• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Albert Einstein

    18.09.2009. 21:04
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Największy uczony XX w. i jeden z najwybitniejszych umysłów w historii. Żył w latach 1879-1955. Znany jest przede wszystkim jako twórca teorii względności. Nazwa ta obejmuje właściwie dwie teorie; pierwsza to szczególna teoria względności, sformułowana w 1905 r., druga zaś to ogólna teoria względności, sformułowana w 1915 r. Tę ostatnią byłoby chyba lepiej nazwać Einsteina prawem grawitacji. Obie teorie są bardzo skomplikowane; nie zamierzam tu ich wyjaśniać, ale chciałbym poświęcić kilka uwag szczególnej teorii względności.

    Powszechnie znana maksyma mówi, że "wszystko jest względne". Teoria Einsteina nie jest jednak powtórzeniem tego filozoficznego banału, ale precyzyjnym matematycznym twierdzeniem, określającym względność pomiarów naukowych. Oczywiste jest, że subiektywne postrzeganie czasu i przestrzeni zależy od obserwatora. Jednakże przed Einsteinem większość ludzi uważała, że za tymi subiektywnymi wrażeniami kryje się czas absolutny i rzeczywiste odległości, które można mierzyć w sposób obiektywny za pomocą dokładnych przyrządów pomiarowych. Einstein odrzucił pojęcie czasu absolutnego, co spowodowało rewolucję w nauce. Poniższy przykład ilustruje, w jak radykalny sposób jego teoria zmieniła nasze pojęcia czasu i przestrzeni.

    Wyobraźmy sobie statek kosmiczny X, oddalający się od Ziemi z szybkością 100000 kilometrów na sekundę. Szybkość tę mierzą dwaj obserwatorzy, z których jeden znajduje się na statku kosmicznym, a drugi na Ziemi. Wyniki ich pomiarów są identyczne. Drugi statek kosmiczny Y leci dokładnie w tym samym kierunku co statek X, ale ze znacznie większą szybkością. Mierząc prędkość statku Y, obserwator znajdujący się na Ziemi stwierdza, że statek ten oddala się od niego z szybkością 180000 kilometrów na sekundę. Obserwator lecący na statku Y otrzymał ten sam wynik.

    Skoro oba statki poruszają się w tym samym kierunku, to wydaje się, że różnica ich szybkości wynosi 80 000 kilometrów na sekundę i szybszy statek oddala się od wolniejszego z tą właśnie szybkością. Jednak z teorii Einsteina wynika, że jeśli odpowiednie pomiary wykonają obserwatorzy podróżujący na statkach- kosmicznych X i Y, to stwierdzą oni zgodnie, że odległość między nimi wzrasta z szybkością 100000, a nie 80000 kilometrów na sekundę.

    Na pozór wydaje się, że wynik ten jest w oczywisty sposób błędny. Czytelnik może podejrzewać, że chodzi tu o jakąś sztuczkę w opisie sytuacji lub że nie wspomniałem o jakimś istotnym szczególe. Wcale nie. Wynik ten nie ma nic wspólnego ze szczegółami budowy obu statków ani ich silników. Nie jest również wynikiem błędnej obserwacji czy wady przyrządów pomiarowych. Rzecz nie polega też na jakimś triku. Zgodnie ze szczególną teorią względności rezultat ten (który możemy z łatwością obliczyć ze wzoru Einsteina na składanie prędkości) wynika jedynie z zasadniczej natury czasu i przestrzeni.

