Идея Эйнштейна состояла в том, чтобы установить соответствие между фотоном (квантом электромагнитной энергии) и энергией выбитого с поверхности металла электрона. Каждый фотон выбивает один электрон. Кинетическая энергия электрона (энергия, связанная с его скоростью) равна энергии, оставшейся от энергии фотона за вычетом той ее части, которая израсходована на то, чтобы вырвать электрон из металла. Чем ярче свет, тем больше фотонов и больше число выбитых с поверхности металла электронов, но не их скорость. Более быстрые электроны можно получить, направляя на поверхность металла излучение с большей частотой, так как фотоны такого излучения содержат больше энергии.
В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:
E = hv, где h -- постоянная Планка.
Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную воду продают в бутылках, но отсюда совсем не следует, что вода имеет прерывистую структуру и состоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E = hv сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота v света больше минимального значения. Ведь чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы. Предельную частоту, называют красной границей фотоэффекта.
Для цинка красной границе соответствует длина волны м (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи.
Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому в опыте использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны, соответствующая красной границе, больше. Пользуясь уравнением Эйнштейна можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света v, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Точно такое же значение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления -- теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом. Уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. В современной физике фотон рассматривается как одна их элементарных частиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона.
Эйнштейн выдвинул еще одну смелую гипотезу, предположив, что свет обладает двойственной природой. Как показывают проводившиеся на протяжении веков оптические эксперименты, свет может вести себя как волна, но, как свидетельствует фотоэлектрический эффект, и как поток частиц. Правильность предложенной Эйнштейном интерпретации фотоэффекта была многократно подтверждена экспериментально, причем не только для видимого света, но и для рентгеновского и гамма-излучения.
Таким образом, Эйнштейну принадлежит теоретическое открытие фотона, экспериментально обнаруженного в 1922 году А.Комптоном. А в 1924 году Луи де Бройль сделал еще один шаг в преобразовании физики, предположив, что волновыми свойствами обладает не только свет, но и материальные объекты, например электроны. Идея де Бройля также нашла экспериментальное подтверждение и заложила основы квантовой механики.
Работы Эйнштейна позволили объяснить флуоресценцию, фотоионизацию и загадочные вариации удельной теплоемкости твердых тел при различных температурах и др., которые не могла объяснить электромагнитная теория света.
В 1922 году Эйнштейну была вручена Нобелевская премия по физике 1921 года «за заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». «Закон Эйнштейна стал основой фотохимии так же, как закон Фарадея - основой электрохимии»,- заявил на представлении нового лауреата Сванте Аррениус из Шведской королевской академии. Условившись заранее о выступлении в Японии, Эйнштейн не смог присутствовать на церемонии и свою Нобелевскую лекцию прочитал лишь через год после присуждения ему премии.
3.3 Частная (специальная) теория относительности
Наибольшую известность Эйнштейну все же принесла теория относительности, изложенная им впервые в том же 1905 году, в статье «К электродинамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. В то время большинство физиков полагало, что световые волны распространяются в эфире - загадочном веществе, которое, как принято было думать, заполняет всю Вселенную. Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось. Поставленный в 1887 году Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом Морли эксперимент по обнаружению различия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль и поперек направления движения Земли, дал отрицательный результат. Если бы эфир был носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, как звук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемой скорости света или вычитаться из нее, подобно тому как река влияет, с точки зрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на веслах по течению или против течения.
Нет оснований утверждать, что специальная теория относительности Энштейна была создана непосредственно под влиянием эксперимента Майкельсона-Морли, но в основу ее были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики.
Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени: ни один материальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает, чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее. Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру. Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y и z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени, с точки зрения другого.
Из других выводов, к которым приводит специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии. Масса m представляет собой своего рода «замороженную» энергию E, с которой связана соотношением E = mc2, где c - скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника.
Релятивистские эффекты, как правило, пренебрежимо малые при обычных скоростях, становятся значительными только при больших, характерных для атомных и субатомных частиц. Потеря массы, связанная с испусканием света, чрезвычайно мала и обычно не поддается измерению даже с помощью самых чувствительных химических весов. Однако специальная теория относительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих в атомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными. Почти через сорок лет после создания теории относительности физики, работавшие над созданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при ее взрыве энергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.
