Albert Einstein

Albert Einstein urodził się 14 marca 1879r. w Ulm. Od urodzenia był wyjątkowym dzieckiem, jednak niekoniecznie zawsze w dobrym tego słowa znaczeniu. Kiedy po raz pierwszy zobaczyła go babcia podobno miała krzyknąć, że ma za dużą głowę. W szkole odznaczał się szczególnym talentem do nauk ścisłych, zwłaszcza matematyki i fizyki. Okres młodości nie był dla niego łatwy, głównie ze względu na problemy rodzinne powodowane kłopotami finansowymi. Kiedy firma Einsteinów zaczęła podupadać, w 1894r. przeniosła się do Mediolanu. Alberta zostawiono jednak w Monachium, żeby dokończył edukację. To znacząco wpłynęło na psychikę młodego człowieka. Po upływie pół roku od wyjazdu rodziców, Einstein wypisał się ze szkoły i dołączył do rodziny w Mediolanie. Próbował w tym czasie sam przygotować się do podjęcia nauki na uniwersytecie. W 1895r. udał się do Zurychu i chociaż nie miał jeszcze wymaganego wieku, podszedł do egzaminów wstępnych na tamtejszą politechnikę. Nie zaliczył ich jednak ze względu na zbyt niskie wyniki z przedmiotów humanistycznych. Za radą dyrektora uczelni pozostał w Szwajcarii, skończył szkołę średnią i zdał maturę, po czym ponownie przystąpił do egzaminów wstępnych, które tym razem zdał pomyślnie. W tym samym czasie na uczelnie została przyjęta Mileva Maric, przyszła żona Alberta.

Przełomowym dla Alberta Einsteina stał się rok 1905, w którym niedawny absolwent fizyki i urzędnik szwajcarskiego biura patentowego opublikował szereg artykułów, a wśród nich przynoszący mu sławę o szczególnej teorii względności, która dalej umożliwiła pracę nad ogólna teorią względności czy inny artykuł, w którym podejmował badania w zakresie termodynamiki i fizyki statystycznej, a będący początkiem do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego, za który Einstein dopiero w 1922r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, chociaż był już wcześniej wielokrotnie nominowany.

W późniejszych latach kariera naukowa Einsteina nabierała rozpędu. W lutym 1909r. przyjął stanowisko privatdozenta na Uniwersytecie w Bernie, aby już w marcu zostać profesorem nadzwyczajnym fizyki teoretycznej w Zurychu. W 1911r. Einstein został profesorem zwyczajnym na Uniwersytecie Niemieckim w Pradze, po drodze otrzymując jeszcze honorowe tytuły od Uniwersytetu Genewskiego czy publikując aż jedenaście artykułów naukowych, po czym powrócił do Zurychu. Otrzymywał wiele ofert pracy od różnych europejskich uniwersytetów, aż w 1913r. przyjął propozycję od Maxa Planca, aby zostać członkiem Pruskiej Akademii Nauk oraz objąć stanowisko profesora Uniwersytetu Berlińskiego, a także dyrektora powstającego Instytutu Fizyki Cesarza Wilhelma. W 1915r. Einstein ukończył swoją najwybitniejszą pracę – ogólną teorię względności.

Tak intensywna kariera odbiła się na życiu prywatnym wybitnego fizyka. Problemy rodzinne zaczęły narastać już w momencie wyjazdu do Pragi, kiedy żona Einsteina – Mileva – wróciła z synami do Zurychu. Rozpad małżeństwa postępował. W 1914r. doszło do separacji, a w 1919r. orzeczono rozwód. Einstein ożenił się jednak drugi raz – w lipcu 1919r. (a więc niedługo po rozwodzie) ze swoją kuzynką Elsą. Rozpoczął okres podróży, w czasie którego angażował się wielokrotnie w działania na różnych uniwersytetach, za co otrzymał tytuł doktora honoris causa między innymi na uczelni w Princeton czy Liverpoolu.

W 1933r., kiedy Hitler doszedł do władzy, z powodu grożącego mu niebezpieczeństwa, Einstein ostatecznie wyjechał z Niemiec i zamieszkał w Ameryce. W sierpniu 1939r. napisał list do prezydenta Stanów Zjednoczonych, w którym wyraził swoją obawę o możliwość zbudowania bomby atomowej przez III Rzeszę. Sam nie brał nigdy bezpośredniego udziału w późniejszym projekcie Manhattan.

