Albert Einstein i jego teoria

Albert Einstein był fizykiem pochodzenia niemieckiego . Przyszedł na świat w roku 1879 w miejscowości Ulm.

Przyszedł na świat w rodzinie żydowskiej. Ojciec Alberta był właścicielem fabryki sprzętu elektrycznego. Nie maił jednak szczęścia w interesach . Było to jednym z powodów dla których rodzina Einsteinów często się przeprowadzała. Albert chodził do szkoły w Monachium, ale zanim ją skończył rodzina znowu się przeprowadziła, tym razem do innego kraju, do Włoch. Einstein, który nigdy nie był dobrym uczniem teraz pozbawiony nadzoru rzucił naukę i zajął się podróżami po Włoszech. Jedynym przedmiotem jaki kiedykolwiek interesował Einsteina była matematyka. Miał natomiast poważne problemy z nauką języków obcych. Nigdy żadnego z nich nie opanował w stopniu zadowalającym. Po rocznej przerwie Einstein chciał ponownie podjąć naukę. Niestety nie przyjęto go na Politechnikę w Zurychu. Aby nadrobić zaległości przez kolejny rok uczęszczał do szkoły w Szwajcarii. Podczas kolejnego naboru został studentem Politechniki.

Zamiast nauka bardziej zaczęło wciągać go studenckie życie. Wdał się w romans z Milevą i wkrótce został ojcem. Dziecka jednak nie wychowywali, zostało oddane do adopcji. Milena natomiast później została żoną Einsteina.

Einstein studiował przy minimalnym nakładzie pracy. Dlatego często korzystał z pomocy kolegów, którzy udostępniali mu swoje notatki. Dzięki temu udało mu się w roku 1900 ukończyć studia i obronić dyplom.

Ze względu jednak na niepochlebną opinię jaką Einstein cieszył się na uczelni nie mógł liczyć na otrzymanie tam stanowiska. Rozpoczął zatem prace w urzędzie patentowym. Pracował tam przez okres siedmiu lat. W tym czasie prowadził także liczne badania i napisał pracę doktorską. W tym samym czasie ukazały się jego publikacje dotyczące ruchów Browna, szczególnej teorii względności i efektu fotoelektrycznego.

W roku 1909 Einstein objął pierwsze stanowisko akademickie. Został mianowicie profesorem nadzwyczajnym na uniwersytecie w Zurychu. Następnie krótko przebywał na uniwersytecie w Pradze. Potem powrócił na politechnikę w Zurychu. Jednak ostatecznie zamieszkał w Berlinie. Tam został członkiem Pruskiej Akademii Nauk i otrzymał prawo wykładania. W tym czasie dokończył prace nad ogólna teorią względności. Została ona opublikowana w roku 1915. Po I wojnie światowej Einstein zajmował się głównie pracą nad teorią kwantów. Liczne badania pozwoliły mu na sformułowanie statystyki Bosego - Einsteina oraz opracowania podstaw zjawiska emisji wymuszonej.

Za prace nad efektem fotoelektrycznym Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za 1921 rok. Po dojściu do władzy Adolfa Hitlera Einstein, który był Żydem przeniósł się do Princeton. Rozpoczął pracę w tamtejszym Instytucie Studiów Zaawansowanych. W roku 1940 Einstein otrzymał amerykańskie obywatelstwo. W ostatnich latach życia pracował nad znalezieniem zunifikowanej teorii, która łączyłaby grawitację i mechanikę kwantową. Einstein nigdy już nie opuścił Princeton. Zmarł 18 kwietnia 1955 roku.

Jak już wcześniej zostało wspomniane pierwszy z opublikowanych przez Einsteina artykułów dotyczył ruchów Browna. Dzięki temu odkryciu ostatecznie nauka otrzymała dowód na cząsteczkową budowę materii. Swój eksperyment przeprowadzał na ziarenkach pyłku zawieszonych w wodzie. Obserwował ich charakterystyczne ruchy tzw. "zyg - zag". Druga z publikacji dotyczyła badań nad naturą światła. Uczony udowodnił, że istnieje efekt zwany efektem fotoelektrycznym, który jest bezpośrednim dowodem na to, że w pewnych warunkach światło można traktować jako strumień cząstek, których energie są równe iloczynowi częstości drgań promieniowania i stałej Plancka. Innym efektem , który można wytłumaczyć na bazie cząsteczkowej natury światłą jest efekt Comptona.

Natomiast trzecia z prac nosiła tytuł " O elektrodynamice ciał ruchu". Zawierała ona rewolucyjną teorię zwaną szczególną teorią względności. Druga z teorii względności, zwana ogólną została zaprezentowana 10 lat później.

