Альберт Эйнштейн биография

Биография → Биографии на букву А → Альберт Эйнштейн биография

Альберт Эйнштейн биография

Альберт Эйнштейн (14 марта 1879 — 18 апреля 1955) — один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист. Жил в Германии (1879-1893, 1914-1933), Швейцарии (1893-1914) и США (1933-1955). Почетный доктор около 20 ведущих университетов мира, член многих Академий наук, в том числе иностранный почетный член АН СССР (1926).

Эйнштейн — автор более 300 научных работ по физике, а также около 150 книг и статей в области истории и философии науки, публицистики и др.. Он разработал несколько значительных физических теорий:

Специальная теория относительности (1905).
В ее рамках — закон взаимосвязи массы и энергии: E = mc2.
Общая теория относительности (1907 — 1916).
Квантовая теория фотоэффекта и теплоемкость.
Квантовая статистика Бозе-Эйнштейна.
Статистическая теория броуновского движения, заложив основы теории флуктуаций.
Теория индуцированного излучения.

Он также предсказал «квантовую телепортацию» и гиромагнитный эффект Эйнштейна-де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Активно выступал против войны, против применения ядерного оружия, за гуманизм, уважение прав человека, взаимопонимание между народами.

Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот новых физических концепций и теорий. В первую очередь это касается пересмотра понимания физической сущности пространства и времени, и построения новой теории гравитации, заменившая ньютоновскую. Эйнштейн также, вместе с Планком, заложил основы квантовой теории. Эти концепции, многократно подтвержденные экспериментами, образуют фундамент современной физики.

Ранние годы

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в южно-германском городе Ульм, в небогатой еврейской семье. Его родители поженились за три года до рождения сына, 8 августа 1876 года. Отец, Герман Эйнштейн (1847 — 1902), был в это время совладельцем небольшого предприятия по производству перьевой набивки для матрасов и перин. Мать, Паулина Эйнштейн (урожд. Кох, 1858 — 1920) происходила из семьи состоятельного торговца кукурузой Юлиуса Дерцбахера (в 1842 году сменил фамилию на Кох) и Йетты Бернхаймер. Летом 1880 года семья переселилась в Мюнхен, где Герман Эйнштейн вместе с братом Якобом основал небольшую фирму по торговле электрическим оборудованием. В Мюнхене родилась младшая сестра Эйнштейна Мария (Майя, 1881 — 1951).

Начальное образование Альберт Эйнштейн получил в местной католической школе. В 12-летнем возрасте пережил состояние глубокой религиозности, однако вскоре чтение научно-популярных книг сделало его вольнодумцем и навсегда породило скептическое отношение к авторитетам. Из детских впечатлений Эйнштейн позже вспоминал: компас, «Начала» Евклида и (около 1889 года) «Критику чистого разума» Канта. Кроме того, по инициативе матери он с шести лет начал заниматься игрой на скрипке. Увлечение музыкой сохранялось у Эйнштейна на протяжении всей жизни. Находясь в США в Принстоне, в 1934 году Альберт Эйнштейн дал благотворительный концерт, где исполнял на скрипке произведения Моцарта в пользу эмигрировавших из нацистской Германии.

В гимназии он не был в числе первых учеников (исключение составляли математика и латынь). Укоренившаяся система механического заучивания материала (которая, по его мнению, наносит вред самому духу учебы и творческому мышлению), а также авторитарное отношение учителей к ученикам вызывало у Альберта Эйнштейна неприятие, поэтому он часто спорил со своими преподавателями.

В 1894 году Эйнштейны переехали из Мюнхена в итальянский город Павию, близ Милана, куда братья Герман и Якоб перевели свою фирму. Сам Альберт оставался с родственниками в Мюнхене еще некоторое время, чтобы окончить все шесть классов гимназии. Так и не получив аттестата зрелости, в 1895 году он присоединился к своей семье в Павии.

Осенью 1895 года Альберт Эйнштейн прибыл в Швейцарию, чтобы сдать вступительные экзамены в Высшее техническое училище (Политехникум) в Цюрихе и стать преподавателем физики. Блестяще проявив себя на экзамене по математике, он в то же время провалил экзамены по ботанике и французскому языку, что не позволило ему поступить в Цюрихский Политехникум. Однако директор училища посоветовал молодому человеку поступить в выпускной класс школы в Аарау (Швейцария), чтобы получить аттестат и повторить поступление.