    Wszystko to wydawać się może czystą teorią - i rzeczywiście, przez lata wielu ludzi nie traktowało poważnie teorii względności, uważając ją za oderwaną od życia akademicką hipotezę bez żadnego praktycznego znaczenia. Oczywiście, po roku 1945, kiedy to zrzucono bomby atomowe na Hiroszimę i Nagasaki, nikt już nie popełnił tego błędu. Z teorii względności Einsteina wynika między innymi, że materia i energia są w pewnym sensie równoważne, przy czym ich zależność opisuje wzór E=mc2, w którym E oznacza energię, m - masę, a c - prędkość światła. Skoro c wynoszące 300 000 kilometrów na sekundę jest już bardzo dużą wielkością, to c2 (tzn. c mnożone przez c) jest po prostu wielkością olbrzymią. Wynika z tego, że nawet częściowa przemiana małej ilości materii wyzwala ogromną ilość energii. Oczywiście, nie można zrobić bomby atomowej ani zbudować elektrowni jądrowej opierając się wyłącznie na wzorze E=mc2. Należy sobie uświadomić, że w pracach nad wykorzystaniem energii atomowej odegrało ważną rolę wielu innych ludzi, ale znaczenie wkładu Einsteina jest bezdyskusyjne. Co więcej, to właśnie list Einsteina przekazany prezydentowi Rooseveltowi w 1939 r., wskazujący na możliwość skonstruowania broni atomowej i podkreślający wagę, jaką ma wyprzedzenie Niemców przez Stany Zjednoczone w budowie takiej broni, przyczynił się do rozpoczęcia prac nad Projektem Manhattan, które doprowadziły do zbudowania pierwszej bomby atomowej. Szczególna teoria względności budziła ostre kontrowersje, ale wszyscy zgadzali się, że jest to najbardziej zdumiewająca teoria naukowa, jaka była i będzie kiedykolwiek stworzona. Pod tym względem wszyscy się mylili, albowiem punktem wyjścia ogólnej teorii względności Einsteina jest założenie, że przyciąganie grawitacyjne nie wynika z działania sił fizycznych w normalnym rozumieniu tego pojęcia, ale jest rezultatem zakrzywienia samej przestrzeni. Trudno o bardziej zdumiewający pomysł! Jak można zmierzyć zakrzywienie przestrzeni? Co to w ogóle znaczy, że przestrzeń jest zakrzywiona? Einstein nie tylko wysunął taką teorię, ale nadał jej jasną formę matematyczną, dzięki czemu jego teoria pozwala wysuwać dokładne i nadające się do doświadczalnego sprawdzenia przewidywania. Przeprowadzone obserwacje - z których najdonioślejsze zostały zrobione w czasie całkowitego zaćmienia Słońca - wielokrotnie potwierdziły prawidłowość równań Einsteina.


    Ogólna teoria względności pod wieloma względami różni się od innych teorii naukowych. Po pierwsze, Einstein nie oparł swojej teorii na dokładnych eksperymentach, lecz przy jej formułowaniu kierował się raczej względami symetrii i matematycznej elegancji a więc pozostawał na gruncie rozumowym, racjonalistycznym (racjonalizm rozumiany tu jest jako przeciwieństwo empiryzmu), podobnie jak usiłowali to czynić filozofowie greccy i średniowieczni scholastycy. Tak postępując Einstein przeciwstawił się empirycznemu nastawieniu nowożytnej nauki. O ile jednak szukającym piękna i symetrii Grekom nie udało się znaleźć teorii dynamicznej, która wytrzymałaby decydujący sprawdzian eksperymentu, o tyle teoria Einsteina, jak do tej pory, przechodzi z powodzeniem każdy test. Wskutek takiego podejścia Einsteinowska ogólna teoria względności jest powszechnie uznawana za najpiękniejszą, największą, najbardziej elegancką i intelektualnie zadowalającą ze wszystkich teorii naukowych.

