Pod koniec tysiąclecia Świat Fizyki Magazyn przeprowadził ankietę, w której zapytał 100 czołowych fizyków na świecie, których uważali za 10 najlepszych naukowców wszechczasów. Poza tym, że jest najbardziej znanym naukowcem, jaki kiedykolwiek żył, Albert Einstein to także nazwisko rodzinne, synonim geniuszu i niekończącej się kreatywności.
Jako odkrywca specjalnej i ogólnej teorii względności, Einstein zrewolucjonizował nasze rozumienie czasu, przestrzeni i wszechświata. Odkrycie to, wraz z rozwojem mechaniki kwantowej, skutecznie zakończyło erę fizyki newtonowskiej i zapoczątkowało współczesność. Podczas gdy dwa poprzednie stulecia charakteryzowały się powszechną grawitacją i ustalonymi ramami odniesienia, Einstein pomógł wprowadzić epokę niepewności, czarnych dziur i „przerażającej akcji na odległość”.
Wczesne życie:
Albert Einstein urodził się 14 marca 1879 r. W mieście Ulm, wówczas części Królestwa Wurttenmberg (obecnie federalny kraj związkowy Badenia-Wirtembergia). Jego rodzicami byli Hermann Einstein (sprzedawca i inżynier) i Pauline Koch, którzy nie byli obserwującymi aszkenazyjskimi Żydami - rozbudowaną społecznością Żydów mówiących w języku jidysz, którzy mieszkali w Niemczech i Europie Środkowej.
W 1880 roku, gdy miał zaledwie sześć tygodni, rodzina Einsteina przeprowadziła się do Monachium, gdzie założył jego ojciec i wujek Elektrotechnische Fabrik J. Einstein & Cie (firma, która produkowała sprzęt elektryczny na bazie prądu stałego). W 1894 roku firma jego ojca upadła i rodzina przeniosła się do Włoch, podczas gdy Einstein pozostał w Monachium, aby ukończyć studia.
Edukacja:
W 1884 r. Albert Einstein uczęszczał do katolickiej szkoły podstawowej, gdzie pozostał do 1887 r. W tym czasie przeniósł się do gimnazjum w Luitpold, gdzie otrzymał wykształcenie średnie podstawowe i średnie. Jego ojciec miał nadzieję, że Einstein pójdzie w jego ślady i pójdzie na elektrotechnikę, ale Einstein miał trudności ze szkolnymi metodami nauczania, woląc samokierowanie od nauki na odległość.
Podczas wizyty u jego rodziny we Włoszech w 1894 r. Einstein napisał krótki esej zatytułowany „O badaniu stanu eteru w polu magnetycznym” - który byłby jego pierwszą publikacją naukową. W 1895 r. Einstein zdał egzamin wstępny na Szwajcarską Federalną Politechnikę w Zurychu - obecnie znaną jako Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zurich).
Chociaż nie spełnił wszystkich wymagań, uzyskał wyjątkowe oceny z fizyki i matematyki. Za radą dyrektora Politechniki Zürich uczęszczał do argentyńskiej szkoły kantonalnej w szwajcarskim Aarau, aby ukończyć szkołę średnią. Zrobił to w latach 1895–96, pozostając w rodzinie profesora.
We wrześniu 1896 r. Zdał szwajcarski egzamin wyjściowy, w którym uzyskał głównie dobre oceny, w tym najwyższe oceny z fizyki i matematyki. Choć miał zaledwie 17 lat, zapisał się na czteroletni program dyplomowy z matematyki i fizyki na Politechnice w Zurychu. Tam poznał swoją pierwszą i przyszłą żonę, Milevę Maric, obywatelkę Serbii i jedyną kobietę wśród sześciu studentów w dziale matematyki i fizyki.
Oboje wezmą ślub w 1904 r. I będą mieli dwóch synów, ale do 1919 r. Rozwiedli się po pięciu latach życia osobno. Później Einstein ożenił się ponownie, tym razem ze swoją kuzynką Elsą Löwenthal - z którą pozostawał w związku małżeńskim aż do jej śmierci w 1939 r. W tym czasie Einstein kontynuował swoje największe osiągnięcia naukowe.
Osiągnięcia naukowe:
W 1900 roku Einstein otrzymał dyplom nauczania Politechniki w Zurychu. Po ukończeniu studiów spędził prawie dwa lata na poszukiwaniu stanowiska nauczycielskiego i uzyskał obywatelstwo szwajcarskie. W końcu, z pomocą ojca i kolegi Marcela Grossmanna, Einsten zapewnił pracę w Federalnym Urzędzie Własności Intelektualnej w Bernie. W 1903 r. Jego stanowisko stało się stałe.
Znaczna część pracy Einsteina w urzędzie patentowym była związana z pytaniami dotyczącymi transmisji sygnałów elektrycznych i elektryczno-mechanicznej synchronizacji czasu. Te problemy techniczne pojawiały się wielokrotnie w eksperymentach myślowych Einsteina, ostatecznie prowadząc go do jego radykalnych wniosków na temat natury światła i fundamentalnego związku między przestrzenią a czasem.
