Albert Einstein - tyskfødt amerikansk fysiker og relativitetsteoriens skaber

Tidligt liv

Einstein blev født i Ulm, Württemberg, Tyskland, den 14. marts 1879. Hans familie var jødisk, men var ikke særlig religiøs. Senere i livet blev Einstein dog meget interesseret i sin jødedom. Einstein begyndte ikke at tale, før han var 3 år gammel. Ifølge hans lillesøster Maja "havde han så store vanskeligheder med sproget, at hans omgivelser frygtede, at han aldrig ville lære det". Da Einstein var omkring 4 år gammel, gav hans far ham et magnetisk kompas. Han forsøgte ihærdigt at forstå, hvordan nålen tilsyneladende kunne bevæge sig selv, så den altid pegede mod nord. Nålen var i en lukket kasse, så der var tydeligvis ikke noget som vind, der kunne skubbe nålen rundt, og alligevel bevægede den sig. Så på denne måde blev Einstein interesseret i at studere naturvidenskab og matematik. Hans kompas gav ham ideer til at udforske videnskabens verden.

Da han blev ældre, gik han i skole i Schweiz. Efter sin eksamen fik han et job på patentkontoret i Schweiz. Mens han arbejdede der, skrev han de artikler, som først gjorde ham berømt som en stor videnskabsmand.

Einstein blev gift med en 20-årig serbisk kvinde Mileva Marić i januar 1903.

I 1917 blev Einstein meget syg med en sygdom, som næsten slog ham ihjel, men heldigvis overlevede han. Hans kusine Elsa Löwenthal plejede ham tilbage til helbredet. Efter dette skete, blev Einstein skilt fra Mileva den 14. februar 1919 og giftede sig med Elsa den 2. juni 1919.

Børn

Einsteins første datter var Lieserl Einstein. Hun blev født i Novi Sad, Vojvodina, Østrig-Ungarn den 27. januar 1902. Hun tilbragte sine første år i de serbiske bedsteforældres varetægt, fordi hendes far Albert ikke ønskede, at hun blev bragt til Schweiz, hvor han havde et jobtilbud på patentkontoret. Nogle historikere mener, at hun døde af skarlagensfeber.

Einsteins to sønner var Hans Albert Einstein og Eduard Tete Einstein. Hans Albert blev født i Bern, Schweiz i maj 1904. Han blev professor i Berkeley (Californien). Eduard blev født i Zürich, Schweiz, i juli 1910. Han døde 55 år gammel af et slagtilfælde på det psykiatriske universitetshospital Zürich "Burghölzli" . Han havde tilbragt sit liv på hospitaler på grund af sin skizofreni.

Senere i livet

I foråret 1914 flyttede han tilbage til Tyskland og blev ordinært medlem af det preussiske akademi og direktør for et nyoprettet institut for fysik under Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. Han boede i Berlin og færdiggjorde den generelle relativitetsteori i november 1915. I Weimarrepublikken var han politisk aktiv for socialismen og zionismen. I 1922 modtog han Nobelprisen for fysik for sin forklaring af den fotoelektriske effekt i 1905. Han forsøgte derefter at formulere en generel feltteori, der forenede gravitation og elektromagnetisme, men uden held. Han havde forbehold over for den kvantemekanik, som Heisenberg (1925) og Schrödinger (1926) opfandt. I foråret 1933 var Einstein og Elsa på rejse i USA, da nazistpartiet kom til magten. Nazisterne var voldsomt antisemitiske. De kaldte Einsteins relativitetsteori for "jødisk fysik", og nogle tyske fysikere startede polemik mod hans teorier. Andre, som Planck og Heisenberg, forsvarede Einstein.

Efter deres tilbagevenden til Belgien tog Einstein i betragtning af truslerne fra nazisterne afsked fra sin stilling i det preussiske akademi i et brev fra Oostende. Einstein og Elsa besluttede ikke at tage tilbage til Berlin og flyttede til Princeton, New Jersey i USA, og i 1940 blev han amerikansk statsborger.

