Біографія Альберта Ейнштейна
(1879-1955)
Видатний фізик, творець теорії відносності, один із творців квантової теорії і статистичної фізики.
Народився в Німеччині, у місті Ульме. З 14 років разом з родиною жив у Швейцарії, де в 1900 р. закінчив Цюрихський політехнікум. У 1902-1909 р. служив експертом патентного бюро в Берні. В ці роки Ейнштейн створив спеціальну теорію відносності, виконав дослідження у статистичній фізиці, броунівському русі, теорії випромінювання й ін. Роботи Ейнштейна одержали популярність, і в 1909 р. він був обраний професором Цюрихського університету, а потім — Німецького університету в Празі. У 1914 р. Ейнштейн був запрошений викладати в Берлінський університет. У період свого життя в Берліні він завершив створення загальної теорії відносності, розвив квантову теорію випромінювання. За відкриття законів фотоефекта і роботи в області теоретичної фізики Ейнштейн одержав у 1921 р. Нобелівську премію. У 1933 р. після приходу до влади в Німеччині фашистів Ейнштейн емігрував у США, у Принстон, де він до кінця життя працював в Інституті вищих досліджень.
У 1905 р. була опублікована спеціальна теорія відносності — механіка й електродинаміка тіл, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла.
Тоді ж Ейнштейн відкрив закон взаємозв'язку маси й енергії (Е=mc2), що лежить в основі всієї ядерної енергетики.
Учений уніс великий вклад у розвиток квантової теорії. У його теорії фотоефекта світло розглядається як потік квантів (фотонів). Існування фотонів було підтверджено в 1923 р. в експериментах американського фізика А. Комптона. Ейнштейн установив основний закон фотохімії (закон Ейнштейна), по якому кожен поглинений квант світла викликає одну елементарну фотохімічну реакцію. У 1916 р. він теоретично пророчив явище індукованого (змушеного) випромінювання атомів, що лежить в основі квантової електроніки.
Учений працював і над створенням єдиної теорії полючи, що поєднує гравітаційні й електромагнітні взаємодії. Наукові праці Ейнштейна зіграли велику роль у розвитку сучасної фізики - квантової електродинаміки, атомної і ядерної фізики, фізики елементарних часток, космології, астрофізики.
А. Ейнштейн був членом багатьох академій світу і наукових суспільств. У 1926 р. його обрали почесним членом Академії наук СРСР.
Відносність одночасності подій
У механіку Ньютона одночасність двох подій абсолютна і не залежить від системи відліку. Це значить, що якщо дві події відбуваються в системі K у моменти часу t і t1, а в системі K’ відповідно в моменти часу t’ і t’1 , те оскільки t=t’, проміжок часу між двома подіями однаковий в обох системах відліку
EMBED Unknown
На відміну від класичної механіки, у спеціальній теорії відносності одночасність двох подій, що відбуваються в різних крапках простору, відноснаі: події, одночасні в одній інерційній системі відліку, не одночасні в інших інерційних системах, що рухаються щодо першої. На малюнку (див. нижче) розташована схема експерименту, що це ілюструє. Система відліку K зв'язана з Землею, система К' — з вагоном, що рухається щодо Землі прямолінійно і рівномірно зі швидкістю v. На Землі й у вагоні відзначені крапки А, М, В и відповідно А', М' і В', причому АМ=МВ і А'М'=М'В'. У момент, коли зазначені крапки збігаються, у точках А и В відбуваються події — ударяють дві блискавки. У системі До сигнали від обох спалахів прийдуть у крапку М одночасно, тому що АМ=МВ, і швидкість світла однакова у всіх напрямках. У системі К’, зв'язаної з вагоном, сигнал із точки В’ прийде в точку M’ раніш, ніж із точки А’, тому що швидкість світла однакова у всіх напрямках, але М’ рухається назустріч сигналові пущеному з точки B’ і віддаляється від сигналу, пущеного з точки А’. Виходить, події в точках А’ і B’ не одночасні: події в точці B’ відбулося раніш, ніж у точці A’. Якби вагон рухався в зворотному напрямку, то вийшов би зворотний результат.