    Ogólna teoria względności wyróżnia się także pod innym względem. Większość praw naukowych ma charakter przybliżony, tzn. sprawdzają się one w wielu okolicznościach, ale nie we wszystkich. O ile nam wiadomo, od teorii względności nie ma wyjątków. Nieznane są warunki, teoretyczne lub doświadczalne, w których przewidywania ogólnej teorii względności sprawdziłyby się tylko w przybliżeniu. Przyszłe doświadczenia mogą jeszcze zepsuć ten wspaniały bilans, ale na razie ze wszystkich teorii naukowych ogólna teoria względności jest najbliższa ostatecznej prawdy. Najlepiej znanymi osiągnięciami Einsteina są dwie teorie względności, ale inne dokonania oczywiście też zapewniłyby mu sławę naukową. W istocie, Einstein uzyskał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przede wszystkim za pracę wyjaśniającą ważne zjawisko fotoelektryczne, które stanowiło do owego czasu zagadkę dla fizyków. W swoim opracowaniu założył, że istnieją fotony, czyli cząstki światła. Ponieważ na długo przedtem stwierdzono w doświadczeniach poświęconych interferencji, że światło składa się z fal elektromagnetycznych, fale zaś i cząstki uznawano za pojęcia w sposób oczywisty przeciwstawne, wobec tego hipoteza Einsteina stanowiła radykalne i paradoksalne zaprzeczenie klasycznej teorii. Okazało się jednak, że jego wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego ma duże znaczenie praktyczne, a hipoteza istnienia fotonów wywarła istotny wpływ na rozwój teorii kwantów i stanowi obecnie jej integralną część.

    Przy ocenie znaczenia Einsteina nasuwa się porównanie z Isaakiem Newtonem. Teorie Newtona są w zasadzie łatwe do zrozumienia, a jego geniusz wyraził się w tym, że to on pierwszy je sformułował. Natomiast teorie względności Einsteina są bardzo trudne do zrozumienia, nawet gdy ktoś korzysta ze szczegółowych objaśnień. O ile zatem trudniej było je stworzyć! Niektóre koncepcje Newtona stały w radykalnej sprzeczności z panującymi ówcześnie poglądami naukowymi, jednak jego teoria nigdy nie wydawała się wewnętrznie sprzeczna. Inaczej jest w wypadku teorii względności, która obfituje w paradoksy. Geniusz Einsteina polegał między innymi na tym, że na samym początku, kiedy jego koncepcje wciąż jeszcze były nie sprawdzonymi hipotezami początkującego badacza, w obliczu jawnych sprzeczności nie poddał się i nie zrezygnował. Zamiast tego pracował usilnie, dopóki nie zdołał wykazać, że sprzeczności są jedynie pozorne i w każdym przypadku istnieje subtelny, ale poprawny sposób rozwiązania paradoksu ? Dziś uważamy, że teoria Einsteina jest w istocie bardziej "poprawna" niż teoria Newtona. Dlaczego zatem Einstein znajduje się niżej na naszej liście? Przede wszystkim dlatego, że teorie Newtona położyły podwaliny pod nowożytną naukę i technologię. W większości dziedzin techniki osiągnięty obecnie poziom wcale by się nie zmienił, gdybyśmy wciąż znali jedynie odkrycia Newtona, nie zaś Einsteina.

    Istnieje jeszcze inny czynnik, który wpłynął na takie właśnie usytuowanie Einsteina na liście. W większości wypadków do rozwoju jakiejś ważnej idei przyczyniło się wielu ludzi. Tak było z pewnością z historią socjalizmu czy rozwojem elektromagnetyzmu. Powstanie teorii względności nie było stuprocentową zasługą samego tylko Einsteina, ale to on przyczynił się do tego w największym stopniu. Należy uczciwie powiedzieć, że teorie względności są dziełem jednego, wybitnego geniusza w stopniu daleko większym niż jakiekolwiek inne idee o porównywalnym znaczeniu.