W 1900 roku opublikował artykuł zatytułowany „Folgerungen aus den Capillaritätserscheinungen”(„ Wnioski z zjawisk kapilarności ”). Opierając się na teorii uniwersalnej grawitacji Newtona, zaproponował w tym artykule, że teoria, że interakcje między wszystkimi cząsteczkami są uniwersalną funkcją odległości, analogicznie do siły grawitacji odwrotnej do kwadratu. Później okaże się to niepoprawne, ale publikacja artykułu w prestiżowymAnnalen der Physik (Journal of Physics) zwrócił uwagę świata akademickiego.
30 kwietnia 1905 roku Einstein ukończył pracę pod czujnym okiem profesora Alfreda Kleinera, profesora fizyki eksperymentalnej na uniwersytecie. Jego rozprawa - zatytułowana „Nowe określenie wymiarów molekularnych” - przyniosła mu doktorat na Uniwersytecie w Zurychu.
W tym samym roku, w eksplozji twórczej energii intelektualnej - znanej jako jego „Annus mirabilis” (cudowny rok) - Einstein opublikował także cztery przełomowe prace na temat efektu fotoelektrycznego, ruchu Browna, szczególnej teorii względności oraz równoważności masy i energii, które przyniosłyby mu uwagę międzynarodowej społeczności naukowej.
W 1908 roku został mianowany wykładowcą na uniwersytecie w Bernie. W następnym roku, po wygłoszeniu wykładu na temat elektrodynamiki i zasady względności na Uniwersytecie w Zurychu, Alfred Kleiner polecił go na wydział nowego profesora fizyki teoretycznej. Einstein został mianowany profesorem nadzwyczajnym w 1909 r.
W kwietniu 1911 r. Einstein został profesorem zwyczajnym na Uniwersytecie Charlesa-Ferdynanda w Praque, który był wówczas częścią Cesarstwa Austro-Węgierskiego. Podczas pobytu w Pradze napisał 11 prac naukowych, z których 5 dotyczyło matematyki promieniowania i kwantowej teorii ciał stałych.
W lipcu 1912 r. Powrócił do Szwajcarii i ETH Zürich, gdzie uczył o mechanice analitycznej i termodynamice do 1914 r. W czasie swojej pracy w ETH Zürich studiował również mechanikę ciągłą oraz molekularną teorię ciepła i problem grawitacji. W 1914 r. Wrócił do Niemiec i został dyrektorem Instytutu Fizyki Kaiser Wilhelm (1914–1932) oraz profesorem na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie.
Wkrótce został członkiem Pruskiej Akademii Nauk, a od 1916 do 1918 roku pełnił funkcję prezesa Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego. W 1920 r. Został członkiem zagranicznym Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, aw 1921 r. Został wybrany członkiem zagranicznym Royal Society (ForMemRS).
Status uchodźcy:
W 1933 roku Einstein odwiedził Stany Zjednoczone po raz trzeci. Ale w przeciwieństwie do poprzednich wizyt - gdzie prowadził serie wykładów i wycieczki - przy tej okazji wiedział, że nie może wrócić do Niemiec z powodu wzrostu nazizmu za Adolfa Hitlera. Po odbyciu trzeciego, dwumiesięcznego pobytu profesorskiego na amerykańskich uniwersytetach, wraz z żoną Elsą udał się do Antwerpii w Belgii w marcu 1933 r.
Po przybyciu, gdy dowiedzieli się, że ich dom został najechany przez nazistów, a ich prywatna żaglówka skonfiskowana, Einstein zrzekł się niemieckiego obywatelstwa. Miesiąc później prace Einsteina znalazły się wśród tych, które były celem nazistowskich wypalenia książek, a on został umieszczony na liście „wrogów niemieckiego reżimu” z nagrodą w wysokości 5000 USD za głowę.
W tym okresie Einstein stał się częścią dużej społeczności byłych patriotów niemieckich i żydowskich w Belgii, z których wielu było naukowcami. Przez pierwsze kilka miesięcy wynajmował dom w De Haan w Belgii, gdzie mieszkał i pracował. Poświęcił się także pomaganiu żydowskim naukowcom w ucieczce przed prześladowaniami i morderstwami z rąk nazistów.
W lipcu 1933 r. Wyjechał do Anglii na osobiste zaproszenie swojego przyjaciela i oficera marynarki wojennej, dowódcy Olivera Locker-Lampsona. Tam spotkał się z ówczesnym posłem Winstonem Churchillem i byłym premierem Lloydem George'em i poprosił ich o pomoc w wyprowadzeniu żydowskich naukowców z Niemiec. Według jednego z historyków Churchill wysłał fizyka Fredericka Lindemanna do Niemiec w celu poszukiwania żydowskich naukowców i umieszczenia ich na brytyjskich uniwersytetach.
Później Einstein skontaktował się z przywódcami innych narodów, w tym premierem Turcji Ismetem Inönü, aby poprosić o pomoc w przesiedlaniu obywateli żydowskich uciekających przed nazistami. We wrześniu 1933 r. Napisał do Inönü, prosząc o umieszczenie bezrobotnych naukowców niemiecko-żydowskich. W wyniku listu Einsteina żydowscy zaproszeni do Turcji mieli ostatecznie ponad 1000 osób.
