Albert Einstein

Albert Einstein urodził się w miejscowości Ulm w Niemczech 14 marca 1879 roku. Studia odbył w Szwajcarii na politechnice w Zurychu. Po ich zakończeniu podjął pracę na słabo płatnym stanowisku jako urzędnik federalnego biura patentowego w Bernie. Mimo swojej pracy - nie związanej z nauką w 1905 roku opublikował bardzo ważną pracę zatytułowaną w oryginale Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Zawierała ona podstawowe założenia szczególnej teorii względności. W swojej pracy Einstein wysunął nowe koncepcje dotyczące pojęcia czasu i przestrzeni zrywając z dotychczas przyjmowanym przez fizyków pojęciem czasu absolutnego. Autor połączył (zunifikował) czas oraz przestrzeń w jedną czterowymiarową czasoprzestrzeń. Einstein był bardzo wszechstronnym naukowcem - w tym samym 1905 roku opublikował prace na temat takich zagadnień jak ruchy Browna, korpuskularna teoria światła oraz zależność między masą a energią. Prace te wyrobiły mu opinię bardzo zdolnego fizyka i przyniosły duże uznanie. W 1909 roku Einstein został profesorem na uniwersytecie w Zurychu, od 1911 roku pracował także w czeskiej Pradze. W 1914 przeprowadził się do stolicy Niemiec Berlina, gdzie objął stanowisko dyrektora Instytutu Fizyki na tamtejszym uniwersytecie. W czasie swojego pobytu w Berlinie Einstein pracował nad takimi zagadnieniami jak relatywistyczna teoria grawitacji, gruntownie analizując prawa grawitacji pod kątem odkrytej przez siebie szczególnej teorii względności. Owocem tych badań była opublikowana w 1916 roku ogólna teoria względności. Teoria ta stanowiła uogólnienie praw grawitacji wynikających z teorii grawitacji Newtona i przewidziała istnienie wiele nowych zjawisk - jednym z nich było zjawisko polegające na zakrzywieniu promieni świetlnych w silnym polu grawitacyjnym. Efekt ten dobitnie świadczył o tym, że światło nie tylko jest falą, ale i równocześnie jest obiektem materialnym. Jednocześnie Einstein rozwinął kwantową teorię promieniowania. W 1921 roku został uhonorowany Nagrodą Nobla za odkrycie praw odkrycie zjawiska fotoelektrycznego i prace z zakresu fizyki teoretycznej. Z powodu dojścia do władzy nazistów został zmuszony - jako że pochodził z żydowskiej rodziny - do opuszczenia Niemiec w 1933 roku i emigracji do Stanów Zjednoczonych. Tam pracował na stanowisku profesora w Institute for Advanced Study na jeden z najlepszych uczelni w Stanach - w Princeton. Pracował tam nad próbą połączenia teorii grawitacji oraz innych teorii pola - na przykład pola magnetycznego. Te prace jednak nie zakończyły się powodzeniem, są one zresztą do dziś wyzwaniem dla fizyków teoretyków. Oprócz licznych prac naukowych Einstein ma w swoim dorobku także sporo prac popularnonaukowych. Starał się on w nich przybliżyć swoje teorie, min. w pracach pt. Istota teorii względności (1922), Mein Weltbild (1935), czy Ewolucja fizyki (1947).

Einstein brał także czynny udział w życiu społecznym i politycznym. W czasie na frontach Europy trwała I wojna światowa głosił on idee pacyfistyczne. W latach powojennych - w wyniku dojścia Hitlera do władzy - porzucił je. Podczas II wojny światowej wspierał prace mające na celu skonstruowanie bomby atomowej. Po wojnie doszedł on jednak wniosku, że dalsze udoskonalanie broni jądrowej stanowi bardzo duże zagrożenie dla ludzkości - ostrzegał o tym często w swoich publicznych wystąpieniach.

Szczególna teoria względności

W fizyce bazującej na koncepcji Arystotelesa występuje tylko jeden wyszczególniony układ odniesienia. Względem tego układu wszystkie obiekty na które nie działa żadna siła zewnętrzna pozostają w spoczynku.

