Альберт Ейнштейн
Народився 14 березня 1879 р. в Ульмі (Вюртемберг, Німеччина) в сім'ї дрібного комерсанта. Предки Ейнштейна поселилися в Швабії близько 300 років тому, і учений до кінця життя зберіг м'яку південно-німецьке вимову, навіть коли говорив по-англійськи. Вчився в католицькій народній школі в Ульмі, потім, після переїзду сім'ї до Мюнхена, в гімназії. Шкільним уроків, однак, вважав за краще самостійні заняття. Особливо привертали його геометрія і популярні книги по природознавству, і незабаром в точних науках він далеко випередив своїх однолітків. До 16 років Ейнштейн оволодів основами математики, включаючи диференціальне і інтегральне числення. У 1895, не закінчивши гімназію, відправився до Цюріха, де знаходилося Федеральне вище політехнічна училище, що користувалося високою репутацією. Не витримавши екзаменів з сучасних мов та історії, поступив в старший клас кантональної школи в Аарау. Після закінчення школи, в 1896, Ейнштейн став студентом Цюріхського політехнікуму. Тут одним з його вчителів був чудовий математик Герман Мінковський (згодом саме він надав спеціальній теорії відносності закінчену математичну форму), так що Енштейн міг би отримати солідну математичну підготовку, проте велику частину часу він працював у фізичній лабораторії, а в решту часу читав класичні праці Г. Кірхгофа, Дж. Максвелла, Г. Гельмгольца та ін
Після випускного іспиту в 1900 Ейнштейн протягом двох років не мав постійного місця роботи. Недовгий час він викладав фізику в Шаффгаузені, давав приватні уроки, а потім по рекомендації друзів отримав місце технічного експерта в Швейцарському патентному бюро в Берні. У цьому "світському монастирі" Ейнштейн пропрацював 7 років (1902-1907) і вважав цей час найщасливішим і плідним періодом в своєму житті.
У 1905 в журналі "Аннали фізики" ("Annalen der Physik") вийшли роботи Ейнштейна, що принесли йому світову славу. З цього історичного моменту простір і час назавжди перестали бути тим, чим були колись (спеціальна теорія відносності), квант і атом знайшли реальність (фотоефект і броунівський рух), маса стала однією з форм енергії (E = mc2).
Хронологічно першими були дослідження Ейнштейна з молекулярної фізики (початок їм було покладено в 1902), присвячені проблемі статистичного опису руху атомів і молекул і взаємозв'язку руху і теплоти. У цих роботах Ейнштейн прийшов до висновків, істотно розширюють результати, які були отримані австрійським фізиком Л. Больцманом і американським фізиком Дж. Гіббсом. У центрі уваги Ейнштейна в його дослідженнях з теорії теплоти знаходилося броунівський рух. У статті 1905 Про рух завислих у спочиваючої рідині частинок, необхідному молекулярно-кінетичною теорією теплоти (ber die von molekularkinetischen Theorie der Wrme geforderte Bewegung von in ruhenden Flssigkeiten suspendierten Teilchen) він за допомогою статистичних методів показав, що між швидкістю руху зважених частинок, їх розмірами і коефіцієнтами в'язкості рідин існує кількісне співвідношення, яке можна перевірити експериментально. Ейнштейн надав закінчену математичну форму статистичному поясненню цього явища, представленому раніше польським фізиком М. Смолуховським. Закон броунівського руху Ейнштейна був повністю підтверджений в 1908 дослідами французького фізика Ж. Перрена. Роботи з молекулярної фізики доводили правильність уявлень про те, що теплота є форма енергії неупорядкованого руху молекул. Одночасно вони підтверджували атомістичну гіпотезу, а запропонований Ейнштейном метод визначення розмірів молекул і його формула для броунівського руху дозволяли визначити число молекул.
