Ocena brak

Kim był Albert Einstein i na czym poległa jego teoria względności?

Autor /Komun Dodano /31.01.2012

Albert Einstein nie był błyskotliwym studentem Jednak jego ogólna teoria względności stała się kamieniem milowym współczesnej fizyki.
W roku 1864 szkocki fizyk James Clerk Maxwell wykazał drogą teoretycznych rozważań, że światło jest falą elektro­magnetyczną. Nie potrafił jednak wytłumaczyć, w jaki sposób fala taka przemierza próżnię wszech­świata -jeżeli nie ma tam niczego, co mogłoby drgać, to jak mogą istnieć tam fale? Powstała wów­czas teoria, że istnieje jednak jakiś ośrodek, w któ­rym fale elektromagnetyczne mogą się rozchodzić. Wypełniać miał on całą przestrzeń i przenosić drga­nia - nazwano go eterem.
Maxwell sądził, że mierzona na naszej planecie prędkość światła powinna zależeć od prędkości Ziemi względem eteru - gdyż prędkość światła względem eteru powinna być niezmienna.
Prędkość światła zmierzyli między innymi w 1862 roku Francuz Jean Foucault (1819-1868 oraz w 1881 roku Niemiec Albert Michelson ( 1852-1931), który użył udoskonalonej wersji aparatury Francuza. Zamiarem Michelsona było określenie, z jaką prędkością Ziemia porusza się względem eteru, mierzył on więc prędkość światła biegnące­go w różnych kierunkach - zgodnym z ruchem po­stępowym Ziemi i prostopadłym do niego. Jednak nie wykrył żadnych różnic.
Z eksperymentu Michelsona wynikało jasno, że prędkość światła jest stała, niezależnie od ruchu obserwatora. Światło wysyłane z poruszającego się szybko obiektu poruszałoby się więc względem obserwatora z inną prędkością, niż sygnał świetl­ny wysłany z obiektu nieruchomego. Jednak w rze­czywistości prędkość światła pozostaje stała, a zmienia się długość poruszającego się obiektu. Sugestię taką wysunął w 1892 roku irlandzki fizyk George Fitzgerald (1851-1901). Niezależnie pra­cował nad tą kwestią Holender Hendrik Lorentz (1853-1928, który w 1904 roku stworzył mate­matyczne równania określające transformację odle­głości, czasu i masy obiektów poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła. To wła­śnie na podstawie transformacji Lorentza Einstein stworzył swą rewolucyjną teorię względności.
Cząstki i ruch
Albert Einstein urodził się 14 marca 1879 roku w niemieckim mieście Ulm, jednak wkrótce wraz z rodziną przeniósł się do Monachium. Jego talent matematyczny nie objawił się w szkole, ani na stu­diach na Politechnice w Zurychu, którą ukończył w 1900 roku. Po studiach otrzymał podrzędną po­sadę w Szwajcarskim Urzędzie Patentowym w Ber­nie. Swój wolny czas poświęcił jednak fizyce teo­retycznej i w 1905 roku opublikował trzy bardzo istotne prace z tej dziedziny.
Pierwsza tyczyła ruchów Browna, przypadko­wych przemieszczeń niewielkich cząsteczek, które po raz pierwszy zaobserwował w 1827 roku bota­nik Robert Brown (1773-1848, badając zawiesinę pyłku kwiatowego w wodzie. Einstein wyjaśnił, że obserwowane ruchy są wynikiem bombardowania rozpatrywanych cząstek przez molekuły wody i matematycznie wyraził zależności wiążące roz­miary cząstek chemicznych ze średnim kwadratem ich przesunięcia. Do identycznych wyników do­szedł w 1906 roku, niezależnie od Einsteina, pol­ski fizyk Marian Smoluchowski (1872-1917). Teoria Einsteina-Smoluchowskiego została wkrót­ce zweryfikowana eksperymentalnie przez Francu­za Jeana Perrina (1870-1942), który jednocześnie po raz pierwszy wyznaczył dokładnie rozmiary cząsteczek chemicznych.