Kolejna koncepcja układów w fizyce pochodzi od Issaca Newtona. Zakłada ona istnienie nieskończonego zbioru układów odniesienia, określamy je mianem tzw. układów inercjalnych. W tych inercjalnych układach odniesienia współrzędne punktu są ze sobą powiązane poprzez przekształcenia Galileusza. Oznacza to, że ten sam punkt może być opisany przez różne układy poprzez odpowiednie przekształcenia matematyczne. Czas we wszystkich układach jest jednak ten sam - mówimy o pojęciu czasu absolutnego. Zgodnie z zasadami względności fizyki stworzonej przez Newtona żadne zjawisko nie może wyróżniać jakiegoś szczególnego układu inercjalnego względem pozostałych. Wynika z tego, że newtonowskie prawa fizyki nie powinny ulegać żadnym zmianom przy przekształceniach (transformacjach) Galileusza.

Newtonowskie zasady fizyki (mówimy o fizyce klasycznej) były zgodne z doświadczeniem przez blisko 200 lat. Powstała u schyłku XIX wieku elektrodynamika, bazująca na równaniach Maxwella, zmieniała jednak swoją postać w wyniku przekształceń Galileusza. Ten fakt naprowadził uczonych do wysnucia koncepcji jednego, wyróżnionego układu inercjalnego - nazywany on był eterem. Liczne doświadczenia nie potwierdziły jednak istnienia eteru. Jednym z nich było doświadczenie przeprowadzone przez Michelsona i Morleya - udowodnili oni, że światło rozchodzi się we wszystkich układach tak samo szybko, czyli prędkość światła jest uniwersalną stała.

W 1905 roku Albert Einstein wysunął koncepcję, aby przyjąć, że równania Maxwella mają identyczną postać we wszystkich inercjalnych układach, w takich układach współrzędne przestrzenne oraz czas są związane ze sobą tzw. przekształceniami Lorentza. Konsekwencją przyjęcia tej koncepcji było to, że zasady dynamiki Newtona stanowiły jedynie przybliżenie - słuszne wówczas, gdy względna prędkość dwóch układów względem siebie jest bardzo mała w porównaniu z prędkością światła (wynosi ona blisko 3 * 108 m/s). Prawa dynamiki Newtona nie zmieniają się w wyniku przekształcenia Lorentza. Teoria oparta na zasadzie względności Einsteina została nazywa szczególną teorią względności jej podstawowym pojęciem jest zdarzenie. Zbiór wszystkich zdarzeń stanowi czterowymiarową czasoprzestrzeń. Wszystkie właściwości tej czasoprzestrzeni są niezmienne względem przekształceń (transformacji) Lorentza.

Prawa elektrodynamiki spełniają nową zasadę względności Einsteina automatycznie, reszta zaś fizyki klasycznej wymaga zastosowania pewnych modyfikacji. Zgodnie z szczególną teorią względności sformułowano nowe prawa mechaniki, termodynamiki oraz optyki - mówimy o fizyce relatywistycznej. Jak już wspomniano prawa fizyki sformułowane przez Newtona są zatem teoriami przybliżonymi - słusznymi wówczas, gdy prędkość światła jest znacznie większa niż prędkości z jakimi spotykamy się w problemach fizyki klasycznej. Dzięki wnioskom płynącym ze szczególnej teorii względności przewidziano istnienie wielu, nieznanych wcześniej zjawisk fizycznych - wszystkie one znalazły swoje potwierdzenie w wynikach doświadczeń. Najważniejsze z tych konsekwencji to uzależnienie takich wielkości jak czas przebiegu zjawisk fizycznych, masa cząstek oraz wiele innych wielkości od ruchu układu, w którym zjawiska takowe są opisane.

Z szczególnej teorii względności otrzymujemy związek między masą a energią, czyli słynne równanie E = mc2 (m to masa, E to energia). Szczególna teoria względności znajduje szerokie zastosowane we współczesnej fizyce, zwłaszcza tam gdzie mamy do czynienia z prędkościami bliskimi prędkości światła. Stanowi ona podstawę konstrukcji takich urządzeń jak akceleratory cząstek, kinematyka relatywistyczna została z kolei potwierdzona w doświadczeniach dotyczących rozpraszania cząstek o bardzo wysokich energiach.