Якщо роботи з теорії броунівського руху продовжили і логічно завершили попередні роботи в галузі молекулярної фізики, то роботи по теорії світла, теж базувалися на зробленому раніше відкритті, носили справді революційний характер. У своєму вченні Ейнштейн спирався на гіпотезу, висунуту в 1900 М. Планком, про квантуванні енергії матеріального осцилятора. Але Ейнштейн пішов далі і постулював квантування самого світлового випромінювання, розглядаючи останнє як потік квантів світла, чи фотонів (фотонна теорія світла). Це дозволяло простим способом пояснити фотоелектричний ефект - вибивання електронів з металу світловими променями, явище, виявлене в 1886 Г. Герцом і не вкладається в рамки хвильової теорії світла. Дев'ять років по тому запропонована Ейнштейном інтерпретація була підтверджена дослідженнями американського фізика Міллікена, а в 1923 реальність фотонів стала очевидною з відкриттям ефекту Комптона (розсіяння рентгенівських променів на електронах, слабо пов'язаних з атомами). У чисто науковому відношенні гіпотеза світлових квантів склала цілу епоху. Без неї не могли б з'явитися знаменита модель атома Н. Бора (1913) і геніальна гіпотеза "хвиль матерії" Луї де Бройля (початок 1920-х років).
У тому ж 1905 була опублікована робота Ейнштейна До електродинаміки рухомих тіл (Zur Elektrodynamik der bewegter Krper). У ній викладалася спеціальна теорія відносності, яка узагальнювала ньютонівські закони руху і переходила в них при малих швидкостях руху (v <<c). В основі теорії лежали два постулати: спеціальний принцип відносності, що є узагальненням механічного принципу відносності Галілея на будь-які фізичні явища (у будь-яких інерційних, тобто рухомих без прискорення системах всі фізичні процеси - механічні, електричні, теплові і т.д. - протікають однаково), і принцип сталості швидкості світла у вакуумі (швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела або спостерігача, тобто однакова у всіх інерціальних системах і дорівнює 3Ч1010 см / с). Це призвело до зламу багатьох основоположних понять (абсолютність простору і часу), встановлення нових просторово-часових уявлень (відносність довжини, часу, одночасності подій). Мінковський, який створив математичну основу теорії відносності, висловив думку, що простір і час повинні розглядатися як єдине ціле (узагальнення евклідового простору, в якому роль четвертого виміру грає час). Різним еквівалентним системам відліку відповідають різні "зрізи" простору-часу.
Виходячи із спеціальної теорії відносності, Ейнштейн в тому ж 1905 відкрив закон взаємозв'язку маси і енергії. Його математичним виразом є знаменита формула E = mc2. З неї випливає, що будь-яке перенесення енергії пов'язане з перенесенням маси. Ця формула трактується також як вираз, що описує "перетворення" маси в енергію. Саме на цьому уявленні засновано пояснення т.з. "Дефекту маси". У механічних, теплових та електричних процесах він дуже малий і тому залишається непоміченим. На мікрорівні він виявляється в тому, що сума мас складових частин атомного ядра може опинитися більше маси ядра в цілому. Недолік маси перетворюється на енергію зв'язку, необхідну для утримання складових частин. Атомна енергія є не що інше, як перетворилася на енергію маса. Принцип еквівалентності маси і енергії дозволив спростити закони збереження. Обидва закони, збереження маси і збереження енергії, до цього існували роздільно, перетворилися на один загальний закон: для замкнутої матеріальної системи сума маси і енергії залишається незмінною при будь-яких процесах. Закон Ейнштейна лежить в основі всієї ядерної фізики.
У 1907 Ейнштейн поширив ідеї квантової теорії на фізичні процеси, не пов'язані з випромінюванням. Розглянувши теплові коливання атомів у твердому тілі і використовуючи ідеї квантової теорії, він пояснив зменшення теплоємності твердих тіл при зниженні температури, розробивши першу квантову теорію теплоємності. Ця робота допомогла В. Нернсту сформулювати третій початок термодинаміки.