    Einstein urodził się w 1879 r. w Ulm w Niemczech. Uczęszczał do szkoły średniej w Szwajcarii, został obywatelem szwajcarskim w 1901 r. Otrzymał stopień doktorski w 1905 r. na uniwersytecie w Zurychu, ale wówczas nie udało mu się uzyskać posady na jakiejś wyższej uczelni. W tym samym roku opublikował swoje prace na temat szczególnej teorii względności, zjawiska fotoelektrycznego i teorii ruchów Browna. W ciągu paru lat prace te, a zwłaszcza praca na temat względności, sprawiły, że zaczął być uważany za jednego z najwybitniejszych i najbardziej oryginalnych uczonych na świecie. Jego teorie były wysoce kontrowersyjne; żaden z nowożytnych uczonych, z wyjątkiem Darwina, nie wzbudził tylu sporów co Einstein. Mimo to w 1913 r. został mianowany profesorem na uniwersytecie w Berlinie i w tym samym czasie został dyrektorem Instytutu Fizyki Cesarza Wilhelma i członkiem Pruskiej Akademii Nauk. Stanowiska te dały mu możliwość poświęcenia tyle czasu na badania naukowe, ile sam pragnął. Rząd niemiecki nie miał żadnych powodów, by żałować, iż tak niezwykle hojnie obdarzył Einsteina stanowiskami: już dwa lata później Einsteinowi udało się sformułować ogólną teorię względności, a w 1921 r. przyznano mu Nagrodę Nobla. W drugiej połowie życia Einstein cieszył się światową sławą; był prawdopodobnie najsłynniejszym uczonym w historii.

    Ze względu na żydowskie pochodzenie Einsteina jego sytuacja w Niemczech po dojściu Hitlera do władzy stała się niebezpieczna. W 1933 r. przeniósł się więc do Princeton w stanie New Jersey, gdzie pracował w Institute for Advanced Study, a w 1940 r. został obywatelem Stanów Zjednoczonych. Pierwsze małżeństwo Einsteina zakończyło się rozwodem, drugie było chyba szczęśliwe. Z pierwszą żoną miał dwoje dzieci, chłopców. Zmarł w 1955 roku w Princeton.

    Einstein interesował się zawsze sprawami otaczającego go świata i często zabierał głos w kwestiach politycznych. Był konsekwentnym przeciwnikiem politycznej tyranii, zagorzałym pacyfistą i zdecydowanym stronnikiem syjonizmu. W sprawach ubrania i zwyczajów towarzyskich był wyraźnym indywidualistą. Miał wielkie poczucie humoru, cechowała go skromność. Był także dość utalentowanym skrzypkiem. Treść napisu, jaki widnieje na nagrobku Newtona, zapewne w jeszcze większym stopniu pasowałaby do Einsteina: "Niech cieszą się śmiertelnicy, że istniała tak wielka ozdoba rasy ludzkiej!"

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Synchronizacja standardowa – wprowadzona przez Einsteina synchronizacja zegarów w szczególnej teorii względności. Ze względu na pamięć twórców szczególnej teorii względności nazywana także synchronizacją Einsteina-Poincaré. Oparta na założeniu o stałej prędkości światła w każdym z kierunków. Most Einsteina-Rosena (ang. Einstein-Rosen-bridge) zwany również Tunelem Schwarzschilda to odmiana tunelu czasoprzestrzennego odkryta teoretycznie w 1935 roku przez Alberta Einsteina i Nathana Rosena w ramach badań teorii względności. Nazwą tą określano początkowo wszystkie modele tuneli czasoprzestrzennych, aż w miarę teoretycznego odkrywania tuneli o innych cechach w literaturze angielskojęzycznej przyjęła się nazwa wormhole. Dziś określenie mostu Einsteina-Rosena stosuje się tylko do pierwotnego modelu odkrytego w 1935 roku. Choć teoria względności dopuszcza tunele czasoprzestrzenne jak most Einsteina-Rosena, to nie ma pewności co do tego, czy rzeczywiście mogłyby one istnieć w realnych warunkach fizycznych. Dylatacja czasu – zjawisko różnic w pomiarze czasu dokonywanym równolegle w dwóch różnych układach odniesienia, z których jeden przemieszcza się względem drugiego. Pomiar dotyczy czasu trwania tego samego zjawiska. Zjawisko było przewidziane w szczególnej teorii względności Alberta Einsteina i następnie potwierdzone doświadczalnie.

