Доклад на тему «Эйнштейн и его роль в физике 20 века»

Содержание

Введение

1. Альберт Эйнштейн и его роль в физике XX века

1.1. Начало научной деятельности

1.2. 1905 — «Год чудес»

1.3. Основные достижения Эйнштейна в науке

1.4. Путь к признанию

1.5. Интересные факты

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Альбе́рт Эйнште́йн (нем. Albert Einstein) (1879-1955) — физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист.

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:

1. Специальная теория относительности (1905). В её рамках — закон взаимосвязи массы и энергии: E = mc2.
2. Общая теория относительности (1907—1916).
3. Квантовая теория фотоэффекта и теплоёмкости.
4. Квантовая статистика Бозе — Эйнштейна.
5. Статистическая теория броуновского движения, заложившая основы теории флуктуаций.
6. Теория индуцированного излучения.
7. Теория рассеяния света на термодинамических флуктуациях в среде. [1]

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 относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн также, вместе с Планком, заложил основы квантовой теории. Эти концепции, многократно подтверждённые экспериментами, образуют фундамент современной физики.

Альберт Эйнштейн и его роль в физике XX века

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: «Я был третируем моими профессорами, которые не любили меня из-за моей независимости и закрыли мне путь в науку.» [2]

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 буквально голодал, не принимая пищу несколько дней подряд. Это стало причиной болезни печени, от которой учёный страдал до конца жизни.

Несмотря на лишения, преследовавшие 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, посвящённую анализу сил притяжения между атомами жидкостей на основании теории капиллярности.

Преодолеть трудности помог бывший однокурсник Марсель Гроссман, рекомендовавший 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 [3]).

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 спустя несколько дней после приезда сына.

6 января 1903 года Эйнштейн женился на двадцатисемилетней Милеве Марич. У них родились трое детей. [4]

1905 — «Год чудес»

1905 год вошёл в историю физики как «Год чудес». [5] В этом году «Анналы физики» — ведущий физический журнал Германии — опубликовал три выдающиеся статьи Эйнштейна, положившие начало новой научной революции:

1. «К электродинамике движущихся тел». С этой статьи начинается теория относительности [6].
2. «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Одна из работ, заложивших фундамент квантовой теории.
3. «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты»— работа, посвящённая броуновскому движению и существенно продвинувшая статистическую физику.

Основные достижения Эйнштейна в науке

Итак, основными достижениями Эйнштейна, его вкладом в развитие современной физики, являются:

1)Эйнштейн создал специальную и общую теорию относительности, коренным образом изменившие представления о пространстве, времени и материи. В 1905 году в статье «К электродинамике движущихся тел» разработал основы специальной теории относительности, изложив новые законы движения, которые обобщали ньютоновские и переходили в них в случае малых скоростей тел.

В основу своей теории положил два постулата: специальный принцип относительности, являющийся обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические явления (в любых инерциальных системах все физические процессы — механические, электрические, тепловые, оптические и др. — протекают одинаково), и принцип постоянства скорости света в вакууме (скорость света в вакууме не зависит от движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех направлениях, то есть, одинакова во всех инерциальных системах и равна 30000000000 см/с).

Оба постулата и теория, построенная на их основе, привели к ломке многих установившихся классических понятий (абсолютное пространство, абсолютное время), заставили пересмотреть ряд основных положений классической физики Ньютона, установили новый взгляд на мир, новые пространственно-временные представления (относительность длины, времени, одновременности событий). [5]

Однако эта теория не отбросила совсем закономерностей, установленных классической механикой, а уточнила их в случае движения со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме. Исходя из своей теории, Эйнштейн в том же 1905 году открыл закон взаимосвязи массы и энергии. Показал, что масса является мерой энергии, заключенной в телах. Это соотношение Эйнштейна лежит в основе расчета энергетического баланса ядерных реакций, в основе всей ядерной физики. Все положения и выводы специальной теории относительности ярко подтвердились в многочисленных опытах, она стала мощным инструментом в физических исследованиях, в частности в физике микромира.

2)Значительна роль Эйнштейна и в создании квантовой теории. Если М. Планк квантовал лишь энергию материального осциллятора, то Эйнштейн ввел в 1905 году представление о дискретной, квантовой структуре самого светового излучения, рассматривая последнее как поток квантов света, или фотонов (фотонная теория света).