Chociaż Locker-Lamspon wezwał parlament Wielkiej Brytanii do rozszerzenia obywatelstwa na Einsteina, jego wysiłki się nie powiodły, a Einstein przyjął wcześniejszą ofertę z Princeton Institute for Advanced Study w New Jersey, aby zostać rezydentem. W październiku 1933 r. Einstein przybył do USA i objął stanowisko.
W tym czasie większość amerykańskich uniwersytetów miała minimalny wydział lub studentów żydowskich lub ich brak, ze względu na kwoty ograniczające liczbę Żydów, którzy mogliby zapisać się lub uczyć. Wygasną one do 1940 r., Ale pozostaną barierą dla amerykańsko-żydowskich naukowców, aby w pełni uczestniczyć w życiu akademickim i otrzymywać wykształcenie wyższe.
W 1935 r. Einstein złożył wniosek o stałe obywatelstwo w USA, które otrzymał w 1940 r. Zostanie w USA i utrzyma swoją przynależność do Institute for Advanced Study do śmierci w 1955 r. W tym okresie Einstein próbował opracować ujednoliconą teorię pola i obalenie przyjętej interpretacji fizyki kwantowej, obie bezskutecznie.
Projekt Manhattan:
Podczas II wojny światowej Einstein odegrał ważną rolę w tworzeniu The Manhattan Project - rozwoju bomby atomowej. Projekt rozpoczął się po tym, jak do Einsteina zwróciła się grupa naukowców pod przewodnictwem węgierskiego fizyka Leó Sziládda w 1939 roku. Po wysłuchaniu ich ostrzeżeń o nazistowskim programie broni nuklearnej napisał list do ówczesnego prezydenta Roosevelta, ostrzegając go przed ekstremalnym niebezpieczeństwem takiej broni w rękach nazistów.
Chociaż pacyfista, który nigdy nie rozważał pomysłu wykorzystania fizyki jądrowej w celu opracowania broni, Einstein martwił się, że naziści posiadają taką broń. W związku z tym on i Szilárd wraz z innymi uchodźcami, takimi jak Edward Teller i Eugene Wigner, „uznali za swój obowiązek powiadomić Amerykanów o możliwości wygrania wyścigu przez niemieckich naukowców w celu zbudowania bomby atomowej i ostrzec, że Hitler chętnie sięgnij po taką broń. ”
Według historyków Sarah J. Diehl i Jamesa Claya Moltza list był „prawdopodobnie kluczowym bodźcem do przyjęcia przez USA poważnych dochodzeń w sprawie broni jądrowej w przeddzień wejścia USA w II wojnę światową”. Oprócz tego listu, Einstein wykorzystał swoje kontakty z belgijską rodziną królewską i belgijską matką królową, aby uzyskać dostęp z osobistym wysłannikiem do owalnego biura Białego Domu, gdzie spotkał się z Rooseveltem, aby osobiście omówić niebezpieczeństwo.
W wyniku listu Einsteina i jego spotkań z Rooseveltem USA zainicjowały Projekt Manhattan i zmobilizowały wszystkie niezbędne zasoby do badań, budowy i testowania bomby atomowej. Do 1945 r. Ten aspekt wyścigu zbrojeń został wygrany przez Mocarstwa Alianckie, ponieważ Niemcy nigdy nie zdołały stworzyć własnej broni atomowej.
Wnikliwy pacyfista Einstein później bardzo żałuje swojego zaangażowania w rozwój broni nuklearnej. Jak powiedział do swojego przyjaciela Linusa Paulinga w 1954 r. (Rok przed śmiercią): „Popełniłem jeden wielki błąd w moim życiu - podpisując list do prezydenta Roosevelta, zalecając wykonanie bomb atomowych; ale było pewne uzasadnienie - niebezpieczeństwo, że Niemcy je stworzą ”.
Teoria względności:
Chociaż Einstein dokonał wielu znaczących osiągnięć na przestrzeni lat i jest powszechnie znany ze swojego wkładu w powstanie Projektu Manhattan, jego najbardziej znaną teorią jest ta, która jest reprezentowana przez proste równanie E = mc² (gdzie mi jest energią m jest masą i do to prędkość światła). Teoria ta obaliłaby wieki naukowego myślenia i ortodoksji.
Ale oczywiście Einstein nie rozwinął tej teorii w próżni, a droga, która doprowadziła go do wniosku, że czas i przestrzeń były względne w stosunku do obserwatora, była długa i kręta. Ostateczna hipoteza względności Einsteina była w dużej mierze próbą pogodzenia praw mechaniki Newtona z prawami elektromagnetyzmu (które charakteryzują równania Maxwella i prawo siły Lorentza).
Od pewnego czasu naukowcy zmagają się z niespójnościami między tymi dwoma polami, które znalazły również odzwierciedlenie w fizyce newtonowskiej. Podczas gdy Izaak Newton poparł ideę absolutnej przestrzeni i czasu, przestrzegał także zasady względności Galileusza - która stwierdza, że: „Dowolni dwaj obserwatorzy poruszający się względem siebie ze stałą prędkością i kierunkiem uzyskają takie same wyniki dla wszystkich eksperymentów mechanicznych”.