W drugiej publikacji Einstein potraktował światło jako strumień cząstek, które nazwał kwantami światła (później nadano im nazwę fotonów). Za tę właśnie teorię uhonorowano Einsteina w 1921 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.
Jednak to trzecia z wydanych w 1905 roku publi­kacji przyniosła Einsteinowi największy rozgłos. Traktując światło jako strumień cząsteczek, natych­miast pozbawił podstaw teorie zakładające istnie­nie eteru jako ośrodka rozchodzenia się fal elek­tromagnetycznych. Odrzucenie eteru pozbawiło fizyków bezwzględnego układu odniesienia, wobec którego można byłoby opisywać ruch. Odtąd ruch mógł być określany wyłącznie względem obserwa­tora. Był to jeden z dwóch postulatów, na których Einstein oparł swą szczególną teorię względności. Drugim było założenie statki niezależnej od ruchu obserwatora prędkości światła. Z tych dwóch po­stulatów, używając, jak to powiedziano, „trochę zaledwie więcej niż prostej algebry", Einstein wyliczył, że w układzie poruszającym się następuje efekt zmniejszenia odległości. Jednocześnie okazało się, że czas płynie wolniej, a masa wzrasta.

Nowa mechanika
Długość, czas, masa - dotychczas uważano te wielkości za niezmienne. Okazało się, że podczas ruchu z prędkościami małymi w stosunku do prędkości światła, tak jak te, z którymi mamy do czynienia codziennie, wielkości te nie zmieniają się, tak jak z postulowała fizyka klasyczna. Jednak gdy pręd­kość rośnie, zaczynamy obserwować odstępstwa od tradycyjnego modelu. Gdy prędkość ruchu zrówna się z prędkością światła, okaże się, że dłu­gość skurczy się do zera, a czas przestanie płynąć, podczas gdy masa pędzącego obiektu osiągnie war­tość nieskończenie wielką. Zgodnie z tym modelem żadne obdarzone masą ciało nie może więc poru­szać się z prędkością światła.
W 1907 roku Einstein sformułował swe słynne prawo równoważności masy (m) i energii (E): E = mc2, gdzie „c" to prędkość światła. Oznacza ono między innymi, że wielkie ilości energii są jakby „uwięzione" pod postacią masy. Energię tę uwolnić można, na przykład, w reakcjach jądro­wych lub podczas anihilacji cząstek elementarnych.
Dawny nauczyciel matematyki Einsteina Hermann Minkowski (1864-1909) skonstruował w 1908 roku na bazie einsteinowskich przemyśleń czterowymiarowy model czasoprzestrzeni, skła­dającej się z trzech wymiarów przestrzennych oraz czasu jako czwartego wymiaru. Z tej konstrukcji geometrycznej wypływał rewolucyjny wniosek, że czasu nie można odróżnić w jakiś bezwzględny sposób od przestrzeni.
Szczególna teoria względności opisywała ukła­dy poruszające się względem siebie ze stałymi prędkościami. Einstein przystąpił do pracy nad uogólnieniem tej teorii opisującej zachowanie ukła­dów, które zmieniają prędkość ruchu względnego - tzn. przyspieszają. Wymagało to uwzględnienia efektów grawitacyjnych. Einstein postulował, że masywny obiekt tworzy siły grawitacji przez od­kształcanie czasoprzestrzeni w swoim otoczeniu. Na podstawie tych przemyśleń obliczył, że promie­nie świetlne są zakrzywiane w polu grawitacyjnym. Konkluzję tę potwierdzono eksperymentalnie w 1919 roku, gdy podczas zaćmienia Słońca astro­nomowie zmierzyli, że światło z gwiazd jest odchy­lane w polu grawitacyjnym Słońca o dokładnie taki kąt, jaki wyliczono.
W 1923 roku Francuz Louis de Broglie (1892-1987) stworzył wyrażenie matematyczne opisują­ce falową naturę materii. Einstein przyjął „fale de Broglie'a" z entuzjazmem, co zachęciło Austriaka Erwina Schródingera (1887-1961) do sformuło­wania tzw. mechaniki falowej, będącej w istocie podstawą fizyki kwantowej. Jednak teoria kwan­tów opisywała świat raczej w kategoriach prawdo­podobieństwa, co z kolei nie przekonywało Einsteina. Słynne stało się jego powiedzenie: „Bóg nie gra w kości".
Albert Einstein w 1914 r. został dyrektorem ber­lińskiego Instytutu Fizyki. Na stanowisku pozostał do 1933 roku, do czasu przejęcia władzy w Niem­czech przez Hitlera. Einstein - z pochodzenia Żyd - wyemigrował wtedy do USA, gdzie przyjął stano­wisko na Uniwersytecie Princeton. Nie wrócił już do Niemiec. Zmarł w Princeton w 1955 roku

Podobne prace

Do góry