Таким образом, Эйнштейну принадлежит теоретическое открытие фотона, экспериментально обнаруженного в 1922 году А. Комптоном. Исходя из квантовой теории света, объяснил такие явления, как фотоэффект (закон Эйнштейна для фотоэффекта), правило Стокса для флюоресценции, фотоионизацию и др., которые не могла объяснить электромагнитная теория света.

За эти исследования в 1921 году ученому была присуждена Нобелевская премия по физике. В 1907 году распространил идеи квантовой теории на физические процессы, непосредственно не связанные со светом. В частности, рассмотрев тепловые колебания атомов в твердом теле и использовав идеи квантовой теории, объяснил уменьшение теплоемкости твердых тел при понижении температуры, разработав первую квантовую теорию теплоемкости твердых тел. [4]

3) В 1909 году впервые рассмотрел корпускулярно-волновой дуализм для излучения, а также флуктуации энергии равновесного излучения, получив формулу для флуктуаций энергии.

4) В 1912 году установил основной закон фотохимии: каждый поглощенныйфотон вызывает одну элементарную фотореакцию (закон Эйнштейна).

5) Предсказал в 1916 году явление индуцированного излучения, ввел вероятности спонтанного и вынужденного излучений (коэффициенты Эйнштейна).

6) В статистической физике развил в 1905 году молекулярно-статистическую теорию броуновского движения, в 1924-25 годах создал квантовую статистику частиц с целым спином (статистика Бозе-Эйнштейна). [7]

7) В 1915 году предсказал и совместно с В. де Гаазом экспериментально обнаружил эффект изменения механического момента при намагничивании тела (эффект Эйнштейна-де Гааза).

8) В 1915 году завершил создание общей теории относительности, или современной релятивистской теории тяготения, установившей связь между пространством-временем и материей. К ее созданию Эйнштейна привел анализ известного факта, что отношение инертной массы тела к гравитационной одинаково для всех тел (принцип эквивалентности).

Этот принцип вместе с принципом относительности лег в основу общей теории относительности, объяснившей сущность тяготения, состоящую в изменении геометрических свойств, искривлении четырехмерного пространства-времени вокруг тел, которые образуют поле (любая масса влияет на метрику окружающего пространства).

Вывел уравнение, описывающее поле тяготения — уравнение Эйнштейна (в 1915 году общековариантные уравнения гравитационного поля получил также Д. Гильберт). 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. [2]

9) В 1916 году постулировал гравитационные волны и в 1918 году вывел формулу для мощности гравитационного излучения. Общая теория относительности обусловила бурное развитие космологии как науки. Исходя из этой теории, Эйнштейн в 1917 году предложил новую модель Вселенной, согласно которой Вселенная представляет замкнутое трехмерное пространство (трехмерную сферу) конечного объема и неизменна во времени.

Однако эта модель не соответствует действительности, поскольку Вселенная нестационарна, она расширяется. Впервые это теоретически показал А. А. Фридман, а в 1929 году было подтверждено наблюдениями (явление разбегания галактик). Начиная с 1933 года, работы Эйнштейна были посвящены вопросам космологии и единой теории поля.

Однако попытки построить такую теорию окончились неудачей. В работах Эйнштейна поднят ряд гносеологических проблем, но его философские взгляды не всегда последовательны.

Путь к признанию

Теория относительности была сформулирована Эйнштейном в 1916 году. Но мало кто понимал ее суть. Как-то некая дама попросила ученого объяснить, что это такое, и Эйнштейн в досаде сказал ей: «Представьте себе, что 10 человек мучительно долго объясняют вам что-то. Много это или мало?» «Много», — ответила его собеседница. «А если во всем мире только 10 человек понимают мою теорию?»

Даже научная общественность не сразу приняла открытия Эйнштейна. Только со временем они были оценены по достоинству. Ученый добавил к привычным трем измерениям четвертое — время, обосновал относительность пространства и времени, а также ввел понятие искривленного пространства.