В кантональной школе Аарау Альберт Эйнштейн посвящал свое свободное время изучению электромагнитной теории Максвелла. В сентябре 1896 года он успешно сдал все выпускные экзамены в школе, за исключением экзамена по французскому языку, и получил аттестат, а в октябре 1896 года был принят в Политехникум на педагогический факультет. Здесь он подружился с однокурсником, математиком Марселем Гроссманом (1878 — 1936), а также познакомился с сербской студенткой факультета медицины Милевой Марич (на 4 года старше его), впоследствии ставшей его женой. В этом же году Эйнштейн отказался от германского гражданства. Чтобы получить швейцарское гражданство, требовалось уплатить 1000 швейцарских франков, однако бедственное материальное положение семьи позволило ему сделать это только через 5 лет. Предприятие отца в этом году окончательно разорилось, родители Эйнштейна переехали в Милан, где Герман Эйнштейн, уже без брата, открыл фирму по торговле электрооборудованием.

Стиль и методика преподавания в политехникуме существенно отличались от и авторитарной прусской школы, поэтому дальнейшее обучение давалось юноше легче. У него были лучшие преподаватели, в том числе замечательный геометр Герман Минковский (его лекции Эйнштейн часто пропускал, о чем потом искренне сожалел) и аналитик Адольф Гурвиц.

Начало научной деятельности

В 1900 году Эйнштейн закончил Политехникум, получив диплом преподавателя математики и физики. Экзамены он сдал успешно, но не блестяще. Многие профессора высоко оценивали способности студента Эйнштейна, но никто не захотел помочь ему продолжить научную карьеру. Сам Эйнштейн позже вспоминал:

Меня четвертовали мои профессора, которые не любили меня из-за моей независимости и закрыли мне путь в науку.

Хотя в следующем, 1901 году, Эйнштейн получил гражданство Швейцарии, но вплоть до весны 1902 года не мог найти постоянное место работы — даже школьным учителем. Вследствие отсутствия заработка он голодал, не принимая пищу несколько дней подряд. Это стало причиной болезни печени, от которой ученый страдал до конца жизни.

Несмотря на сложности, которые преследовали его в 1900 -1902 гг., Эйнштейн находил время для дальнейшего изучения физики. В 1901 г. берлинские «Анналы физики» опубликовали его первую статью «Следствия теории капиллярности» (Folgerungen aus den Capillarit? Tserscheinungen), посвященную анализу силы притяжения между атомами жидкости на основе теории капиллярности.

Преодолеть трудности помог бывший однокурсник Марсель Гроссман, который рекомендовал Эйнштейна на должность эксперта III класса в Федеральное Бюро патентования изобретений (Берн) с окладом 3 500 франков в год (в годы студенчества он жил на 100 франков в месяц).

Эйнштейн работал в Бюро патентов с июля 1902 по октябрь 1909, занимаясь преимущественно экспертной оценкой заявок на изобретения. В 1903 году он стал постоянным работником Бюро. Характер работы позволял Эйнштейну посвящать свободное время исследованиям в области теоретической физики.

В октябре 1902 г. Эйнштейн получил известие из Италии о болезни отца, Герман Эйнштейн умер через несколько дней после приезда сына.

6 января 1903 Эйнштейн женился на двадцатисемилетней Милеве Марич. У них родились трое детей.

1905 — «Год чудес»

1905 вошел в историю физики как «Год чудес» (лат. Annus Mirabilis). В этом году «Анналы физики», ведущий физический журнал Германии, опубликовал три выдающиеся статьи Эйнштейна, положившие начало новой научной революции:

1. «К электродинамике движущихся тел» (нем. Zur Elektrodynamik bewegter K? Rper). С этой статьи начинается теория относительности.

2. «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» (нем.? Ber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt). Одна из работ, заложивших фундамент квантовой теории.