Einstein zmarł 18 kwietnia 1955r. w Princeton, a jego ostatnich słów nigdy się nie dowiemy, bo te które prawdopodobnie wypowiedział mogła słyszeć jedynie pielęgniarka, która jednak nie znała niemieckiego.
W życiu Einsteina ciekawy jest jego stosunek do narodowości oraz religii. W młodości zrzekł się obywatelstwa niemieckiego, przyjął za to obywatelstwo szwajcarskie, a w 1940r. dodatkowo zostałem obywatelem Stanów Zjednoczonych. Choć z pochodzenia był niemieckim Żydem, wolał określać się jako niemieckojęzycznego bezpaństwowca i deklarował, że jest ateistą. Trudno jest jednak orzec czy był nim do końca, i w którym okresie życia, gdyż nigdy ostatecznie nie zerwał z przynależnością do judaizmu. Co więcej u schyłku życia sporządził testament, w którym materialną część dorobku naukowego (w tym wszystkie swoje rękopisy) przekazał Uniwersytetowi Hebrajskiemu.

Einstein pozostawił po sobie nie tylko dorobek naukowy, ale również wiele złotych myśli i cytatów, które są znane i powtarzane do dzisiaj. Należą do nich:
– „Jestem przekonany, że Bóg nie gra w kości”, co powiedział w odniesieniu do mechaniki kwantowej i nieprzewidywalności wyniku eksperymentu.
– „Istnieją dwie rzeczy, które są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota, choć nie jestem pewien co do tej pierwszej”.
– „Jeżeli zabałaganione biurko jest oznaką zabałaganionego umysłu, oznaką czego jest puste biurko?”.
– „Znane są tysiące sposobów zabijania czasu, ale nikt nie wie, jak go wskrzesić”.
– „Wyobraźnia jest ważniejsza od wiedzy. Wiedza jest ograniczona, a wyobraźnia otacza cały świat”.

Najważniejszy dorobek naukowy Alberta Einsteina:
Szczególna teoria względności (STW)
Szczególna teoria względności opiera się na dwóch głównych postulatach: 1) We wszystkich układach inercjalnych prawa fizyki są jednakowe 2) Dla wszystkich obserwatorów inercjalnych prędkość światła w próżni jest stała i równa .
Układ inercjalny to taki układ na który nie działają żadne siły lub działające siły się równoważą, a więc który spoczywa lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, bądź mówiąc jeszcze inaczej, który zachowuje się zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona.
Aby zrozumieć STW należałoby rozpocząć od transformacji Galileusza, której używamy na co dzień, gdyż w przybliżeniu odpowiada ona obserwowanym przez nas zjawiskom i wystarcza do ich prostego opisu. Zgodnie z nią, aby w najprostszy sposób opisać dane zdarzenie trzeba zapisać czas jego zajścia oraz miejsce, a więc współrzędne czasu i przestrzeni. W celu jeszcze łatwiejszego opisu wystarczy skupić się na jednaj współrzędnej przestrzennej, gdyż pozostałe są analogiczne. Tak więc transformacja Galileusza zakłada, że jeśli chcemy porównać wyniki pomiaru między dwoma obserwatorami znajdującymi się w różnych układach odniesienia, to wynik będzie transformowalny w następujący sposób:


Jest to dość logiczne, ponieważ czas płynie tak samo dla różnych obserwatorów, a położenie zmienia się zgodnie z poruszaniem się jednego obserwatora względem drugiego, zatem jeśli obserwator drugi przemieszcza się z prędkością względem obserwatora pierwszego, to w czasie pokona drogę równą , a więc i mierzone zdarzenie będzie się w jego układzie odniesienia o tą wartość różnić. Z transformacji Galileusza wynika jednak, że:

Zatem . Prędkość światła w próżni nie jest stała, a to zostało zakwestionowane doświadczanie, chociażby w słynnym doświadczeniu Michelsona-Morleya. Dlatego też wprowadzona została poprawka dla prędkości relatywistycznych i poprawnie rzeczywistość opisuje transformacja Lorentza:


