Albert Einstein i jego teorie

Albert Einstein przyszedł na świat w Niemczech, w miejscowości Ulm. Miało to miejsce 14 marca 1879 roku. Ojciec Einsteina był przedsiębiorcą. Jednak jego nieudolność w prowadzeniu interesów powodowała, że rodzina Einsteinów zmuszona była do częstych przeprowadzek. Mały Albert był bardzo skrytym chłopcem, a przeprowadzki dodatkowo nie ułatwiały mu nawiązywania kontaktów z rówieśnikami. Swoją edukację Albert Einstein rozpoczął w Monachium. Nie był dobrym uczniem jak wielu dzisiaj spodziewałoby się po geniuszu. Zupełnie nie miał zdolności do języków obcych i nie opanował żadnego z nich w zadowalającym stopniu. Nawet będąc dorosłym wszystkie swoje prace pisał w języku niemieckim. W wieku młodzieńczym Einstein zainteresował się szczególnie matematyką. Einstein nie zdążył ukończyć szkoły w Monachium. W tym czasie bowiem rodzinę czekała kolejna przeprowadzka, tym razem poza granice Niemiec, do Włoch. Po przeprowadzce rodzice nie poświęcali chłopcu dużo czasu zdając się na jego rozsądek. Tymczasem Albert postanowił przerwać edukację. Zafascynowany nowym krajem rozpoczął podróże po Włoszech. Tak spędził rok. Po tym czasie zapragnął jednak ponownie podjąć naukę. Jego wybór padł na Eidgenossosche Technische Hochschule (ETH) w Zurychu. Niestety nie zdał egzaminów wstępnych. Nie poddał się i przez kolejny rok uczęszczał do szkoły w Szwajcarii żeby uzupełnić braki w edukacji. Do wymarzonej ETH został przyjęty w roku 1896. W czasie studiów nie przykładał się jednak do nauki. Bardziej zajmowały go inne strony życia studenckiego. W tym czasie urodziło mu się dziecko, które zostało oddane do adopcji. Matka dziecka została później żoną Einsteina. Przy minimalnym nakładzie pracy i nieocenionej pomocy przyjaciół udało się Einsteinowi jednak przebrnąć przez okres studiów. W roku 1900 zdobył dyplom ukończenia ETH. Stało się tak dzięki pomocy przyjaciela Einsteina , Marcela Grossmana, który pomógł mu przygotować się do końcowego egzaminu. Ze względu jednak na to iż Einstein miał opinię osoby leniwej i lekceważącej autorytety nie miał szans na etat na uczelni. Musiał więc podjąć pracę na stanowisku urzędnika technicznego w urzędzie patentowym w Bernie. W tym czasie oprócz pracy zajmował się pisaniem swojej pracy doktorskiej oraz szczególną teoria względności. W roku 1905 opublikował prace dotyczące właśnie tej teorii, a także ruchów Browna i efektu fotoelektrycznego. Właśnie za prace nad efektem fotoelektrycznym, które donosiły ,że światło może mieć naturę korpuskularną Einstein otrzymał w roku 1921 Nagrodę Nobla.

Pierwsze stanowisko uniwersyteckie Einstein otrzymał dopiero w roku 1909. Zasilił grono wykładowców Uniwersytetu w Zurychu. Po niedługim czasie przeprowadził się na kilka lat do Pragi. Potem znowu krótki czas spędził w Zurychu, aby w roku 1914 trafić do Instytutu w Berlinie. Tam zakończył prace nad ogólna teorią względności i opublikował ją w roku 1915.

Po zakończeniu pierwszej wojnie światowej Einstein dużo podróżował. Miał kontakt z uczonymi z wielu ośrodków. Współpracował przy tworzeniu teorii kwantów oraz przy pracach nad procesem wymuszonej emisji promieniowania.

Gdy do władzy doszedł Hitler Einstein wyjechał do Stanów Zjednoczonych gdzie objął stanowisko w Instytucie Studiów Zaawansowanych w Princeton. Miało to miejsce w roku 1933. Siedem lat później Einstein przyjął obywatelstwo amerykańskie. Zmarł 18 kwietnia 1955 roku.

Ponieważ Albert Einstein jest najbardziej znany dzięki szczególnej i ogólnej teorii względności warto zatem poświęcić im chwile uwagi.

Szczególna teoria względności opublikowana w roku 1905 dotyczy obiektów, które poruszają się ze stałymi prędkościami. Natomiast ogólna teoria względności dotyczy ciał poruszających się z przyspieszeniami. Obie teorie nie biorą pod uwagę efektów kwantowych niemniej jednak , aby uzyskać zgodność założeń teoretycznych z danymi obserwacyjnymi konieczne jest włączenie szczególnej teorii względności do mechaniki kwantowej.

W momencie gdy powstawały założenia szczególnej teorii względności w świecie naukowym uwidaczniał się konflikt miedzy mechaniką klasyczną Newtona a założeniami Maxwella zebranymi w równania elektromagnetyzmu.

Jeśli będziemy rozumować według założeń mechaniki newtonowskiej to rozpatrując przypadek, kiedy biegnący człowiek rzuca przed siebie kamień dojdziemy do wniosku, że prędkość kamienia względem układu odniesienia jakim jest droga będzie równa sumie prędkości człowieka i prędkości rzutu. Natomiast Maxwell założył w swoich równaniach, że światło ma pewną stałą prędkość oznaczoną jako c, która jest niezależna od względnego ruchu obserwatora, który ją mierzy.