В кінці 1909 Ейнштейн отримав місце екстраординарного професора теоретичної фізики Цюріхського університету. Тут він викладав тільки три семестри, потім послідувало почесне запрошення на кафедру теоретичної фізики Німецького університету в Празі, де довгі роки працював Е. Мах. Празький період відмічений новими науковими досягненнями ученого. Виходячи з свого принципу відносності, він в 1911 в статті Про вплив сили тяжіння на розповсюдження світла (ber den Einfluss der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes) заклав основи релятивістської теорії тяжіння, висловивши думку, що світлові промені, що випускаються зірками і що проходять поблизу Сонця, повинні згинатися біля його поверхні. Таким чином, передбачалося, що світло володіє інерцією і в полі тяжіння Сонця повинне відчувати сильну гравітаційну дію. Ейнштейн запропонував перевірити це теоретичне міркування за допомогою астрономічних спостережень і вимірювань під час найближчого сонячного затемнення. Провести таку перевірку вдалося тільки в 1919. Це зробила англійська експедиція під керівництвом астрофізика Еддінгтона. Отримані нею результати повністю підтвердили висновки Ейнштейна.
Влітку 1912 Ейнштейн повернувся до Цюріха, де у Вищій технічній школі була створена кафедра математичної фізики. Тут він зайнявся розробкою математичного апарату, необхідного для подальшого розвитку теорії відносності. У цьому йому допомагав його товариш по навчанню Марсель Гросман. Плодом їх спільних зусиль стала праця Проект узагальненої теорії відносності та теорії тяжіння (Entwurf einer verallgemeinerten Relativitatstheorie und Theorie der Gravitation, 1913). Ця робота стала другою, після празької, віхою на шляху до загальної теорії відносності та до науки гравітації, які були в основному закінчені в Берліні в 1915.
До Берліна Ейнштейн прибув в квітні 1914, будучи вже членом Академії наук (1913), і приступив до роботи в створеному Гумбольдтом університеті - найбільшому вищому навчальному закладі Німеччини. Тут він провів 19 років - читав лекції, вів семінари, регулярно брав участь у роботі колоквіуму, який під час навчального року раз на тиждень проводився у Фізичному інституті.
У 1915 Ейнштейн завершив створення загальної теорії відносності. Якщо побудована в 1905 спеціальна теорія відносності, справедлива для всіх фізичних явищ, за винятком тяжіння, розглядає системи, що рухаються по відношенню один до одного прямолінійно і рівномірно, то загальна має справу з довільно рухаються системами. Її рівняння справедливі незалежно від характеру руху системи відліку, а також для прискореного і обертального рухів. За своїм змістом, однак, вона є в основному вченням про тяжіння. Вона примикає до гауссовой теорії кривизни поверхонь і має на меті геометризації гравітаційного поля і діючих у ньому сил. Ейнштейн стверджував, що простір аж ніяк не є однорідним і що його геометрична структура залежить від розподілу мас, від речовини та поля. Сутність тяжіння пояснювалася зміною геометричних властивостей, викривленням чотиривимірного простору-часу навколо тіл, які утворюють поле. За аналогією з викривленими поверхнями в неевклідової геометрії використовується уявлення про "викривленому просторі". Тут немає прямих ліній, як в "плоскому" просторі Евкліда; є лише "найбільш прямі" лінії - геодезичні, що представляють собою найкоротша відстань між точками. Кривизною простору визначається геометрична форма траєкторій тіл, що рухаються в полі тяжіння. Орбіти планет визначаються викривленням простору, що задається масою Сонця, і характеризують це викривлення. Закон тяжіння стає окремим випадком закону інерції.
Для перевірки загальної теорії відносності, яка грунтувалася на дуже невеликому числі емпіричних фактів і являла собою продукт чисто умоглядних міркувань, Ейнштейн вказав на три можливі ефекту. Перший полягає в додатковому обертанні або зсуві перигелію Меркурія. Мова йде про давно відомому явищі, свого часу відкритому французьким астрономом Левер'є. Воно полягає в тому, що найближча до Сонця точка еліптичної орбіти Меркурія зміщується за 1 тисячу років на 43 дугові секунди. Ця цифра перевищує значення, що випливає з ньютонівського закону тяжіння. Теорія Ейнштейна пояснює його як прямий наслідок зміни структури простору, викликане Сонцем. Другий ефект полягає у викривленні світлових променів у полі тяжіння Сонця. Третій ефект - релятивістське "червоне зміщення". Воно полягає в тому, що спектральні лінії світла, що випускається дуже щільними зірками, зміщені в "червону" сторону, тобто у бік великих довжин хвиль, у порівнянні з їх становищем у спектрах тих самих молекул, що знаходяться в земних умовах. Зсув пояснюється тим, що сильне гравітаційне вплив зменшує частоту коливань світлових променів. Червоне зміщення було перевірено на супутнику Сіріуса - зірки з дуже великою густиною, а потім і на інших зірках - білих карликів. Згодом воно було виявлено і в полі земного тяжіння при вимірах частоти g - квантів за допомогою ефекту Мессбауера.