W 1905 roku, kiedy Einstein opublikował swój przełomowy artykuł „O elektrodynamice ruchomych ciał„Robocza zgoda naukowców utrzymywała, że światło przemieszczające się przez poruszające się medium będzie ciągnięte przez medium. To z kolei oznaczało, że zmierzona prędkość światła byłaby prostą sumą jego prędkości przez średni plus prędkość z to medium.
Teoria ta głosiła również, że przestrzeń wypełniona jest „świecącym eterem”, hipotetycznym medium, które uważano za niezbędne do rozprzestrzeniania się światła we wszechświecie. Zgodnie z tym eter ten zostałby przeciągnięty lub przeniesiony wewnątrz poruszającej się materii. Jednak ten konsensus spowodował wiele problemów teoretycznych, które do czasu Einsteina pozostały nierozwiązane.
Po pierwsze, naukowcom nie udało się znaleźć absolutnego stanu ruchu, co wskazywało, że zasada względności ruchu (tj. Tylko to) krewny ruch jest obserwowalny i nie ma absolutnego standardu odpoczynku) był ważny. Po drugie, istniał również ciągły problem związany z „aberracją gwiezdną”, zjawiskiem, w którym pozorny ruch ciał niebieskich wokół ich lokalizacji był zależny od prędkości obserwatora.
Ponadto testy prędkości światła w wodzie (eksperyment Fizeau) wykazały, że światło przemieszczające się przez poruszające się medium będzie ciągnięte przez medium, ale nie tak bardzo, jak się spodziewano. Potwierdziło to inne eksperymenty - takie jak hipoteza Fresnela o częściowym przeciąganiu eteru i eksperymenty Sir George'a Stokesa - które sugerowały, że eter jest częściowo lub całkowicie przenoszony przez materię.
Teoria szczególnej teorii względności Einsteina była przełomowa, ponieważ argumentował, że prędkość światła jest taka sama we wszystkich bezwładnych ramach odniesienia, i wprowadził ideę, że główne zmiany zachodzą, gdy rzeczy zbliżają się do prędkości światła. Obejmują one ramkę czasoprzestrzenną poruszającego się ciała, która wydaje się zwalniać i kurczyć w kierunku ruchu, mierzona w ramce obserwatora.
Znane jako Teoria Szczególnej Względności Einsteina, jego obserwacje pogodziły równania Maxwella dla elektryczności i magnetyzmu z prawami mechaniki, uprościły obliczenia matematyczne, eliminując obce wyjaśnienia używane przez innych naukowców, i sprawiły, że istnienie eteru stało się całkowicie zbyteczne. Zgodny był również z bezpośrednio obserwowaną prędkością światła i uwzględniał obserwowane aberracje.
Oczywiście teoria Einsteina spotkała się z mieszanymi reakcjami środowiska naukowego i pozostanie kontrowersyjna przez wiele lat. Swoim jedynym równaniem E = mc², Einstein znacznie uprościł obliczenia niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób rozprzestrzenia się światło. Zasugerował również, że przestrzeń i czas (a także materia i energia) były jedynie różnymi wyrazami tego samego.
W latach 1907–1911, wciąż pracując w urzędzie patentowym, Einstein zaczął rozważać, w jaki sposób można zastosować specjalną teorię względności do pól grawitacyjnych - tak zwaną teorię ogólnej teorii względności. Zaczęło się od artykułu zatytułowanego „O zasadzie względności i wyciągniętych z niej wnioskach„, Opublikowany w 1907 r., W którym omówił, w jaki sposób zasada szczególnej teorii względności może odnosić się również do przyspieszenia.
Krótko mówiąc, argumentował, że swobodny upadek jest naprawdę ruchem bezwładności; a dla obserwatora muszą obowiązywać zasady szczególnej teorii względności. Ten argument jest również znany jako Zasada Równoważności, która stwierdza, że masa grawitacyjna jest identyczna z masą bezwładności. W tym samym artykule Einstein przewidział także zjawisko dylatacji czasu grawitacyjnego - gdy dwóch obserwatorów usytuowanych w różnych odległościach od grawitacyjnej masy dostrzega różnicę w ilości czasu między dwoma zdarzeniami.
W 1911 r. Einstein opublikował „O wpływie grawitacji na propagację światła„, Który rozwinął się w artykule z 1907 r. W tym artykule przewidział, że pudełko zawierające zegar, który przyspiesza w górę, będzie doświadczać czasu szybciej niż ten, który stoi nieruchomo w niezmiennym polu grawitacyjnym. Dochodzi do wniosku, że prędkości zegarów zależą od ich położenia w polu grawitacyjnym i że różnica w szybkości jest proporcjonalna do potencjału grawitacyjnego do pierwszego przybliżenia.