Właśnie to założenie stało się podstawą przy sformułowaniu przez Einsteina szczególnej teorii względności. Einstein uznał bowiem, że założenia teorii klasycznej nie są poprawne. Szczególna teoria względności stanowiła podwaliny pod mechanikę relatywistyczną. Wróćmy teraz do biegnącego człowieka z poprzedniego przykładu. Jeśli taki człowiek wyśle przed siebie promień świetlny, którego prędkość będzie wynosiła c to każdy obserwator niezależnie od tego czy będzie w spoczynku czy będzie się poruszał za każdym razem zmierzy taką samą wartość prędkości tego promienia czyli c. Nie zachodzi więc sumowanie prędkości jak to miało miejsce w poprzednim przykładzie. Jednak ze względu na to, że prędkość światłą ma tak dużą wartość różnice między teorią newtonowską a mechaniką relatywistyczną są obserwowalne tylko dla ciał, które poruszają się z bardzo dużymi prędkościami.

W roku 1908 inny uczony, Herman Minkowski "przetłumaczył" szczególną teorię Einsteina na język geometryczny. Okazało się , że czas może być potraktowany jako czwarty wymiar. Stworzył zatem czterowymiarową przestrzeń zwaną także czasoprzestrzenią. Na początku Einsteinowi nie podobało się takie przedstawienie jego teorii niemniej jednak było bardzo pomocne przy formułowaniu ogólnej teorii względności.

Ze szczególnej teorii względności wynika, że jeśli obserwator znajduje się w inercjalnym układzie odniesienia to czas przez niego mierzony będzie biegł wolniej podobnie jak obiekt w ruchu będzie się kurczył , a masa tego obiektu się zwiększy. Jednakże prędkość światła mierzona we wszystkich inercjalnych układach odniesienia będzie taka sama i żaden obiekt nie może być przyspieszony do prędkości przewyższającej prędkość światła. Jest to więc największa z możliwych prędkości.

Ze szczególnej teorii względności wynika słynne równanie świadczące o równoważności masy i energii: . Według Einsteina więc masa stanowi jedną z form energii.

Szczególna teoria względności dobrze opisuje także ciała poruszające się z prędkością , ale znacznie mniejszą od prędkości światła. Okazuje się zatem, że mechanika newtonowska doskonale zawiera się w szczególnej teorii względności.

Ogólna teoria względności została przedstawiona światu naukowemu w roku 1915. Wtedy Einstein wygłaszał cykl wykładów w Pruskiej Akademii Nauk. Punktem wyjścia do ogólnej teorii względności była zasada równoważności masy grawitacyjnej i masy bezwładnej. Tak więc Einstein twierdził, że efekty przyspieszenia pod wpływem innej niż grawitacyjna siły są identyczne z efektami jednorodnego pola grawitacyjnego. Najlepiej zrozumieć tą zasadę na przykładzie statku kosmicznego. W momencie gdy statek znajdzie się już w przestrzeni kosmicznej i silniki przestają pracować wówczas wewnątrz statku przedmioty doznają spadku swobodnego. Natomiast podczas pracy silników przyspieszenie statku można tak dostosować, aby na przedmioty wewnątrz działała siła równa sile grawitacji jaka działałaby na nie na powierzchni Ziemi.

Słynną ilustracją założeń ogólnej teorii względności jest przytoczony przez Einsteina przykład z windą. Jeśli w windzie spadającej swobodnie w szybie zostałby zamknięty człowiek to nie mógłby on stwierdzić nawet z pomocą urządzeń pomiarowych czy winda porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym w kierunku Ziemi czy też jest swobodnie unoszona w przestrzeni kosmicznej. Jeśli zaś w trakcie spadania windy z jednego z jej końców zostanie wysłany promień świetlny to okazuje się, że aby dotarł on do przeciwległej ścianki windy to musi poruszać się po zakrzywionym torze w celu wyrównania różnicy w prędkości windy, która w tym czasie zdążyła już przyspieszyć. Albert Einstein założył, że skoro obowiązuje zasada r równoważności efektów przyspieszenia i efektów grawitacyjnych to pod wpływem działania grawitacji musi dochodzić do zakrzywiania drogi promieni świetlnych o konkretną wartość, która można dokładnie wyznaczyć. Taką możliwość zakładała już wcześniej mechanika newtonowska, jednak według niej to odchylenie miałoby być dwukrotnie mniejsze niż to przewidywał Einstein.

To założenie Einsteina zostało udowodnione już w roku 1919. Wtedy to podczas zaćmienia Słońca dokonano pomiarów zakrzywienia światła emitowanego przez gwiazdy. Zakrzywienie to było wynikiem działania grawitacji słonecznej. Wtedy to ostatecznie okazało się , że ogólna teoria względności Einsteina jest prawdziwa.

Albert Einstein ostatecznie stwierdził, że obecność materii w przestrzeni czterowymiarowej powoduje jej odpowiednie zakrzywienie . to zakrzywienie ma wpływ na ruch wszystkiego co znajdzie się w jej pobliżu czyli zarówno na ruch planet jak i promieni świetlnych. Warto jeszcze podkreślić, że krzywizna ta nie dotyczy tylko współrzędnych przestrzennych ale także współrzędnej czasowej.

Założenia zarówno szczególnej jak i ogólnej teorii względności były wielokrotnie sprawdzane doświadczalnie. Jak do tej pory występuje całkowita zgodność między teorią a danymi eksperymentalnymi. Wydaje się , że jeśli dojdzie kiedykolwiek do sformułowania innej teorii opisującej zależności między przestrzenią, materią i czasem to będzie ona musiała zawierać w sobie teorie Einsteina.