3. «О движении взвешенных в спокойной жидкости частиц» (нем.? Ber die von der molekularkinetischen Theorie der W? Rme geforderte Bewegung von in ruhenden Fl? Ssigkeiten suspendierten Teilchen) — работа, посвященная броуновскому движению, что существенно повлияло на статистическую физику.

Специальная теория относительности

На протяжении всего XIX века материальным носителем электромагнитных явлений считалась гипотетическая среда — эфир. Однако к началу XX века выяснилось, что свойства этой среды трудно согласовать с классической физикой. С одной стороны, аберрация света наталкивает на мысль, что эфир абсолютно неподвижен, с другой — опыт Физо свидетельствовал в пользу гипотезы, что эфир частично увлекается движущейся материи. Опыты Майкельсона (1881), однако, показали, что никакого «эфирного ветра» не существует.

В 1892 году Лоренц и (независимо от него) Джордж Фитцджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Оставалось, однако, открытым вопрос, почему длина сокращается именно в таких пропорциях, чтобы компенсировать «эфирный ветер» и не дать обнаружить существование эфира. Одновременно изучался вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые Лармор (1900) и Пуанкаре (1905), последний доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца.

Пуанкаре также дал обобщенную формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. Однако он продолжал признавать эфир, хотя придерживался мнения, что его никогда не удастся найти. В докладе на физическом конгрессе (1900) Пуанкаре впервые высказывает мысль, что одновременность событий не абсолютна, а представляет собой условное соглашение («конвенцию»). Было высказано также предположение о предельной скорости света. Таким образом, в начале XX века существовали две несовместимые кинематики: классическая, с преобразованиями Галилея, и электромагнитная, с преобразованиями Лоренца.

Эйнштейн, размышляя на эти темы в значительной степени независимо, предположил, что первая есть приближенный случай второй для малых скоростей, а то, что считалось свойствами эфира, есть на деле проявление объективных свойств пространства и времени. Эйнштейн пришел к выводу, что нелепо привлекать понятие эфира только для того, чтобы доказать невозможность его наблюдения, и что корень проблемы лежит не в динамике, а глубже — в кинематике. В упомянутой выше статье «К электродинамике движущихся тел» он предложил два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света, из них легко выводятся лоренцево сокращение, формулы преобразования Лоренца, относительность одновременности, ненужность эфира, новая формула сложения скоростей, возрастание инерции со скоростью и т. д. В другой его статье, которая вышла в конце года, появилась формула E = mc2, определяющая связь массы и энергии.

Часть ученых сразу приняли эту теорию, которая позднее получила название «специальная теория относительности» (СТО) Планк (1906) и сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику. Бывший учитель Эйнштейна, Минковский, в 1907 году представил математическую модель кинематики теории относительности в виде геометрии четырехмерного неевклидова мира и разработал теорию инвариантов этого мира (первые результаты в этом направлении опубликовал Пуанкаре в 1905 году).

Однако многие ученые сочли «новую физику» чересчур революционной. Она отменяла эфир, абсолютное пространство и абсолютное время, пересматривала механику Ньютона, которая 200 лет служила опорой физики и неизменно подтверждалась наблюдениями. Время в теории относительности течет по-разному в разных системах отсчета, инерция и длина зависят от скорости, движение быстрее света невозможно, возникает «парадокс близнецов» — все эти необычные следствия были неприемлемы для консервативной части научного сообщества. Дело осложнялось также тем, что специальная теория не предсказывала поначалу никаких новых эффектов, которые можно было бы наблюдать, а опыты Вальтера Кауфманна (1905 — 1909) многие истолковывали как опровержение камня СТО — принципа относительности (этот аспект окончательно прояснился, в пользу теории , только в 1914 — 1916 годах). Некоторые физики уже после 1905 года пытались разработать альтернативные теории (например, Ритц в 1908 году), однако позже выяснилось неустранимое расхождение этих теорий с экспериментом.

Многие выдающиеся физики остались верными классической механике и концепции эфира, среди них Лоренц, Дж. Дж. Томсон, Ленард, Лодж, Нернст, Он. При этом некоторые из них (например, сам Лоренц) не отвергали результатов специальной теории относительности, однако интерпретировали их в духе теории Лоренца, предпочитая смотреть на пространственно-временную концепцию Эйнштейна-Минковского как на чисто математический прием.