Настоящее признание пришло к ученому в 1919 году, когда астрономические наблюдения подтвердили его вывод о том, что сила тяжести отклоняет свет и это приводит к искривлению пространства. После этого Эйнштейна стали называть гением. [3]

Интересные факты

— Одно из исторических совпадений: если Ньютон родился в год смерти Галилея, [7] как бы перенимая у него научную эстафету, то Эйнштейн родился в год смерти Максвелла.

— Когда Эйнштейна простодушно спрашивали, где находится его лаборатория, он, улыбаясь, показывал авторучку.

— Широко известная фотография с высунутым языком была сделана благодаря назойливости журналистов и фотографов, когда один из последних в очередной раз попросил Эйнштейна «улыбнуться в камеру».

— Другой вопрос, который ему часто задавали: как это ему удалось создать теорию относительности? Полушутя, полувсерьёз он отвечал: [8]

Почему именно я создал теорию относительности? Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями.

— Как-то в Германии Эйнштейн принял участие в благотворительном концерте. Местный журналист, восхищённый его исполнением, спросил у соседки: «Кто это играет?» и получил ответ: «Как, вы не узнали? Это же сам Эйнштейн!» — «Ах, да, конечно!» На следующий день в газете появилась заметка о выступлении великого музыканта, несравненного виртуоза-скрипача, Альберта Эйнштейна. «Великий музыкант» пришёл в восторг, вырезал заметку и с гордостью показывал знакомым: «Вы думаете, я учёный? Я знаменитый скрипач, вот кто я на самом деле!» [9]

— В 1932 году американская «Женская патриотическая корпорация» потребовала не пускать Эйнштейна в США, так как он известный смутьян и коммунист. Визу всё же выдали, а Эйнштейн огорчённо написал в газете: «Никогда ещё я не получал от прекрасного пола такого энергичного отказа, а если и получал, то не от стольких сразу». [10]

Заключение

На старости лет Эйнштейн остался в почти полном одиночестве. Все его близкие умерли или жили вдалеке от него. Единственной связью с миром стала верная секретарша Элен Дюкас.

Ученый, страдая бессонницей, играл по ночам на скрипке. Он стал странно себя вести: отказывался умываться, причесываться, неряшливо одевался… В конце концов его стали считать сумасшедшим.

За несколько лет до смерти Эйнштейну предложили стать президентом вновь созданного государства Израиль. Но отказался.

Есть версия, что в последние годы жизни Эйнштейн работал над теорией единого поля, которая стала бы еще более сенсационной, чем теория относительности, полностью изменив наше понимание пространства и времени. Но перед смертью он сжег все свои записи по этой теме. Возможно, великий ученый посчитал, что человечество еще не готово к таким открытиям.

Список используемой литературы:

1. Гернек Ф. Альберт Эйнштейн. Жизнь во имя истины, гуманизма и мира. — М.: Прогресс, 1966.
2. Львов В. Е. Жизнь Альберта Эйнштейна. — М.: Молодая гвардия, 1959. — (Жизнь замечательных людей).
3. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. — М.: Наука, 1989. — 568 с. — ISBN 5-02-014028-7
4. Паркер Б. Мечта Эйнштейна: В поисках единой теории строения Вселенной — СПб.: Амфора, 2001. — ISBN 5-94278-141-9
5. Сноу Ч. П. Эйнштейн— В книге: Портреты и размышления. — М.: Прогресс, 1985. — С. 137—156. — ISBN 5-94278-141-9
6. Френкель В. Я., Явелов Б. Е. Эйнштейн: изобретения и эксперимент— 2-е издание, переработанное и дополненное. — М.: Наука, 1990. — 239 с. — (История науки и техники). — ISBN 5-02-000802-8
7. Хофман Б. Альберт Эйнштейн — творец и бунтарь. — М.: Прогресс, 1983.
8. Эйнштейн А. Эйнштейн о религии. — М.: Альпина нон-фикшн, 2010. — 144 с. — ISBN 978-5-91671-056-4
9. Гернек Ф. Альберт Эйнштейн. Жизнь во имя истины, гуманизма и мира. — М.: Прогресс, 1966.
10. Roger Highfield, Paul Carter. The Private Lives of Albert Einstein. — London: Faber and Faber, 1993. — ISBN 0-571-17170-2 (US ed. ISBN 0-312-11047-2)