Gdzie
Wynikają z niej takie efekty jak skrócenie Lorentza czy dylatacja czasu. Szczególna teoria względności przewiduje również chyba najsłynniejszy na świecie wzór , wiążący masę z energią.
Ogólna teoria względności (OTW)
Najwybitniejsze dzieło Einsteina, opublikowane w marcu 1916r., nad którym pracował w latach 1907-1915. OTW uogólnia to co zawarte w STW, ponieważ zawiera w sobie opis wszechobecnej we wszechświecie grawitacji, która nie jest uwzględniania w modelach układów inercjalnych zawartych w STW. Einstein zawarł w niej skomplikowane równanie, które opisuje zachowanie czasoprzestrzeni. W skrócie można je przedstawić w postaci , gdzie to tensor Einsteina, na który składają się tensor Ricciego, tensor metryczny, skalar krzywizny Ricciego oraz stała kosmologiczna; to pewna stała; to tensor rozkładu materii. Ze wzoru najogólniej wynika zatem, że zakrzywienie czasoprzestrzeni jest zależne od rozkładu materii i jak to pięknie podsumował kiedyś Wheeler „materia mówi czasoprzestrzeni jak się ma zakrzywić a czasoprzestrzeń mówi materii jak się ma poruszać”. Co ciekawe równanie Einsteina nie zawsze wyglądało tak samo. Zmieniała się w nim lambda (stała kosmologiczna). Pierwotnie w równaniu jej nie było, jednak wtedy z wyliczeń Einsteina wynikało, że wszechświat nie mógłby być statyczny, co stało wbrew ówczesnemu stanowi wiedzy i zamysłowi Einsteina, który chciał, żeby wszechświat takim pozostawał. Została zatem wprowadzona. Po ponownych wyliczeniach, jednak to ze stałą kosmologiczną wszechświat nie był statycznym według równania, a ulegał ekspansji i Einstein chciał ją na powrót z równania usunąć, jednak zbiegło się to w czasie z odkryciem ekspansji wszechświata przez Edwina Hubble’a. Lambda w równaniu więc pozostała.
Ogólna teoria względności został potwierdzona wieloma obserwacjami i doświadczeniami. Pierwszymi było wyjaśnienie anomalii w ruchu peryhelium Merkurego oraz przeprowadzona w 1919r. obserwacja zaćmienia Słońca, podczas której Arthur Eddington zaobserwował zmianę toru ruchu światła odległych gwiazd w pobliżu Słońca (tzw. soczewkowanie grawitacyjne). Potwierdzeniem słuszności OTW jest również dokonana rejestracja fal grawitacyjnych, co stało się możliwe dzięki pracy obserwatoriów LIGO oraz VIRGO.
Efekt fotoelektryczny
Efekt fotoelektryczny polega na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu w wyniku naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym o częstotliwości odpowiedniej dla danego materiału. Einstein zaproponował, aby uznać, że światło przenosi energię w postaci pewnych porcji – kwantów. Wtedy, aby wybić elektron z powierzchni dajmy na to metalowej płytki, potrzebny jest kwant o odpowiedniej energii, co z kolei zależy od częstotliwość promieniowania, a nie jego natężenia. To tak samo jak przy próbie wgniecenia muru. Nawet setki plastikowych piłeczek mogą jej nie uszkodzić, co jednak uda się jednej, ale metalowej. Z wyjaśnienia Einsteina wynika wzór:

to energia fotonu równa iloczynowi stałej Planca i częstotliwości fali, to praca wyjścia, charakterystyczna dla danego materiału, a to energia kinetyczna jaką maksymalnie może mieć wyemitowany elektron.

Prace Einsteina nie były jednak zawsze docenianie. Znalazło się nawet tak duże grono przeciwników, że ukazała się drukiem publikacja „Stu autorów przeciwko Einsteinowi”. Naukowiec miał jednak do tego tak duży dystans, że podobno miał odpowiedzieć: „Jakby moja teoria była zła, wystarczyłby tylko jeden”. Sam również nie pozostawał bezkrytyczny. W 1935r. ukazał się paradoks EPR (od pierwszych liter nazwisk autorów – Einstein – Podolski – Rosen), który miał obalić kopenhaską interpretację mechaniki kwantowej. W uproszczeniu zaproponowano następujący eksperyment myślowy: bierzemy parę cząstek w stanie splątanym, po czym pozwalamy oddalić im się od siebie na pewną odległość i mierzymy spin jednaj z nich. Ponieważ stan cząstek był splątany kwantowo, natychmiastowo znamy spin drugiej cząstki, a to pozornie przeczy szczególnej teorii względności, gdyż informacja nie może być przekazywana z prędkością większą niż prędkość światła w próżni.

Geniusz Einsteina objawia się w tym, jak na wielu polach fizyki teoretycznej potrafił pracować. Z jednej strony zajmował się makroskalą świata – ogólna teoria względności – z drugiej skalą mikro – mechanika kwantowa – i na obu tych polach osiągał sukcesy. Oprócz wyżej wymienionych teorii i wyjaśnionych przez Einsteina zjawisk czy zaproponowanych paradoksów należałoby nadmienić jego wkład w badanie molekuł (jedna z jego pierwszych prac, w której wyjaśnił przyczynę ruchów Browna), statystykę oraz kondensację Bosego-Einsteina czy jedną z pierwszych hipotez tunelów czasoprzestrzennych (most Einsteina-Rosena). Widać zatem jak bardzo utalentowanym był człowiekiem.