W tym samym artykule przewidział, że ugięcie światła będzie zależeć od masy zaangażowanego ciała. Okazało się to szczególnie wpływowe, ponieważ po raz pierwszy zaproponował propozycję do przetestowania. W 1919 roku niemiecki astronom Erwin Finlay-Freundlich wezwał naukowców z całego świata do przetestowania tej teorii poprzez pomiar ugięcia światła podczas zaćmienia Słońca w maju 1929 roku.
Prognozy Einsteina zostały potwierdzone przez Sir Arthura Eddingtona, którego obserwacje ogłoszono wkrótce potem. 7 listopada 1919 r Czasy opublikował wyniki pod nagłówkiem: „Rewolucja w nauce - Nowa teoria wszechświata - Obalenie pomysłów Newtona”. Od tego czasu ogólna teoria względności stała się niezbędnym narzędziem współczesnej astrofizyki. Stanowi podstawę aktualnego zrozumienia czarnych dziur, obszarów przestrzeni, w których przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że nawet światło nie może uciec.
Współczesna teoria kwantowa:
Einstein pomógł także rozwinąć teorię mechaniki kwantowej. W latach 1910 nauka rozszerzała się na wiele różnych systemów. Einstein przyczynił się do tych osiągnięć poprzez rozwinięcie teorii kwantów na światło i wykorzystał ją do uwzględnienia różnych efektów termodynamicznych, które były sprzeczne z mechaniką klasyczną.
W artykule z 1905 r. „W heurystycznym punkcie widzenia dotyczącym produkcji i transformacji światła„Postulował, że samo światło składa się z zlokalizowanych cząstek (tj. Kwantów). Teoria ta zostałaby odrzucona przez jego współczesnych - w tym Neilsa Bohra i Maxa Plancka - ale zostałaby udowodniona w 1919 roku za pomocą eksperymentów mierzących efekt fotoelektryczny.
Rozwinął to dalej w swoim artykule z 1908 roku:Rozwój naszych poglądów na temat składu i istoty promieniowania„Gdzie wykazał, że kwanty energetyczne Maxa Plancka muszą mieć dobrze zdefiniowane momenty pędne i działać pod pewnymi względami jako niezależne, punktowe cząstki. foton koncepcja i zainspirowała pojęcie dualizmu falowo-cząsteczkowego (tj. światła zachowującego się zarówno jako cząstka, jak i fala) w mechanice kwantowej.
W swoim artykule z 1907 r. „Teoria promieniowania Plancka i teoria ciepła właściwego„Einstein zaproponował model materii, w którym każdy atom w strukturze sieci jest niezależnym oscylatorem harmonicznym - istniejącym w równo rozmieszczonych, skwantowanych stanach. Zaproponował tę teorię, ponieważ była to szczególnie wyraźna demonstracja, że mechanika kwantowa może rozwiązać specyficzny problem cieplny w mechanice klasycznej.
W 1917 roku Einstein opublikował artykuł zatytułowany „Na kwantowej teorii promieniowania”, Która zaproponowała możliwość stymulacji emisji, fizyczny proces umożliwiający wzmocnienie mikrofal i laser. Artykuł ten miał ogromny wpływ na późniejszy rozwój mechaniki kwantowej, ponieważ był to pierwszy artykuł wykazujący, że statystyki przejść atomowych mają proste prawa.
Ta praca zainspiruje artykuł Erwina Schrödingera z 1926 roku:Kwantyzacja jako problem wartości własnych„. W tym artykule opublikował swoje słynne równanie Schrödingera, w którym opisuje, w jaki sposób stan kwantowy układu kwantowego zmienia się w czasie. Artykuł ten został powszechnie uznany za jedno z najważniejszych osiągnięć XX wieku i stworzył rewolucję w większości dziedzin mechaniki kwantowej, a także we wszystkich aspektach fizyki i chemii.
Co ciekawe, z czasem Einstein był niezadowolony z teorii mechaniki kwantowej, którą pomógł stworzyć, czując, że budzi ona w naukach poczucie chaosu i przypadkowości. W odpowiedzi wypowiedział słynny cytat: „Bóg nie gra w kości” i wrócił do badań nad zjawiskami kwantowymi.
Doprowadziło go to do zaproponowania paradoksu Einsteina-Podolskiego-Rosen (paradoks EPR) nazwanego na cześć Einstiena i jego współpracowników - Borysa Podoliskiego i Nathana Rosena. W artykule z 1935 r. Zatytułowanym „Czy kwantowo-mechaniczny opis rzeczywistości fizycznej można uznać za kompletny?” Twierdzili, że wykazali, że splątanie kwantowe narusza lokalne realistyczne postrzeganie przyczynowości - Einstein nazywa to „upiornym działaniem na odległość”.
W ten sposób twierdzili, że funkcja falowa mechaniki kwantowej nie dostarczyła pełnego opisu rzeczywistości fizycznej, ważnego paradoksu, który miałby ważne implikacje dla interpretacji mechaniki kwantowej. Choć paradoks EPR okazałby się niepoprawny po śmierci Einsteina, pomógł on stworzyć pole, które pomógł stworzyć, ale później próbował obalić do końca swoich dni.
