Albert Einstein: život, teorie relativity a Nobelova cena (1879–1955)

Raný život

Einstein se narodil 14. března 1879 v Ulmu ve Württembersku. Jeho rodina byla židovská, ale nebyla příliš věřící. V pozdějším věku se však Einstein o židovství velmi zajímal. Einstein začal mluvit až ve dvou letech. Podle jeho mladší sestry Maji "měl s řečí takové potíže, že se jeho okolí obávalo, že se ji nikdy nenaučí". Když byly Einsteinovi asi 4 roky, dal mu otec magnetický kompas. Usilovně se snažil pochopit, jak se může ručička zdánlivě sama pohybovat, aby vždy ukazovala na sever. Jehla byla v uzavřeném pouzdře, takže je zřejmé, že nic jako vítr nemohlo jehlu posouvat, a přesto se pohybovala. Takto se Einstein začal zajímat o studium přírodních věd a matematiky. Jeho kompas mu vnukl myšlenku na zkoumání světa vědy.

Když byl starší, odešel do školy ve Švýcarsku. Po jejím absolvování získal práci na patentovém úřadě. Během svého působení tam napsal práce, které ho poprvé proslavily jako významného vědce.

V lednu 1903 se Einstein oženil s dvacetiletou Srbkou Milevou Marićovou.

V roce 1917 Einstein těžce onemocněl a málem zemřel. Jeho sestřenice Elsa Löwenthalová ho ošetřila. Poté, co se tak stalo, se Einstein 14. února 1919 s Milevou rozvedl a 2. června 1919 se s Elsou oženil.

Děti

Einsteinova první dcera se jmenovala Lieserl (její skutečné jméno nikdo nezná). Narodila se v Novém Sadu ve Vojvodině v Rakousku-Uhersku v prvních měsících roku 1902. Svůj velmi krátký život (předpokládá se, že necelé dva roky) strávila v péči srbských prarodičů. Předpokládá se, že zemřela na spálu. Někteří se domnívají, že se mohla narodit s poruchou zvanou Downův syndrom, i když se to nikdy neprokázalo. O její existenci neměl nikdo tušení až do roku 1986, kdy Einsteinova vnučka objevila krabici od bot obsahující 54 milostných dopisů (většina z nich byla od Einsteina), které si Mileva s Einsteinem vyměňovali od roku 1897 do září 1903.

Einsteinovi synové se jmenovali Hans Albert Einstein a Eduard Tete Einstein. Hans se narodil v květnu 1904 ve švýcarském Bernu a Eduard v červenci 1910 v Curychu. Eduard zemřel v 55 letech na mozkovou mrtvici v Psychiatrické univerzitní nemocnici v Curychu. Kvůli své schizofrenii strávil celý život v léčebnách a mimo ně.

Pozdější život

Těsně před začátkem první světové války se vrátil do Německa, kde se stal ředitelem školy. V Berlíně žil až do nástupu nacistické vlády k moci. Nacisté nenáviděli lidi, kteří byli Židé nebo pocházeli z židovských rodin. Obvinili Einsteina, že pomohl vytvořit "židovskou fyziku", a němečtí fyzikové se snažili dokázat, že jeho teorie jsou chybné.

V roce 1933 se Einstein s Elsou přestěhovali do Princetonu ve státě New Jersey ve Spojených státech, kde jim nacisté vyhrožovali smrtí a kde Einstein v roce 1940 získal americké občanství.

Během druhé světové války napsali Einstein a Leó Szilárd americkému prezidentovi Franklinu D. Rooseveltovi, že by Spojené státy měly vynalézt atomovou bombu, aby je nacistická vláda nemohla porazit. Byl to jediný člověk, který dopis podepsal. Nebyl však součástí projektu Manhattan, což byl projekt, v jehož rámci atomová bomba vznikla.