Всього через рік після опублікування праці із загальної теорії відносності Ейнштейн представив ще одну роботу, що має революційне значення. Оскільки не існує простору і часу без матерії, тобто без речовини і поля, звідси з необхідністю випливає, що Всесвіт повинен бути просторово кінцевої (ідея замкнутої Всесвіту). Ця гіпотеза перебувала в різкому протиріччі з усіма звичними уявленнями і призвела до появи цілого ряду релятивістських моделей світу. І хоча статична модель Ейнштейна виявилася надалі неспроможною, основна її ідея - замкнутості - зберегла силу. Одним з перших, хто творчо продовжив космологічні ідеї Ейнштейна, був радянський математик А. Фрідман. Виходячи з ейнштейнівської рівнянь, він в 1922 прийшов до динамічної моделі - до гіпотези замкнутого світового простору, радіус кривизни якого зростає в часі (ідея розширення Всесвіту).
У 1916-1917 вийшли роботи Ейнштейна, присвячені квантовій теорії випромінювання. У них він розглянув вірогідність переходів між стаціонарними станами атома (теорія Н. Бора) і висунув ідею індукованого випромінювання. Ця концепція стала теоретичною основою сучасної лазерної техніки.
Середина 1920-х років ознаменувалася у фізиці створенням квантової механіки. Незважаючи на те що ідеї Ейнштейна багато в чому сприяли її становленню, незабаром виявилися значні розбіжності між ним і провідними представниками квантової механіки. Ейнштейн не міг примиритися з тим, що закономірності мікросвіту носять лише імовірнісний характер (відомий його докір, адресований Борну, в тому, що той вірить "у Бога, що грає в кості"). Ейнштейн не вважав статистичну квантову механіку принципово новим ученням, а розглядав її як тимчасовий засіб, до якого доводиться вдаватися, поки не вдається отримати повний опис реальності. На Сольвеєвських конгресах 1927 і 1930 розгорілися жаркі, повні драматизму дискусії між Ейнштейном і Бором з приводу інтерпретації квантової механіки. Ейнштейн не зміг переконати ні Бора, ні більш молодих фізиків - Гейзенберга і Паулі. З тих пір він стежив за роботами "копенгагенської школи" з почуттям глибокої недовіри. Статистичні методи квантової механіки здавалися йому "нестерпними" з теоретико-пізнавальної і незадовільними з естетичної точки зору. Починаючи з другої половини 1920-х років Ейнштейн приділяв багато часу і сил розробці єдиної теорії поля. Така теорія повинна була об'єднати електромагнітне і гравітаційне поля на загальній математичній основі. Проте ті декілька робіт, які він опублікував з цього питання, не задовольнили його самого.
Тим часом політична ситуація в Німеччині ставала все більш напруженою. До початку 1920 відносяться перші організовані витівки проти вченого. У лютому реакційно налаштовані студенти змусили Ейнштейна перервати лекцію в Берлінському університеті і покинути аудиторію. Незабаром почалася планомірна кампанія проти творця теорії відносності. Нею керувала група антисемітів, яка виступала під вивіскою "Робоче об'єднання німецьких натуралістів для збереження чистої науки", одним з її засновників був гейдельбергська фізик Ф. Ленард. У серпні 1920 "Робоче об'єднання" організувало в залі Берлінської філармонії демонстрацію проти теорії відносності. Незабаром в одній з газет з'явився заклик до вбивства вченого, а через кілька днів у німецькій пресі були надруковані повідомлення, що Ейнштейн, ображений цькуванням, має намір покинути Німеччину. Вченому була запропонована кафедра в Лейдені, але він відмовився, вирішивши, що від'їзд був би зрадою по відношенню до тих німецьким колегам, які його самовіддано захищали, перш за все до Лауе, Нернсту і Рубенса. Проте Ейнштейн висловив готовність прийняти звання екстраординарного почесного професора в нідерландському Королівському університеті, і голландська "виїзна" професура залишалася за ним аж до 1933.