    Ogólna teoria względności (OTW) – popularna nazwa teorii grawitacji formułowanej przez Alberta Einsteina w latach 1907–1915, a opublikowanej w roku 1916. Przesłanki powstania szczególnej teorii względności stały się podstawą do sformułowania tej teorii w roku 1905 przez Alberta Einsteina w jego pracy "O elektrodynamice ciał w ruchu". Zjawisko ruchu ciał fascynowało już starożytnych greckich filozofów. Arystoteles uznał, że istnieje absolutny układ odniesienia, a więc odrzucał względność jako zasadę. Pogląd ten podważył Galileusz, który badając ruch ciał doszedł do wniosku, że prędkość i pozycja ciała jest względna. Później idea ta został zapisana matematycznie w postaci transformacji Galileusza, która stała się fundamentem fizyki Newtona.

    Detekcja fal grawitacyjnych – eksperyment mający na celu wykrycie i zbadanie własności fal grawitacyjnych – znikomo małych zaburzeń czasoprzestrzeni, których istnienie przewidywane jest przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina. Metryka Gödla – rozwiązanie równań Einsteina ogólnej teorii względności, w którym tensor energii-pędu zawiera dwa określenia, pierwsze reprezentuje gęstość materii homogenicznie rozmieszczonych wirujących cząsteczek pyłu, druga związana jest z niezerową stałą kosmologiczną.

    Linie geodezyjne w metryce Schwarzschilda: W ogólnej teorii względności linie geodezyjne w metryce Schwarzschilda opisują ruch infinitezymalnie małej masy próbnej w polu grawitacyjnym wytworzonym przez nieruchomą, nierotującą masę centralną. Rozwiązanie równań Einsteina opisujące ten przypadek to rozwiązanie Schwarzschilda uzyskane w 1915 roku przez niemieckiego fizyka Karla Schwarzschilda. Otrzymanie tego rozwiązania oraz zbadanie geodezyjnych w tej metryce odegrało ważną rolę we wczesnym eksperymentalnym potwierdzeniu teorii względności, gdyż z bardzo dobrym przybliżeniem opisują one ruch ciał w polu grawitacyjnym wytwarzanym przez Słońce. Pozwoliło to teoretycznie wytłumaczyć obserwowany ruch peryhelium Merkurego (oraz innych planet) oraz przewidzieć zjawisko ugięcia promieni świetlnych w polu grawitacyjnym Słońca. Były to pierwsze dwa testy potwierdzające prawdziwość ogólnej teorii względności. (2001) Einstein – planetoida z pasa głównego asteroid okrążająca Słońce w ciągu 2 lat i 252 dni w średniej odległości 1,93 j.a. Została odkryta 5 marca 1973 roku w Zimmerwaldzie, w Szwajcarii przez Paula Wilda. Nazwa planetoidy została nadana na cześć Alberta Einsteina, fizyka-teoretyka, twórcy szczególnej i ogólnej teorii względności. Przed nadaniem nazwy planetoida nosiła oznaczenie tymczasowe (2001) 1973 EB.

    Metryka Kerra – ścisłe, stacjonarne i osiowosymetryczne rozwiązanie równania Einsteina ogólnej teorii względności w próżni opisujące geometrię czasoprzestrzeni wokół obracającego się ważkiego ciała. Zostało ono znalezione w 1963 przez Roya P. Kerra, nowozelandzkiego matematyka.

    Tunel czasoprzestrzenny (ang. wormhole), początkowo też nazywany mostem Einsteina-Rosena – hipotetyczna właściwość topologiczna czasoprzestrzeni będąca rodzajem „skrótu” pomiędzy co najmniej dwoma obszarami Wszechświata lub rodzajem mostu łączącego wszechświaty. Tunele czasoprzestrzenne są przedmiotem poszukiwań i sporów współczesnych fizyków. Nie zanotowano dotąd żadnych obserwacyjnych wskazówek na ich istnienie, choć ogólna teoria względności Alberta Einsteina dopuszcza istnienie tuneli w niektórych modelach czasoprzestrzeni.

    Dodano: 18.09.2009. 21:04  


    Najnowsze