Восприятие работ Эйнштейна было неоднозначным. Многие ученые их попросту не понимали, и это происходило из-за специфических взглядов Эйнштейна на структуру правильных теорий и на связь между теорией и экспериментом. Хотя Эйнштейн и признавал, что единственным источником знаний является опыт, он был также убежден, что научные теории являются свободными творениями человеческой интуиции и что основания, на которых зиждется хорошая теория, не обязательно должны быть логически связаны с опытом. Идеальная теория, по Эйнштейну, должна базироваться на минимально возможном количестве постулатов и описывать максимально возможное количество явлений. Именно эта «скупость» на постулаты, свойственная всей научной деятельности Эйнштейна, делала его работы труднодоступными для коллег. Однако, ряд выдающихся физиков сразу поддержал молодого ученого, и среди них - Макс Планк. Именно он помог Эйнштейну перебраться из патентного бюро в Цюрихе сначала в Прагу, а затем в Берлин на должность директора Института физики кайзера Вильгельма.
3.4 Общая теория относительности
В 1905 году Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. В 1914 году принял приглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Института физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа над общей теорией относительности. Путь, приведший Эйнштейна к успеху, был трудным и извилистым. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого товарища М.Гроссмана в 1912 году появилась статья «Набросок обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории датируется 1915 годом. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и «инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решению проблемы: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия? Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства -- времени.
Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные (т.е. происходящие с переменной скоростью). Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона, становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введенных Ньютоном понятий. Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс, вызывали у него беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причем сила притяжения, или гравитация, распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения. Что же касается движения тела под действием этой силы, то оно определяется инерциальной массой тела, которая характеризует способность тела ускоряться под действием данной силы.
Он произвел так называемый «мысленный эксперимент». Если бы человек в свободно падающей коробке, например в лифте, уронил ключи, то они не упали бы на пол: лифт, человек и ключи падали бы с одной и той же скоростью и сохранили бы свои положения относительно друг друга. Так происходило бы в некой воображаемой точке пространства вдали от всех источников гравитации. Один из друзей Эйнштейна заметил по поводу такой ситуации, что человек в лифте не мог бы отличить, находится ли он в гравитационном поле или движется с постоянным ускорением. Эйнштейновский принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитационные и инерциальные эффекты неотличимы, объяснил совпадение гравитационной и инертной массы в механике Ньютона. Затем Эйнштейн расширил картину, распространив ее на свет. Если луч света пересекает кабину лифта «горизонтально», в то время как лифт падает, то выходное отверстие находится на большем расстоянии от пола, чем входное, так как за то время, которое требуется лучу, чтобы пройти от стенки к стенке, кабина лифта успевает продвинуться на какое-то расстояние. Наблюдатель в лифте увидел бы, что световой луч искривился. Для Эйнштейна это означало, что в реальном мире лучи света искривляются, когда проходят на достаточно малом расстоянии от массивного тела.
Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения, тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через него тел. Как однажды заметил коллега Эйнштейна, американский физик Дж.А.Уилер, «пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться». Для проверки своей теории предложил три эффекта: искривление светового луча в поле тяготения Солнца, смещение перигелия Меркурия и гравитационное красное смещение. Эти эффекты, как показали последующие эксперименты, действительно действуют и количественно правильно предсказывались общей теорией относительности.
В декабре 1915 года на заседании Академии наук в Берлине Эйнштейн доложил, наконец, окончательные уравнения общей теории относительности. Эта теория стала вершиной творчества Эйнштейна, и, по мнению многих ученых, явилась самым значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Однако понимание общей теории относительности пришло не сразу. Первые три года эта теория интересовала узкий круг специалистов и была понятна лишь десятку избранных.
Ситуация резко изменилась в 1919 году, так как в этом году удалось проверить прямыми наблюдениями одно из парадоксальных предсказаний общей теории относительности - искривление луча света от далекой звезды полем тяготения Солнца. Такое наблюдение возможно только во время полного солнечного затмения. Именно в 1919 г. такое затмение можно было наблюдать в районах земного шара с обычно хорошей погодой, что позволяло провести максимально точное фотографирование видимого положения звезд на небе в момент полного затмения. Экспедиция, снаряженная английским астрофизиком сэром Артуром Эддингтоном, сумела получить данные, подтвердившие предсказание Эйнштейна. Буквально в один день Эйнштейн стал знаменит на весь мир.
Обрушившаяся на него слава не поддается описанию. Теория относительности на долгое время стала предметом салонных бесед. Газеты всех стран были переполнены статьями о теории относительности, вышло множество популярных книг, в которых авторы пытались объяснить обывателям суть этой теории. Университеты упрашивали его работать у них в качестве преподавателя, ученые из различных стран мира обращались к нему за советом, а политические партии и всевозможные благотворительные организации и фонды сражались между собой за его поддержку и помощь, он был избран почетным членом множества академий.
Пришло, наконец, признание.