Решающим аргументом в пользу истинности теории относительности стали опыты по проверке. Впоследствии постепенно накапливались и опытные подтверждения самой теории относительности. На ней базируется квантовая теория поля, теория ускорителей, она учитывается при проектировании и работе спутниковых систем навигации и т. д.

Квантовая теория

Для решения проблемы, вошедшей в историю под названием «Ультрафиолетовая катастрофа», и соответствующего согласования теории с экспериментом Макс Планк предположил (1900), что поглощение света веществом происходит дискретно (неделимыми порциями), и энергия поглощаемой порции зависит от частоты света. Некоторое время эту гипотезу даже сам ее автор рассматривал как условный математический прием, однако Эйнштейн во второй из вышеупомянутых статей предложил идущее ее обобщение, с успехом применил для объяснения свойств фотоэффекта. Эйнштейн выдвинул тезис, что не только процесс поглощения, но и само электромагнитное излучение дискретно; позднее эти порции (кванты) получили название «фотоны». Этот тезис позволил ему объяснить две загадки фотоэффекта: почему фототок возникал не при всякой частоте света, а лишь начиная с определенного порога, зависящего только от вида металла, а энергия и скорость вылетающих электронов зависели не от интенсивности света, а от его частоты . Теория фотоэффекта Эйнштейна с высокой точностью соответствовала опытным данным, что позднее подтвердили эксперименты Милликена (1916).

Первоначально эти взгляды воспринимались большинством физиков, Эйнштейну пришлось убеждать даже Планка в реальности квантов. Однако, накопились опытные данные, которые убедили скептиков в дискретности электромагнитной энергии. Последнюю точку в споре поставил эффект Комптона (1923).

В 1907 году Эйнштейн опубликовал квантовую теорию теплоемкости (старая теория при низких температурах сильно расходилась с экспериментом). Позже (1912) Дебай, Борн и Карман уточнили теорию теплоемкости Эйнштейна, достигнуто отличное согласие с опытом.

Броуновское движение

В 1827 году Роберт Броун наблюдал под микроскопом, а впоследствии описал хаотическое движение цветочной пыльцы, плавает в воде. Эйнштейн, на основе молекулярной теории, разработал статистико-математическую модель подобного движения, причем на основании его модели можно было, помимо прочего, с поразительной точностью оценить размер молекул и их количество в единице объема. Одновременно аналогичным выводам пришел Смолуховский, статья была опубликована на несколько месяцев позже, чем эйнштейновская.

Свои работы по статистической механике, под названием «Новое определение размеров молекул», Эйнштейн представил в политехникуме как диссертацию и в том же 1905 году получил звание доктора философии (эквивалент кандидата естественных наук). В следующем году Эйнштейн развил свою теорию в новой статье «К теории броуновского движения», и в дальнейшем неоднократно возвращался к этой теме.

Вскоре (1908) измерения Перрена полностью подтвердили адекватность модели Эйнштейна, что стало первым экспериментальным доказательством молекулярно-кинетической теории, постоянно ставилась под сомнение позитивистами.

Макс Борн писал (1949): «Я думаю, что эти исследования Эйнштейна больше, чем все другие работы, убеждают физиков в реальности атомов и молекул, в справедливости теории теплоты и фундаментальной роли вероятности в законах природы». Работы Эйнштейна по статистической физике цитируются даже чаще, чем его работы по теории относительности. Выведенная им формула для коэффициента диффузии и его связи с дисперсией координат получила применение в самом общем классе задач: марковские процессы диффузии, электродинамика и т. п.

Позже, в статье «К квантовой теории излучения» (1917) Эйнштейн, исходя из статистических соображений, впервые предположил существование нового вида излучения, происходящего под воздействием внешнего электромагнитного поля («индуцированных излучений»). В начале 1950-х годов был предложен способ усиления света и радиоволн, основанный на использовании индуцированного излучения, а в последующие годы оно легло в основу теории лазеров.

Берн — Цюрих — Прага — Цюрих — Берлин (1905-1914)

Читать еще