Einstein, který byl Židem, ale nebyl izraelským občanem, dostal v roce 1952 nabídku na prezidentský úřad, ale odmítl ji: "Jsem hluboce dojat nabídkou našeho státu Izrael a zároveň zarmoucen a zahanben, že ji nemohu přijmout. " Ehud Olmert údajně zvažoval, že nabídne prezidentský úřad jinému Neizraelci, Elie Wieselovi, ale ten prý "nemá velký zájem".

Až do své smrti 18. dubna 1955, kdy zemřel na prasknutí aneurysmatu aorty, vyučoval fyziku na Institutu pro pokročilá studia v Princetonu v New Jersey. Ještě několik hodin před smrtí psal o kvantové fyzice. Byla mu udělena Nobelova cena za fyziku.

Speciální teorii relativity zveřejnil Einstein v roce 1905 v článku O elektrodynamice pohybujících se těles. Říká, že měření vzdálenosti i času se v blízkosti rychlosti světla mění. To znamená, že čím více se blížíme rychlosti světla (téměř 300 000 kilometrů za sekundu), tím se délky zdají být kratší a hodiny tikají pomaleji. Einstein řekl, že speciální teorie relativity je založena na dvou myšlenkách. První je, že fyzikální zákony jsou stejné pro všechny pozorovatele, kteří se vůči sobě nepohybují.

O věcech, které se pohybují stejným směrem a stejnou rychlostí, se říká, že se nacházejí v "inerciálním rámci".

Lidé ve stejném "rámci" měří, za jak dlouho se něco stane. Jejich hodiny ukazují stejný čas. V jiném "rámci" se však jejich hodiny pohybují jinou rychlostí. Důvod, proč k tomu dochází, je následující. Bez ohledu na to, jak se pozorovatel pohybuje, pokud změří rychlost světla přicházejícího z dané hvězdy, bude to vždy stejné číslo.

Představte si, že by astronaut byl sám v jiném vesmíru. Je v něm jen astronaut a vesmírná loď. Pohybuje se? Stojí na místě? Tyto otázky nic neznamenají. Proč? Protože když říkáme, že se pohybujeme, myslíme tím, že můžeme v různých okamžicích měřit svou vzdálenost od něčeho jiného. Pokud se čísla zvětšují, vzdalujeme se. Pokud se čísla zmenšují, přibližujeme se. Abychom měli pohyb, musíme mít alespoň dvě věci. Letadlo se může pohybovat rychlostí několika set kilometrů za hodinu, ale cestující říkají: "Já tady jen sedím." To je pravda.

Předpokládejme, že jsou nějací lidé na vesmírné lodi a chtějí vyrobit přesné hodiny. Na jeden konec umístí zrcadlo a na druhý konec umístí jednoduchý stroj. Ten vyšle jeden krátký záblesk světla směrem k zrcadlu a pak čeká. Světlo dopadne na zrcadlo a odrazí se zpět. Když dopadne na detektor světla na stroji, stroj řekne: "Počet = 1", současně vystřelí další krátký paprsek světla směrem k zrcadlu, a když se světlo vrátí, stroj řekne: "Počet = 2". Rozhodnou, že určitý počet odrazů bude definován jako sekunda, a přimějí stroj, aby změnil počítadlo sekund pokaždé, když zjistí tento počet odrazů. Pokaždé, když změní počítadlo sekund, blikne také světlo průzorem pod strojem. Takže někdo zvenčí může vidět, jak světlo každou sekundu bliká.

Každé dítě na základní škole se učí vzorec d=rt (vzdálenost se rovná rychlosti vynásobené časem). Známe rychlost světla a můžeme snadno změřit vzdálenost mezi strojem a zrcadlem a vynásobit ji, abychom získali vzdálenost, kterou světlo urazí. Máme tedy d i r a můžeme snadno vypočítat t. Lidé na vesmírné lodi porovnávají své nové "světelné hodiny" s různými náramkovými hodinkami a jinými hodinami a jsou spokojeni, že pomocí svých nových světelných hodin mohou dobře měřit čas.