Слово и мнение Эйнштейна стало одним из самых авторитетных в мире. В 1920-е гг. Эйнштейн много ездит по свету, участвует в международных конференциях. Особенно важна была роль Эйнштейна в дискуссиях, развернувшихся в конце 1920-х гг. по концептуальным проблемам квантовой механики. Беседы и споры Эйнштейна с Бором на эти темы стали знаменитыми.
Портреты Эйнштейна появились на обложках иллюстрированных журналов, его имя мелькало в заголовках ежедневных газет. Аудитории, где Эйнштейн читал лекции в Берлинском университете, во время «релятивистской шумихи» были всегда переполнены, иногда число слушателей превышало тысячу человек. Среди многочисленных почестей, оказанных Эйнштейну, было предложение стать президентом Израиля, последовавшее в 1952 году, которое он не принял.
Свою мировую славу Эйнштейн начал воспринимать как тягостное бремя. Его научный триумф вышел далеко за рамки естественных наук. Он совершает многочисленные зарубежные поездки. Журнал «Scientific American» профинансировал конкурс на самое понятное объяснение теории относительности с призом в 5 тысяч долларов. Эйнштейн пошутил, что среди своих друзей он один не участвовал: «Я боялся, что не справлюсь». Любопытно (или символично), что победитель конкурса Болтон был сотрудником Британского патентного бюро.
4 Калейдоскоп изобретений и экспериментов
В период интенсивных исследований по общей теории относительности, Эйнштейн обратился к экзотическим лабораторным экспериментам. Он пишет своему другу Микеле Бессо: «Эксперимент скоро закончится… Изумительная работа… Какую же изощренность демонстрирует природа, когда пытаешься проникнуть в ее тайны… я все еще увлекаюсь проведением опытов». Речь идет о гиромагнитных явлениях микрочастиц, а именно, о повороте свободно подвешенного ферромагнитного образца при его намагничивании внешним магнитным полем. Этот уникальный опыт был поставлен совместно с зятем выдающего голландского теоретика Хендрика Лоренца - де Гаазом. Эйнштейн преодолел трудности, с которыми не смогли справиться многие маститые экспериментаторы.
Малоизвестно, что Эйнштейн с различными соавторами имел более двух десятков патентов. Интересно и то, что, уйдя из бернского патентного бюро, получив мировую известность как физик, Эйнштейн не расстался с патентной деятельностью. Например, совместно с Л.Сциллардом в конце 1920-х годов были запатентованы три типа холодильных машин, насосы для холодильных машин, компрессор, устройства для сжижения газов и паров (они нашли применение в атомной технике).
Совместно с Гольдштейном запатентовано устройство для передачи звука, основанное на явлении магнитострикции. В 1936 году со своим другом, врачом Г.Буки он запатентовал фотокамеру с автоматической подстройкой под уровень освещенности. Эйнштейн часто выступал в качестве патентного эксперта. В 1916 году (создание общей теории относительности!) он писал Бессо: «У меня сейчас снова весьма забавная экспертиза в одном патентном процессе».
Эйнштейн сыграл значительную роль в признании Г.Аншютца изобретателем гироскопического компаса. Известно, что он участвовал в патентной тяжбе между фирмами АЭГ и Сименс в 1929 году. Во время второй мировой войны Эйнштейн сотрудничал с министерством военно-морского флота США в качестве научно-технического эксперта. В его обязанности входила оценка изобретений, поступающих в министерство.
5 Эмиграция
Эйнштейн не без колебаний принял предложение переехать в Берлин. Но возможность общения с крупнейшими немецкими учеными, в числе которых был и Планк, привлекала его. Но политическая и нравственная атмосфера в Германии делалась все тягостнее и тягостнее, антисемитизм поднимал голову. В 1933 году, когда власть захватили фашисты, Эйнштейн навсегда покинул Германию. На этих драматических событиях заканчивается европейский период жизни Эйнштейна.
В знак протеста против фашизма он отказался от германского подданства и вышел из состава Прусской и Баварской Академий наук.
Переехав в США, Эйнштейн занял должность профессора физики в новом институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси). Он продолжал заниматься вопросами космологии, а также усиленно искал пути построения единой теории поля, которая бы объединила гравитацию, электромагнетизм (а возможно, и остальное). И хотя реализовать эту программу ему не удалось, это не поколебало репутации Эйнштейна как одного из величайших естествоиспытателей всех времен.
Маленький университетский городок Принстон в США приютил Эйнштейна. Никаких особых мер для обеспечения его личной безопасности не принималось, жители были дружелюбны, называли его «старый док», а студенты распевали про него песенки.