Kosmologiczna stała i czarne dziury:
W 1917 r. Einstein zastosował ogólną teorię względności, aby modelować strukturę wszechświata jako całości. Chociaż wolał ideę wszechświata, który byłby wieczny i niezmienny, nie było to zgodne z jego teoriami o teorii względności, które przewidywały, że wszechświat jest w stanie rozszerzania się lub kurczenia.
Aby rozwiązać ten problem, Einstein wprowadził do teorii nową koncepcję, znaną jako Stała Kosmologiczna (reprezentowana przez Lambdę). Miało to na celu naprawienie skutków grawitacji i pozostawienie całego układu w wiecznej, statycznej sferze. Jednak w 1929 roku Edwin Hubble potwierdził, że wszechświat się rozszerza. Po wizycie w Obserwatorium Mount Wilson z Hubble'em Einstein formalnie odrzucił stałą kosmologiczną.
Jednak koncepcja została ponownie sprawdzona pod koniec 2013 r., Kiedy wcześniej nie odkryto rękopisu Einsteina (zatytułowanego „O problemie kosmologicznym") został odkryty. W tym manuskrypcie Einstein zaproponował rewizję modelu, w którym stała była odpowiedzialna za tworzenie nowej materii wraz z rozszerzaniem się wszechświata - zapewniając w ten sposób, że średnia gęstość wszechświata nigdy się nie zmienia.
Jest to zgodne z przestarzałym obecnie modelem kosmologii stanu ustalonego (zaproponowanym później w 1949 r.) I współczesnym rozumieniem ciemnej energii. W gruncie rzeczy to, co Einstein opisał w wielu swoich biografiach jako „największy błąd”, ostatecznie zostanie ponownie ocenione i uznane za część większej tajemnicy wszechświata - istnienie niewidzialnej masy i energii, która utrzymuje równowagę kosmologiczną.
W 1915 roku, kilka miesięcy po opublikowaniu przez Einsteina teorii ogólnej teorii względności, niemiecki fizyk i astronom Karl Schwarzschild znalazł rozwiązanie równań pola Einsteina opisujących pole grawitacyjne punktu i masy kulistej. To rozwiązanie, zwane teraz promieniem Schwarzschilda, opisuje punkt, w którym masa kuli jest tak ściśnięta, że prędkość ucieczki z powierzchni równa się prędkości światła.
Z czasem inni fizycy doszli do tych samych wniosków niezależnie. W 1924 roku angielski astrofizyk Arthur Eddington skomentował, w jaki sposób teoria Einsteina pozwala nam wykluczyć zbyt duże zagęszczenie widocznych gwiazd, twierdząc, że „wytworzyłyby one tak dużą krzywiznę metryki czasoprzestrzennej, że przestrzeń zamknąłaby się wokół gwiazdy, pozostawiając nas na zewnątrz (tj. nigdzie). ”
W 1931 r. Indyjsko-amerykański astrofizyk Subrahmanyan Chandrasekhar obliczył, korzystając ze specjalnej teorii względności, że nieobrotowe ciało zdegenerowanej elektronowo materii powyżej pewnej ograniczającej masy zapadnie się samoistnie. W 1939 r. Robert Oppenheimer i inni zgodzili się z analizą Chandrasekhara, twierdząc, że gwiazdy neutronowe powyżej określonego limitu zapadną się w czarne dziury i doszli do wniosku, że żadne prawo fizyki prawdopodobnie nie zainterweniuje i powstrzyma przynajmniej niektóre gwiazdy przed zapadnięciem się w czarne dziury.
Oppenheimer i jego współautorzy zinterpretowali osobliwość na granicy promienia Schwarzschilda jako wskazującą, że była to granica bańki, w której czas się zatrzymał. Zewnętrznemu obserwatorowi zobaczyliby, że powierzchnia gwiazdy zamarzła w czasie w momencie zapadnięcia się, ale nieomylny obserwator miałby zupełnie inne doświadczenie.
Inne osiągnięcia:
Oprócz zrewolucjonizowania naszego rozumienia czasu, przestrzeni, ruchu i grawitacji dzięki jego teoriom szczególnej i ogólnej teorii względności, Einstein wniósł także wiele innych wkładów w dziedzinie fizyki. W rzeczywistości Einstein opublikował setki książek i artykułów w swoim życiu, a także ponad 300 prac naukowych i 150 nienaukowych.
5 grudnia 2014 r. Uniwersytety i archiwa na całym świecie oficjalnie wydały zebrane artykuły Einsteina, które zawierały ponad 30 000 unikalnych dokumentów. Na przykład dwa artykuły opublikowane w 1902 i 1903 r. - „Kinetyczna teoria równowagi termicznej i drugiej zasady termodynamiki" i "Teoria podstaw termodynamiki”- zajmował się termodynamiką i ruchem Browna.
Z definicji ruch Browna stwierdza, że tam, gdzie niewielka ilość cząstek oscyluje bez preferowanego kierunku, ostatecznie rozprzestrzeniają się, wypełniając całe medium. Zajmując się tym ze statystycznego punktu widzenia, Einstein uważał, że energia kinetyczna oscylujących cząstek w ośrodku może być przekazywana większym cząsteczkom, co z kolei można obserwować pod mikroskopem - dowodząc w ten sposób istnienia atomów o różnych rozmiarach.