Tato vesmírná loď letí velmi rychle. Vidí záblesk hodin na vesmírné lodi a pak vidí další záblesk. Jenže ty záblesky nejsou od sebe vzdálené ani vteřinu. Přicházejí pomaleji. Světlo jde vždy stejnou rychlostí, d = rt. Proto hodiny na kosmické lodi nebliknou pro vnějšího pozorovatele jednou za sekundu.

Speciální teorie relativity také spojuje energii s hmotností ve vzorci E=mc2 Alberta Einsteina.

E=mc2, nazývaná také ekvivalence hmoty a energie, je jednou z věcí, které Einsteina nejvíce proslavily. Je to slavná rovnice ve fyzice a matematice, která ukazuje, co se stane, když se hmota změní na energii nebo energie na hmotu. Písmeno "E" v rovnici znamená energii. Energie je číslo, které se přiděluje objektům v závislosti na tom, jak moc mohou měnit jiné věci. Například cihla visící nad vejcem může na vejce přenést tolik energie, že se vejce rozbije. Pírko visící nad vejcem nemá dost energie na to, aby vejce poškodilo.

Existují tři základní formy energie: potenciální energie, kinetická energie a klidová energie. Dvě z těchto forem energie lze vidět na výše uvedených příkladech a na příkladu kyvadla.

Dělová koule visí na laně na železném kruhu. Kůň táhne dělovou kouli na pravou stranu. Když se dělová koule uvolní, pohybuje se dopředu a dozadu podle obrázku. Dělala by to tak věčně, až na to, že pohyb lana v kruhu a tření na jiných místech způsobuje tření a tření odebírá stále trochu energie. Pokud zanedbáme ztráty způsobené třením, pak se energie dodaná koněm odevzdá dělové kouli jako potenciální energie. (Energii má proto, že je vysoko a může spadnout dolů.) Jak se dělová koule houpe dolů, získává stále větší rychlost, takže čím blíže je ke dnu, tím rychleji letí a tím silněji by vás zasáhla, kdybyste stáli před ní. Pak se zpomalí, protože se její kinetická energie mění zpět na potenciální energii. "Kinetická energie" znamená pouze energii, kterou něco má, protože se to pohybuje. "Potenciální energie" znamená energii, kterou má něco proto, že se nachází ve vyšší poloze než něco jiného.

Při přechodu energie z jedné formy do druhé zůstává její množství vždy stejné. Nelze ji vyrobit ani zničit. Toto pravidlo se nazývá "zákon zachování energie". Například když házíte míč, energie se při uvolňování míče přenáší z vaší ruky na míč. Ale energie, která byla ve vaší ruce, a nyní energie, která je v míčku, je stejné číslo. Dlouhou dobu si lidé mysleli, že zachování energie je vše, o čem se dá mluvit.

Při přeměně energie na hmotu se množství energie nemění. Při přeměně hmoty na energii se množství energie rovněž nemění. Množství hmoty a energie však zůstává stejné. Energie se mění v hmotu a hmota se mění v energii způsobem, který je definován Einsteinovou rovnicí E = mc2.

Písmeno "m" v Einsteinově rovnici znamená hmotnost. Hmotnost je množství hmoty, které se nachází v nějakém tělese. Pokud byste znali počet protonů a neutronů v nějakém tělese, například v cihle, mohli byste vypočítat jeho celkovou hmotnost jako součet hmotností všech protonů a všech neutronů. (Elektrony jsou tak malé, že jsou téměř zanedbatelné.) Hmotnosti se navzájem přitahují a velmi velká hmotnost, jako je hmotnost Země, velmi silně přitahuje věci v okolí. Na Jupiteru byste vážili mnohem více než na Zemi, protože Jupiter je tak obrovský. Na Měsíci byste vážili mnohem méně, protože má jen asi šestinu hmotnosti Země. Hmotnost souvisí s hmotností cihly (nebo člověka) a hmotností toho, co ji na pružinové váze táhne dolů - což může být menší než nejmenší měsíc ve sluneční soustavě nebo větší než Slunce.