Szczególna teoria względności dotyczy ciał poruszających się ze stałymi prędkościami i zależności między nimi. Punktem wyjścia do tej teorii było założenie, że światło ma stałą prędkość niezależnie od układu odniesienia. Język w jakim Einstein sformułował swoją teorię był językiem matematycznym. Ale już trzy lata po jej opublikowaniu inny uczony Herman Minkowski udowodnił, że szczególna teorie względności można także przedstawić geometrycznie. I tak czas może być traktowany jako czwarty wymiar. Czyli według szczególnej teorii względności Wszechświat opisywany jest jako czterowymiarowa przestrzeń, w której punkty nazywane są zdarzeniami. Każdy punkt odpowiada danemu zjawisku fizycznemu. Czas jest ściśle związany z układem odniesienia, w którym jest mierzony.

Konsekwencją szczególnej teorii względności jest słynne równanie traktujące o równoważności masy i energii E = mc.

Ogólna teoria względności natomiast stosuje się do układów, które poruszają się z pewnym przyspieszeniem. Punktem wyjścia do sformułowania tej teorii była zasada równoważności. Zasada ta została sformułowana kilka lat wcześniej również przez Einsteina. Mówi ona, że masa grawitacyjna jest nieodróżnialna od masy bezwładnej. Konsekwencja tego jest nieodróżnialność efektów przyspieszenia od efektów jednorodnego pola grawitacyjnego.

Konsekwencją zasady równoważności było założenie, że grawitacja powoduj zakrzywienie drogi promienia świetlnego o ściśle określoną wartość. Słuszność tych przewidywań została udowodniona podczas zaćmienia Słońca w roku 1919 kiedy to zostało zmierzone zakrzywienie światła emitowanego przez gwiazdy przez grawitację słoneczną. Wyniki zgodne były z obliczeniami Einsteina.

Czyli obecność masy powoduje zakrzywienie czterowymiarowej przestrzeni. Wygięcie to oddziałuje następnie na wszystkie obiekty, w tym promienie świetlne, które znajdą się w obszarze jej oddziaływania.

Dzięki teoriom Einsteina można opisać ewolucję Wszechświata od Wielkiego Wybuchu do czasów obecnych.

Założenia zarówno szczególnej jak i ogólnej teorii względności były wielokrotnie weryfikowane doświadczalnie. I jak na razie wszystkie eksperymenty potwierdzają słuszność założeń Einsteina. Przewiduje się, ze jeśli kiedykolwiek w przyszłości zostanie sformułowana nowa teoria to z pewnością będzie ona zawierała w sobie teorię względności Einsteina. Podobnie jak newtonowska teoria grawitacji stanowi szczególny przypadek teorii względności Einsteina.

Wcześniej zostało powiedziane, że czas jest ściśle związany z układem odniesienia, w którym jest mierzony. Można więc pokusić się o przeprowadzenie eksperymentu. Na początku należy założyć, ze w pewnym miejscu na Ziemi rodzi się para bliźniąt. Po upływie kilku lat jedno z dzieci zostaje umieszczone na pokładzie statku kosmicznego drugie natomiast pozostaje na Ziemi. Kolejne założenie jakie należy zrobić to to, że prędkość rakiety jest zbliżona do prędkości światła. Oczywiście wszystko dzieje się w przyszłości, w czasach kiedy możliwe jest wieloletnie przebywanie w przestrzeni kosmicznej. Po upływie kilku lat rakieta zawraca. Czego można się spodziewać w momencie spotkania rodzeństwa? Brat , który pozostał na Ziemi zakłada , że brat opuszczający Ziemię z prędkością światła będzie od niego młodszy. Tymczasem brat na statku też robi założenie, dla niego to Ziemia oddala się z prędkością światła, a wraz z Ziemią brat, który będzie starzał się wolniej. Po spotkaniu okazuje się , że spełnienie obu warunków nie jest możliwe. Należy więc zrezygnować z bezwzględnej równoczesności zdarzeń. Dlatego mówi się o "paradoksie bliźniąt". Okazuje się , że brat , który pozostał na Ziemi starzał się szybciej.

Dlaczego tak się stało? Otóż układ związany z rakietą poruszającą się z przyspieszeniem nie jest układem inercjalnym. Następuje więc w nim dodatkowy efekt zwany dylatacją czyli wydłużeniem czasu.

Jeśli więc zaniecha się prób wyjaśnienia tego efektu za pomocą szczególnej teorii względności odnoszącej się do układów inercjalnych problem paradoksu bliźniąt zniknie.