Dokumenty te były podstawą artykułu z 1905 r. O ruchu Browna, który pokazał, że można go interpretować jako mocny dowód na istnienie cząsteczek. Analiza ta zostanie później zweryfikowana przez francuskiego fizyka Jean-Baptiste Perrina, a Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1926 roku. Jego praca ustanowiła fizyczną teorię ruchu Browna i zakończyła sceptycyzm co do istnienia atomów i cząsteczek jako rzeczywistych bytów fizycznych .
Po badaniach nad ogólną teorią względności Einstein podjął szereg prób uogólnienia swojej geometrycznej teorii grawitacji, aby uwzględnić elektromagnetyzm jako kolejny aspekt pojedynczego bytu. W 1950 r. Opisał swoją „jednolitą teorię pola” w artykule zatytułowanym „O uogólnionej teorii grawitacji„, Który opisuje jego próbę rozwiązania wszystkich podstawowych sił wszechświata w jedną strukturę.
Chociaż nadal był chwalony za swoją pracę, Einstein był coraz bardziej odizolowany w swoich badaniach, a jego wysiłki ostatecznie zakończyły się niepowodzeniem. Niemniej jednak marzenie Einsteina o zjednoczeniu innych praw fizyki z grawitacją trwa do dziś, dostarczając informacji o wysiłkach zmierzających do opracowania teorii wszystkiego (ToE) - w szczególności teorii strun, w której pola geometryczne pojawiają się w ujednoliconym układzie kwantowo-mechanicznym.
Jego praca z Podolskim i Rosenem w nadziei, że obali koncepcję splątania kwantowego, skłoniła także Einsteina i jego kolegów do zaproponowania modelu tunelu czasoprzestrzennego. Wykorzystując teorię Schwarzschilda do czarnych dziur i próbując modelować cząstki elementarne z ładunkiem jako rozwiązanie równań pola grawitacyjnego, opisał most między dwiema plamami przestrzeni.
Gdyby jeden koniec tunelu czasoprzestrzennego był naładowany dodatnio, drugi koniec byłby naładowany ujemnie. Te właściwości doprowadziły Einsteina do przekonania, że pary cząstek i antycząstek mogą zostać splątane bez naruszania praw względności. W ostatnich latach koncepcja ta wymagała sporo pracy, ponieważ naukowcy z powodzeniem stworzyli magnetyczny tunel czasoprzestrzenny w laboratorium.
W 1926 r. Einstein i jego były uczeń Leó Szilárd współtworzyli lodówkę Einstein, urządzenie bez ruchomych części i polegające wyłącznie na absorpcji ciepła w celu schłodzenia jego zawartości. W listopadzie 1930 r. Otrzymali patent na swój projekt. Jednak ich wysiłki zostały wkrótce podważone przez epokę depresji, wynalazek Freona i szwedzką firmę Electrolux, która zdobyła swoje patenty.
Próby wskrzeszenia technologii rozpoczęły się w latach 90. i 2000., gdy zespoły studenckie z Georgia Tech i Oxford University próbowały zbudować własną wersję lodówki Einstein. Ze względu na udowodnione powiązanie Freona zubożaniem warstwy ozonowej i dążeniem do zmniejszenia naszego wpływu na środowisko poprzez zużywanie mniejszej ilości energii elektrycznej, projekt ten jest uważany za ekologiczną alternatywę i przydatne urządzenie dla rozwijającego się świata.
Śmierć i dziedzictwo:
17 kwietnia 1955 r. Albert Einstein doznał krwawienia wewnętrznego spowodowanego pęknięciem tętniaka aorty brzusznej, którego szukał operacji przez siedem lat wcześniej. Wziął szkic przemówienia, które przygotowywał na występ telewizyjny, upamiętniający siódmą rocznicę powstania państwa Izrael w szpitalu, ale nie przeżył wystarczająco długo, aby go ukończyć.
Einstein odmówił operacji, mówiąc: „Chcę iść, kiedy chcę. Sztuczne przedłużanie życia jest bez smaku. Zrobiłem część, czas już iść. Zrobię to elegancko. ” Zmarł w szpitalu Princeton wczesnym rankiem w wieku 76 lat, kontynuując pracę do końca.
Podczas sekcji zwłok patolog szpitala Princeton (Thomas Stoltz Harvey) usunął mózg Einsteina w celu zachowania, choć bez zgody jego rodziny. Według Harveya zrobił to w nadziei, że przyszłe pokolenia neuronaukowców będą w stanie odkryć przyczynę geniuszu Einsteina. Szczątki Einsteina zostały poddane kremacji, a jego prochy zostały rozrzucone w nieujawnionym miejscu.
Za całe swoje osiągnięcia Einstein otrzymał niezliczone odznaczenia, zarówno za życia, jak i pośmiertnie. In 1921, he was awarded the Nobel Prize in Physics for his explanation of the photoelectric effect, as his theory of relativity was still considered somewhat controversial. In 1925, the Royal Society awarded him the Copley Medal, the oldest Royal Society medal still awarded.