Hmotnost, nikoli hmotnost, lze přeměnit na energii. Jiný způsob vyjádření této myšlenky je, že hmotu lze přeměnit na energii. Jednotky hmotnosti se používají k měření množství hmoty v něčem. Hmotnost neboli množství hmoty v něčem určuje, na kolik energie by se daná věc mohla přeměnit.

Energii lze také přeměnit na hmotu. Kdybyste tlačili kočárek pomalou chůzí a zjistili, že se snadno tlačí, ale tlačili byste ho rychlou chůzí a zjistili byste, že se hůře pohybuje, pak byste se divili, co je s kočárkem špatně. Kdybyste pak zkusili běžet a zjistili, že pohybovat kočárkem jakoukoli vyšší rychlostí je jako tlačit na cihlovou zeď, byli byste velmi překvapeni. Pravda je taková, že když se něco pohybuje, pak se zvětšuje jeho hmotnost. Lidé si tohoto nárůstu hmotnosti běžně nevšimnou, protože při rychlosti, kterou se lidé běžně pohybují, je nárůst hmotnosti téměř nulový.

Jakmile se rychlost přiblíží rychlosti světla, je nemožné si změn hmotnosti nevšimnout. Základní zkušenost, kterou všichni sdílíme v každodenním životě, je, že čím silněji na něco tlačíme, například na auto, tím rychleji se může rozjet. Když však něco, co tlačíme, již jede nějakou velkou částí rychlosti světla, zjistíme, že to stále nabývá na hmotnosti, takže je stále těžší a těžší to rozjet rychleji. Je nemožné přimět jakoukoli hmotu, aby jela rychlostí světla, protože k tomu by bylo zapotřebí nekonečné množství energie.

Někdy se hmota změní na energii. Běžnými příklady prvků, u nichž tyto změny nazýváme radioaktivitou, jsou radium a uran. Atom uranu může ztratit částici alfa (atomové jádro helia) a stát se novým prvkem s lehčím jádrem. Tento atom pak bude emitovat dva elektrony, ale ještě nebude stabilní. Bude emitovat řadu částic alfa a elektronů, až se nakonec stane prvkem Pb neboli tím, čemu říkáme olovo. Tím, že vyvrhl všechny tyto částice, které mají hmotnost, zmenšil svou vlastní hmotnost. Vyrobilo také energii.

Při radioaktivitě se většinou celá hmotnost něčeho nemění na energii. V atomové bombě se uran mění na krypton a baryum. Hmotnost výsledného kryptonu a barya se od hmotnosti původního uranu liší jen nepatrně, ale energie, která se při této změně uvolní, je obrovská. Jedním ze způsobů, jak tuto myšlenku vyjádřit, je zapsat Einsteinovu rovnici takto:

E = (_muranium - mkrypton _{a baryum)} c2

C2 v rovnici znamená rychlost světla na druhou. Kvadrát něco znamená vynásobit to sebou samým, takže kdybychom odmocnili rychlost světla, bylo by to 299 792 458 metrů za sekundu krát 299 792 458 metrů za sekundu, což je přibližně
(3-108)² = (9-1016 metrů2)/sekundu2=90
000 000 000 000 000 000 metrů2/sekundu2Takže
energie vyprodukovaná jedním kilogramem by byla:
E = 1 kg - 90 000 000 000 000 000 000 metrů2/sekundy2E
= 90 000 000 000 000 000 kg metrů2/sekundy2neboE
= 90 000 000 000 000 000 000 000 joulůnebo
E = 90 000 terajoulů

Při výbuchu atomové bomby nad Hirošimou se uvolnilo přibližně 60 terajoulů. Při přeměně uranu na krypton a baryum se tedy musely ztratit (přeměnit na energii) asi dvě třetiny gramu radioaktivní hmoty této atomové bomby.

Myšlenka Boseho-Einsteinova kondenzátu vzešla ze spolupráce S. N. Boseho a profesora Einsteina. Einstein sám ji nevynalezl, ale naopak tuto myšlenku zdokonalil a pomohl jí získat popularitu.

Koncept energie nulového bodu vytvořili v Německu Albert Einstein a Otto Stern v roce 1913.