В Принстоне Эйнштейн стал местной достопримечательностью. Его знали как физика с мировым именем, но для всех он был скромным, приветливым и несколько эксцентричным человеком, с которым можно было столкнуться прямо на улице. В часы досуга он любил музицировать. Начав учиться игре на скрипке в шесть лет, Эйнштейн продолжал играть всю жизнь, иногда в ансамбле с другими физиками. Ему нравился парусный спорт, который, как он полагал, необыкновенно способствует размышлениям над физическими проблемами.
Приезд Эйнштейна был для Америки огромным событием. Почти сразу же Эйнштейн был приглашён президентом Рузвельтом в Белый дом (ведь у них были общие интересы - огромное увлечение парусным спортом).
Но спокойной жизни в тихом американском городке не получилось. Среди физиков - иностранцев, оказавшихся в эмиграции в США, росла тревога по возможному созданию атомной бомбы в Германии. Они обратились к Эйнштейну с просьбой обратиться к американскому президенту. Сегодня, когда известные ученые обсуждают важные экологические проблемы, вопросы противоракетной обороны и многие другие, важные для общества вопросы, раздаются голоса, что не следует смешивать науку с политикой. Эйнштейн же был убежден, что на каждом учёном лежит моральная ответственность за судьбу человечества. И учёный обязан донести до людей суть своих работ и объяснить возможные последствия. Поэтому Эйнштейн и физик Лео Сциллард направили письмо Франклину Рузвельту, где сообщали об открытии деления ядер урана и предупреждали об опасности создания ядерного оружия. Это был импульс к развертыванию «Манхэттенского проекта» по созданию атомной бомбы.
После второй мировой войны, потрясенный ужасающими последствиями использования атомной бомбы против Японии и все ускоряющейся гонкой вооружений, Эйнштейн стал горячим сторонником мира, считая, что в современных условиях война представляла бы угрозу самому существованию человечества. Незадолго до смерти он поставил свою подпись под воззванием Бертрана Рассела, обращенным к правительствам всех стран, предупреждающим их об опасности применения водородной бомбы и призывающим к запрету ядерного оружия. Эйнштейн выступал за свободный обмен идеями и ответственное использование науки на благо человечества.
18 апреля 1955 года в 1 час 25 минут перестало биться сердце великого творца. Эйнштейн скончался в Принстоне от аневризмы аорты. Весь мир скорбел. Но Эйнштейн завещал, чтобы не было ни похорон, ни могилы, ни памятника. Всего десять самых близких человек шли за гробом. Тело было предано кремации, пепел развеян по ветру над рекой Дэлавер.
Река по имени Время продолжает свое течение и где-то несет его прах.
Заключение
Имя Альберта Эйнштейна вошло в перечень самых выдающихся людей XX столетия и одного из величайших ученых всех времен.
Эйнштейн обогатил физику с присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. С детских лет он воспринимал мир как гармоническое познаваемое целое, «стоящее перед нами наподобие великой и вечной загадки». По его собственному признанию, он верил в «Бога Спинозы, являющего себя в гармонии всего сущего». Именно это «космическое религиозное чувство» побуждало Эйнштейна к поиску объяснения природы с помощью системы уравнений, которая обладала бы большой красотой и простотой.
И сегодня, спустя 100 лет после выхода в свет «звездных» статей, посвященных принципам относительности, квантовой и молекулярной теориям, проблема, волновавшая Эйнштейна, по-прежнему будоражит умы ученых мира. Выражение E = mc2 - это крылатая фраза, знакомая широкой публике так же, как строки Шекспира.
Величие, сделанного Эйнштейном в науке, трудно переоценить. Сейчас нет практически ни одной ветви современной физики, где, так или иначе, не присутствовали бы фундаментальные понятия квантовой механики или теории относительности.
Но, пожалуй, еще важнее уверенность, которую своими трудами вселил в ученых Эйнштейн, что природа познаваема и ее законы красивы. Стремление к этой красоте и составляло смысл жизни великого ученого.
Список использованной литературы
1. Кузнецов Б.Г. Эйнштейн. Жизнь, смерть, бессмертие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1985.
2. Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия. Пер. с англ. - М.: «Прогресс», 1992.
3. Сноу Ч.П. Портреты и размышления. - М.: изд. «Прогресс», 1985.
4. Френкель В.Я., Явелов Б.Е. Эйнштейн: изобретения и эксперимент. 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: изд. «Наука», 1990.
5. Хофман Б. Альберт Эйнштейн: творец и бунтарь. История физики. - Пер. с англ. - М.: «Прогресс», 1983.
6. Явелов Б.Е., Френкель В.Я. Патентный эксперт Эйнштейн//Сб. Пути в незнакомое, - М.: Советский писатель, 1983
Страницы: 1, 2