In 1929, Max Planck presented Einstein with the Max Planck medal of the German Physical Society in Berlin, for extraordinary achievements in theoretical physics. In 1934 Einstein gave the Josiah Willard Gibbs lecture, an prestigious annual event where the American Mathematical Society awards a prize for achievements in the field of mathematics. In 1936, Einstein was awarded the Franklin Institute‘s Franklin Medal for his extensive work on relativity and the photoelectric effect.
In 1949, in honor of Einstein’s 70th birthday, the the Lewis and Rosa Strauss Memorial Fund established the Albert Einstein Award. Also known as the Albert Einstein Medal (because it is accompanied with a gold medal) this award was established to recognize high achievement in theoretical physics and the natural sciences.
Since his death, Einstein has been honored by having countless schools, buildings, and memorials named after him. The Luitpold Gymnasium, where he received his early education, was renamed the Albert Einstein Gymnasium in his honor. In August of 1955, four months after Einstein’s death, the 99th chemical element on the Periodic Table was named “einsteinium”.
Also in 1955, the Albert Einstein College of Medicine, a research-intensive not-for-profit, private, and nonsectarian medical school was founded in the Morris Park neighborhood of the Bronx in New York City. Between 1965 and 1978, the US Postal Service issued a series of commemorative stamps known as the Prominent American Series. Einstein was honored with a 8¢ stamp in 1966, the second year of the series.
Similar stamps were issued by the state of Israel in 1956 (a year after his death) and the Soviet Union in 1973. In 1973, an inner main belt asteroid was discovered, which was named 2001 Einstein in his honor. In 1977, the Albert Einstein Society was founded in Bern, Switzerland. Since 1979, they began issuing the Albert Einstein Medal, an annual award presented to people who have “rendered outstanding services” in connection with Einstein.
In 1979, the National Academy of Sciences commissioned the Albert Einstein Memorial on Constitution Avenue in central Washington, D.C. The bronze statue depicts Einstein seated with manuscript papers in hand. In 1990, his name was added to the Walhalla temple for “laudable and distinguished Germans”, which is located in Donaustauf in Bavaria.
In Potsdam, Germany, the Albert Einstein Science Park was constructed on Telegrafenberg hill. The best known building in the park is the Einstein Tower, an astrophysical observatory that was built to perform checks of Einstein’s theory of General Relativity, which has a bust of Einstein at the entrance.
In 1999 Time magazine named him the Person of the Century, ahead of Mahatma Gandhi and Franklin Roosevelt, among others. In the words of a biographer, “to the scientifically literate and the public at large, Einstein is synonymous with genius”. Also in 1999, an opinion poll of 100 leading physicists ranked Einstein the “greatest physicist ever”.
Also in 1999, a Gallup poll conducted recorded him as being the fourth most admired person of the 20th century in the U.S. – Mother Teresa, Martin Luther King, Jr. and John F. Kennedy ranked first through third.
The International Union of Pure and Applied Physics named 2005 the “World Year of Physics” in commemoration of the 100th anniversary of the publication of the “annus mirabilis” papers. In 2008, Einstein was inducted into the New Jersey Hall of Fame. And every year, the Chicago-based Albert Einstein Peace Prize Foundation issues the Albert Einstein Peace Prize, an award that comes with a bursary of $50,000.
Einstein has also been the subject of or inspiration for many novels, films, plays, and works of music. He is a favorite model for fictional representations of the mad scientist and the absent-minded professor, with depictions of these archetypes closely mirroring (and exaggerating) his expressive face and distinctive hairstyle.
Einstein’s contributions to the sciences are immeasurable. When he began his career, scientists were still struggling to reconcile how Newtonian mechanics applied to an ever-widening universe. But thanks to his theories, we would come to understand that there are no absolute frames of reference, and everything depends on the speed and position of the observer.
His work with the behavior of light would also help speed the revolution being made in quantum physics, where scientists began to understand the behavior of matter at the subatomic level. In so doing, Einstein helped to create the two pillars of modern science – Relativity, for dealing with objects on the macro scale; and quantum mechanics, which deals with things on the tiniest of scales.
But Einstein’s legacy goes far beyond what he advanced in his lifetime. In attempting to reconcile his personal beliefs in a universe that made sense with his scientific findings, he introduced a concept that would later become part of our current cosmological models (Dark Matter). These and other ideas would go on to be reconsidered after his death, thus proving that he was not only the greatest mind of his time, but perhaps one of the greatest minds that ever lived.
We have written many articles about Albert Einstein for Space Magazine. Here’s an article about the speed of light, and one about Why Einstein Will Never Be Wrong, and Einstein’s Theory of Relativity. And here’s are some famous Albert Einstein quotes.
Astronomy Cast also has several episodes about Einstein’s greatest theories, like Episode 235: Einstein, Episode 9: Einstein’s Theory of Special Relativity, Episode 280: Cosmological Constant, Episode 287: E=mc², and Episode 31: tring Theory, Time Travel, White Holes, Warp Speed, Multiple Dimensions, and Before the Big Bang
For more information, check out Albert Einstein’s biographical page at Biography.com and NobelPrize.org.