V klasické fyzice se hybnost vysvětluje rovnicí:

p = mv

kde

p představuje hybnost

m představuje hmotnost

v představuje rychlost (speed)

Když Einstein zobecnil klasickou fyziku tak, aby zahrnovala nárůst hmotnosti v důsledku rychlosti pohybující se hmoty, dospěl k rovnici, podle níž se energie skládá ze dvou složek. Jedna složka zahrnuje "klidovou hmotnost" a druhá složka zahrnuje hybnost, ale hybnost není definována klasickým způsobem. Rovnice má pro obě složky obvykle hodnoty větší než nula:

E2 = (m0c2)² + (pc)²

kde

E představuje energii částice

m0 představuje hmotnost částice, když se nepohybuje.

p představuje hybnost částice při jejím pohybu.

c představuje rychlost světla.

Existují dva speciální případy této rovnice.

Foton nemá klidovou hmotnost, ale má hybnost. (Světlo odrážející se od zrcadla tlačí na zrcadlo silou, kterou lze změřit.) V případě fotonu, protože jeho m0 = 0, pak:

E2 = 0 + (pc)²

E = pc

p = E/c

Energii fotonu lze vypočítat z jeho frekvence ν nebo vlnové délky λ. Ty spolu souvisejí podle Planckova vztahu E = hν = hc/λ, kde h je Planckova konstanta (6,626×10-34 joulů za sekundu). Známe-li frekvenci nebo vlnovou délku, můžeme vypočítat hybnost fotonu.

V případě nehybných částic s hmotností, protože p = 0, pak:

E02 = (m0c2)² + 0

což je právě

E0 = m0c2

Proto se veličina "m0" použitá v Einsteinově rovnici někdy nazývá "klidová hmotnost". (Písmeno "0" nám připomíná, že mluvíme o energii a hmotnosti, když je rychlost rovna 0.) Tento slavný vzorec "vztahu hmotnosti a energie" (obvykle se píše bez "0") naznačuje, že hmota má velké množství energie, takže bychom možná mohli část hmoty přeměnit na užitečnější formu energie. Na této myšlence je založena jaderná energetika.

Einstein řekl, že není dobré používat klasický vzorec pro vztah hybnosti a rychlosti p = mv, ale že pokud by to někdo chtěl udělat, musel by použít hmotnost částice m, která se mění s rychlostí:

mv2 = m02 / (1 - v2/c2)

V tomto případě můžeme říci, že E = mc2 platí i pro pohybující se částice.

Obecná teorie relativity byla publikována v roce 1915, deset let po vytvoření speciální teorie relativity. Einsteinova obecná teorie relativity využívá myšlenku časoprostoru. Prostoročas je skutečnost, že máme čtyřrozměrný vesmír, který má tři prostorové (prostorové) rozměry a jeden časový (časový) rozměr. Jakákoli fyzikální událost se odehrává na určitém místě uvnitř těchto tří prostorových rozměrů a v určitém časovém okamžiku. Podle obecné teorie relativity způsobuje jakákoli hmota zakřivení prostoročasu a jakákoli jiná hmota tyto křivky následuje. Větší hmotnost způsobuje větší zakřivení. To byl nový způsob vysvětlení gravitace (tíže).

Obecná teorie relativity vysvětluje gravitační čočkování, což je ohyb světla při přiblížení k hmotnému objektu. Toto vysvětlení se ukázalo jako správné během zatmění Slunce, kdy bylo možné změřit ohyb slunečního světla ze vzdálených hvězd kvůli tmě při zatmění.