Поняття одночасності просторово розділених подій відносно. З постулатів теорії відносності й існування кінцевої швидкості поширення сигналів випливає, що в різних інерційних системах відліку час протікає по-різному.
Перетворення Лоренца
Відповідно до двох постулатів спеціальної теорії відносності між координатами і часом у двох інерційних системах К и К' існують відносини, що називаються перетвореннями Лоренца.
У найпростішому випадку, коли система К’ рухається щодо системи До зі швидкістю v так, як показано на малюнку (див нижче), перетворення Лоренца для координат і часу мають такий вигляд:
EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown.
З перетворень Лоренца випливає тісний зв'язок між просторовими і тимчасовими координатами в теорії відносності; не тільки просторові координати залежать від часу (як у кінематиці), але і час в обох системах відліку залежить від просторових координат, а також від швидкості EMBED Unknown руху системи відліку K’.
Формули перетворень Лоренца переходять у формули кінематики при v/c<<1. У цьому випадку
EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown,
EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown, EMBED Unknown.
Перехід формул теорії відносності у формули кінематики за умови v/c <<1 є перевіркою справедливості цих формул.
Залежність маси тіла від швидкості
Залежність властивостей простору і часу від руху системи відліку приводить до того, що, що зберігається при будь-яких взаємодіях тіл є величина
EMBED Unknown,
називана релятивістським імпульсом, а не класичний імпульс.
Класичний закон додавання швидкостей і класичний закон збереження імпульсу є окремими випадками універсальних релятивістських законів і виконуються тільки при значеннях швидкостей, значно менші швидкості світла у вакуумі.
Релятивістський імпульс тіла можна розглядати як добуток релятивістської маси т тіла на швидкість його руху. Релятивістська маса т тіла зростає зі збільшенням швидкості за законом
EMBED Unknown,
де EMBED Unknown — маса спокою тіла, EMBED Unknown — швидкість його руху.
Зростання маси тіла зі збільшенням швидкості приводить до того, що жодне тіло з масою спокою, не рівної нулеві, не може досягти швидкості, рівній швидкості світла у вакуумі, або перевищити цю швидкість. Швидкість EMBED Unknown, велика EMBED Unknown, приводить для звичайних часток до мнимої маси і мнимого імпульсу, що фізично безглуздо. Залежність маси від швидкості починає позначатися лише при швидкостях, досить близьких до EMBED Unknown(див. малюнок №2). Приведені в цьому пункті формули незастосовні до фотона, тому що в нього відсутня маса спокою (EMBED Unknown). Фотон завжди рухається зі швидкістю, рівної швидкості світла у вакуумі, і є ультрарелятивістською часткою. Проте, звідси не випливає сталість швидкості світла у всіх речовинах.
При EMBED Unknown вираз для імпульсу переходить у те, що використовується в механіці Ньютона EMBED Unknown, де під EMBED Unknown розуміється маса спокою (EMBED Unknown ), тому що при EMBED Unknown розходження EMBED Unknownі EMBED Unknownнесуттєве.
Малюнок №2
Закон взаємозв'язку маси й енергії
Повна енергія Е тіла пропорційна релятивістській масі EMBED Unknown(закон взаємозв'язку маси й енергії):
EMBED Unknown,
де з - швидкість світла у вакуумі. Релятивістська маса залежить від швидкості EMBED Unknown, з яким тіло (частка) рухається в даній системі відліку. Тому повна енергія різна в різних системах відліку .
Найменшою енергією EMBED Unknownтіло (частка) володіє в системі відліку, щодо якої воно спочиває (EMBED Unknown ). Енергія EMBED Unknown називається власною енергією або енергією спокою тіла (частки):
EMBED Unknown.
