znanstvenikom pomagale bolje razumeti svet, se ni strinjal z nekaterimi znanstvenimi teorijami, ki so bile všeč drugim znanstvenikom. Teorija kvantne mehanike govori o stvareh, ki se lahko zgodijo le z določenimi verjetnostmi, ki jih ni mogoče napovedati z večjo natančnostjo, ne glede na to, koliko informacij imamo. To teoretično prizadevanje se razlikuje od statistične mehanike, pri kateri je Einstein opravil pomembno delo. Einsteinu ni bil všeč tisti del kvantne teorije, ki je zanikal kaj več kot verjetnost, da se bo nekaj izkazalo za resnično, ko bo to dejansko izmerjeno; menil je, da bi moralo biti mogoče napovedati vse, če imamo pravilno teorijo in dovolj informacij. Nekoč je dejal: "Ne verjamem, da se Bog z vesoljem igra s kockami."

Ker je Einstein tako zelo pomagal znanosti, se njegovo ime danes uporablja za več različnih stvari. Po njem je bila poimenovana enota, ki se uporablja v fotokemiji. Enaka je Avogadrovemu številu, pomnoženemu z energijo enega fotona svetlobe. Po znanstveniku je poimenovan tudi kemični element einsteinij. V žargonu včasih zelo pametno osebo imenujemo "Einstein".

Večina znanstvenikov meni, da sta Einsteinovi teoriji posebne in splošne relativnosti zelo dobri, in te ideje in formule uporabljajo pri svojem delu. Einstein se ni strinjal, da se pojavi v kvantni mehaniki lahko zgodijo zgolj po naključju. Menil je, da imajo vsi naravni pojavi razlage, ki ne vključujejo čistega naključja. Velik del svojega poznejšega življenja je posvetil iskanju "enotne teorije polja", ki bi vključevala njegovo splošno teorijo relativnosti, Maxwellovo teorijo elektromagnetizma in morda boljšo kvantno teorijo. Večina znanstvenikov meni, da mu ta poskus ni uspel.