Obecná teorie relativity také položila základy kosmologie (teorie struktury našeho vesmíru ve velkých vzdálenostech a dlouhých časových úsecích). Einstein se domníval, že vesmír se může trochu zakřivit v prostoru i čase, takže vesmír vždy existoval a vždy bude existovat, a že pokud se objekt pohybuje vesmírem, aniž by do něčeho narazil, vrátí se po velmi dlouhé době na výchozí místo, a to z opačného směru. Dokonce změnil své rovnice tak, že do nich zahrnul "kosmologickou konstantu", aby umožnil matematický model neměnného vesmíru. Obecná teorie relativity také připouští, že vesmír se bude rozprostírat (zvětšovat a zhušťovat) donekonečna, a většina vědců se domnívá, že astronomie prokázala, že se tak děje. Když si Einstein uvědomil, že dobré modely vesmíru jsou možné i bez kosmologické konstanty, označil použití kosmologické konstanty za svůj "největší omyl" a tato konstanta se z teorie často vynechává. Mnoho vědců se však nyní domnívá, že kosmologická konstanta je nutná, aby se do ní vešlo vše, co nyní o vesmíru víme.

Populární kosmologická teorie se nazývá velký třesk. Podle teorie velkého třesku vznikl vesmír před 15 miliardami let v tzv. gravitační singularitě. Tato singularita byla malá, hustá a velmi horká. Podle této teorie veškerá hmota, kterou dnes známe, vznikla v tomto bodě.

Einstein sám neměl pojem "černá díra", ale pozdější vědci tento název použili pro objekt ve vesmíru, který ohýbá časoprostor natolik, že z něj nemůže uniknout ani světlo. Domnívají se, že tyto ultrahusté objekty vznikají při zániku obřích hvězd, které jsou nejméně třikrát větší než naše Slunce. Tato událost může následovat po tzv. supernově. Vznik černých děr může být hlavním zdrojem gravitačních vln, takže hledání důkazu gravitačních vln se stalo důležitým vědeckým cílem.

Mnoho vědců se zajímá pouze o svou práci, ale Einstein často mluvil a psal také o politice a světovém míru. Líbily se mu myšlenky socialismu a jediné vlády pro celý svět. Pracoval také pro sionismus, snahu pokusit se vytvořit novou zemi Izrael.

Einsteinova rodina byla židovská, ale Einstein toto náboženství nikdy vážně nepraktikoval. Líbily se mu myšlenky židovského filozofa Barucha Spinozy a za dobré náboženství považoval také buddhismus. ^[]

Přestože Einstein přišel s mnoha myšlenkami, které pomohly vědcům mnohem lépe pochopit svět, nesouhlasil s některými vědeckými teoriemi, které se líbily jiným vědcům. Teorie kvantové mechaniky pojednává o věcech, které se mohou stát jen s určitou pravděpodobností a které nelze předpovědět s větší přesností bez ohledu na to, kolik informací můžeme mít. Toto teoretické snažení se liší od statistické mechaniky, v níž Einstein vykonal důležitou práci. Einsteinovi se nelíbila ta část kvantové teorie, která popírala cokoli víc než pravděpodobnost, že se o něčem zjistí, že je to pravda, když se to skutečně změří; domníval se, že by mělo být možné předpovědět cokoli, pokud máme správnou teorii a dostatek informací. Jednou řekl: "Nevěřím, že Bůh hraje s vesmírem v kostky." Vždyť to je pravda.

Protože Einstein tolik pomohl vědě, jeho jméno se dnes používá pro několik různých věcí. Byla po něm pojmenována jednotka používaná ve fotochemii. Je rovna Avogadrovu číslu vynásobenému energií jednoho fotonu světla. Po vědci je pojmenován i chemický prvek einsteinium. Ve slangu někdy říkáme velmi chytrému člověku "Einstein".

Většina vědců se domnívá, že Einsteinovy teorie speciální a obecné relativity fungují velmi dobře, a tyto myšlenky a vzorce používají ve své práci. Einstein nesouhlasil s tím, že jevy v kvantové mechanice mohou nastat čistě náhodou. Domníval se, že všechny přírodní jevy mají vysvětlení, které nezahrnuje čistou náhodu. Velkou část svého pozdějšího života se snažil najít "jednotnou teorii pole", která by zahrnovala jeho obecnou teorii relativity, Maxwellovu teorii elektromagnetismu a možná i lepší kvantovou teorii. Většina vědců se domnívá, že v tomto pokusu neuspěl.