Енергія спокою тіла є його внутрішньою енергією Вона складається із суми енергій спокою всіх часток тіла EMBED Unknown, кінетичної енергії всіх часток щодо загального центра мас і потенційної енергії їхньої взаємодії. Тому
EMBED Unknown і EMBED Unknown
де EMBED Unknown— маса спокою.
У релятивістській механіці несправедливий закон збереження маси спокою. Наприклад, маса спокою EMBED Unknown атомного ядра менше, ніж сума власних мас часток, що входять у ядро. Навпаки маса EMBED Unknownспокою частки, здатної до мимовільного розпаду, більше суми власних мас продуктів розпаду EMBED Unknown і EMBED Unknown:
EMBED Unknown.
Незбереження маси спокою не означає порушення закону збереження маси взагалі. У теорії відносності справедливий закон збереження релятивістської маси. Він випливає з формули закону взаємозв'язку маси й енергії EMBED Unknown. В ізольованій системі тіл зберігається повна енергія. Отже, зберігається і релятивістська маса. У теорії відносності закони збереження енергії і релятивістської маси взаємозалежні і являють собою єдиний закон збереження маси й енергії. Однак з цього закону аж ніяк не випливає можливість перетворення маси в енергію і назад. Маса й енергія являють собою дві якісно різних властивості матерії, аж ніяк не «еквівалентних» один одному. Жоден з відомих досвідчених фактів не дає основ для висновку про «перехід маси в енергію». Перетворення енергії системи з однієї форми в іншу супроводжується перетворенням маси. Наприклад, у явищі народження і знищення пари електрон — позитрон, у повній відповідності з законом збереження релятивістської маси й енергії, маса не переходить в енергію. Маса спокою часток (електрона і позитрона) перетвориться в масу фотонів, тобто в масу електромагнітного поля.
Гіпотеза Ейнштейна про існування власної енергії тіла підтверджується численними експериментами. На основі використання закону взаємозв'язку маси й енергії ведуться розрахунки виходу енергії в різних ядерних енергетичних установках.
Значення теорії відносності
40-50 років тому можна було спостерігати дуже великий інтерес до теорії відносності з боку широких кіл незважаючи на те, що тоді в книгах і статтях по теорії відносності мова йшла про дуже далекі від повсякденного досвіду і дуже абстрактних речах. Широкі кола виявили дивне чуття, вони почували, що теорія, з такою сміливістю, що зазіхнула на основні представлення про простір і час, не може не привести при своєму розвитку і культурних наслідків. Це передчуття не обдурило людей. Утіленням нового релятивістського навчання про енергії, а отже, і всієї теорії відносності в цілому є атомна ера, що розширює владу людини над природою більше, ніж це зробили попередні наукові і технічні революції.
Атомна ера буде ерою подальших корінних перетворень фізичної картини світу. Зараз не можна передбачати, яким образом зміняться представлення про простір, час, рух, елементарних частках і їхніх взаємодіях. Можна вказати тільки на деякі проблеми сучасної фізики, що, видимо, будуть вирішені лише при переході до нової фізичної картини світу.
Теорія відносності, створена Ейнштейном у 1905 р., стала закінченою теорією руху макроскопічних тел. Її застосування в теорії елементарних часток наштовхується на ряд серйозних труднощів, що, бути може, свідчать про необхідність нового розуміння принципу відносності. Розвиток атомної й особливий ядерної фізики - блискучий тріумф теорії Ейнштейна - указує разом з тим на можливий подальший розвиток і узагальнення цієї теорії.
Теорія відносності чекає подальшого розвитку й узагальнення й в іншому напрямку, крім картини рухів, взаємодій і трансмутацій елементарних часток в областях порядку 10-13 див, Вона усі в більшому ступені стає теорією, що описує будівлю космічних областей, у порівнянні з якими зникаючі малі відстані між зірками і навіть відстанню між галактиками.