Антисемітська цькування в Берліні зробила істотний вплив на ставлення Ейнштейна до сіонізму. "Поки я жив у Швейцарії, я ніколи не усвідомлював свого єврейства, і в цій країні не було нічого, що впливало б на мої єврейські відчуття і пожвавило б їх. Але все змінилося, як тільки я переїхав до Берліна. Там я побачив лиха багатьох молодих євреїв. Я бачив, як їх антисемітське оточення робило неможливим для них добитися систематичної освіти. Тоді я зрозумів, що лише спільна справа, яка буде дорого всім євреям в світі, може призвести до відродження народу ". Такою справою учений вважав створення незалежної єврейської держави. Спочатку він визнав за необхідне підтримати зусилля по створенню Єврейського університету в Єрусалимі, що спонукало його зробити спільну поїздку по США з главою сіоністського руху, хіміком Х. Вейцманом. Поїздка повинна була сприяти пропаганді сіоністської ідеї і збору засобів для університету. У США Ейнштейн прочитав ряд наукових доповідей, в тому числі в Прінстонському університеті.
У березні 1922 Ейнштейн відправився з лекціями в Париж, а восени знову зробив велику зарубіжну поїздку - до Китаю і Японії. На зворотному шляху він вперше відвідав Палестину. У Єрусалимському університеті Ейнштейн розповідав про свої дослідження з теорії відносності, розмовляв з першими єврейськими переселенцями. Після 1925 Ейнштейн не робив дальніх подорожей і жив у Берліні, здійснюючи лише поїздки до Лейден для читання лекцій, а влітку до Швейцарії, на узбережжі Північного або Балтійського моря. Навесні 1929 з нагоди п'ятдесятиріччя вченого магістрат Берліна подарував йому ділянку лісистої місцевості на березі Темплінського озера. У просторому, зручному будинку Ейнштейн проводив багато часу. Звідси він відпливав на вітрильному човні, годинами курсуючи по озерах.
Починаючи з 1930 Ейнштейн проводив зимові місяці в Каліфорнії. У Пасаденском технологічному інституті учений читав лекції, в яких розповідав про результати своїх досліджень. На початку 1933 Ейнштейн знаходився в Пасадені, і після приходу Гітлера до влади ніколи більш не ступав на німецьку землю. У березні 1933 він заявив про свій вихід з Прусської Академії наук і відмовився від прусського громадянства.
З жовтня 1933 Ейнштейн приступив до роботи в Прінстонському університеті, а незабаром отримав американське громадянство, одночасно залишаючись громадянином Швейцарії. Вчений продовжував свої роботи по теорії відносності; велику увагу приділяв спробам створення єдиної теорії поля.
Перебуваючи в США, вчений намагався будь-якими доступними йому засобами подавати моральну і матеріальну підтримку німецьких антифашистів. Його дуже турбувало розвиток політичної ситуації в Німеччині. Ейнштейн побоювався, що після відкриття ділення ядра Ганом і Штрассманом у Гітлера з'явиться атомна зброя. Турбуючись за долю світу, Ейнштейн надіслав президенту США Ф. Рузвельту свій знаменитий лист, яке спонукало останнього приступити до робіт зі створення атомної зброї. Після закінчення Другої світової війни Ейнштейн включився в боротьбу за загальне роззброєння. На урочистому засіданні сесії ООН в Нью-Йорку в 1947 він заявив про відповідальність учених за долю світу, а в 1948 виступив із зверненням, в якому закликав до заборони зброї масового ураження. Мирне співіснування, заборону ядерної зброї, боротьба проти пропаганди війни - ці питання займали Ейнштейна в останні роки його життя не менше, ніж фізика.
Помер Ейнштейн у Прінстоні (США) 18 квітня 1955. Його прах був розвіяний друзями в місці, яке повинно назавжди залишитися невідомим.