Før Anden Verdenskrig, i august 1939, skrev Einstein på opfordring af Leó Szilárd til USA's præsident Franklin D. Roosevelt, at USA burde opfinde en atombombe, så den nazistiske regering ikke kunne komme dem i forkøbet. Han underskrev brevet. Han var dog ikke en del af Manhattan-projektet, som var det projekt, der skabte atombomben.

Einstein, der var jøde, men ikke israelsk statsborger, blev tilbudt præsidentposten i 1952, men afslog den med ordene: "Jeg er dybt rørt over tilbuddet fra staten Israel, og jeg er på én gang bedrøvet og flov over, at jeg ikke kan tage imod det." Ehud Olmert skulle efter sigende have overvejet at tilbyde præsidentposten til en anden ikke-israeler, Elie Wiesel, men han skulle være "meget lidt interesseret".

Han forskede i gravitation på Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, indtil han døde den 18. april 1955 af en sprængt aortaaneurisme. Han skrev stadig om kvantefysik timer før sin død. Han modtog Nobelprisen i fysik.

I 1905 kom han med en teori om, at lys var lavet af små partikler kaldet fotoner ^ . Ved hjælp af denne teori kunne han forklare den fotoelektriske effekt. Formlen for energien og frekvensen af en foton er E = h f {\displaystyle E=hf} . Det betyder, at lys med højere frekvens har mere energi pr. foton.

Den fotoelektriske effekt opstår, når lys, der skinner på en metaloverflade, får den til at udsende elektroner. Problemet for den klassiske bølgeteori var at forklare, hvorfor denne effekt kun synes at forekomme ved højfrekvent lys som f.eks. UV-lys, men ikke ved lavere frekvenser som rødt eller infrarødt lys. Einstein viste, at eftersom lys med højere frekvens har fotoner med mere energi, har det større chance for at tvinge elektroner ud af metallet.

Einstein var også i stand til at forklare andre fænomener med fotoner, såsom fluorescens og ionisering. I 1921 modtog han Nobelprisen for denne opdagelse.

Den specielle relativitetsteori blev offentliggjort af Einstein i 1905 i artiklen On the Electrodynamics of Moving Bodies (Om bevægelige legemers elektrodynamik). Den siger, at både afstandsmålinger og tidsmålinger ændrer sig i nærheden af lysets hastighed. Det betyder, at når man kommer tættere på lysets hastighed (næsten 300 000 km i sekundet), ser det ud til, at længder bliver kortere, og at ure tikker langsommere. Einstein sagde, at den specielle relativitetsteori er baseret på to idéer. Den første er, at fysikkens love er de samme for alle observatører, der ikke bevæger sig i forhold til hinanden.

Ting, der bevæger sig i samme retning med samme hastighed, siges at befinde sig i en "inertialramme".

Mennesker i samme "ramme" måler, hvor lang tid det tager at gøre noget. Deres ure holder den samme tid. Men i en anden "ramme" bevæger deres ure sig med en anden hastighed. Grunden til, at dette sker, er som følger. Uanset hvordan en observatør bevæger sig, vil hastigheden af det lys, der kommer fra den pågældende stjerne, altid være det samme tal, hvis han måler den.

Forestil dig, at en astronaut var helt alene i et andet univers. Det har kun en astronaut og et rumskib. Bevæger han sig? Står han stille? Disse spørgsmål betyder ikke noget. Hvorfor? Fordi når vi siger, at vi bevæger os, mener vi, at vi kan måle vores afstand til noget andet på forskellige tidspunkter. Hvis tallene bliver større, bevæger vi os væk. Hvis tallene bliver mindre, bevæger vi os tættere på. For at have bevægelse skal man have mindst to ting. Et fly kan bevæge sig med flere hundrede kilometer i timen, men passagererne siger: "Jeg sidder bare her."

Lad os antage, at nogle mennesker befinder sig på et rumskib, og at de ønsker at lave et nøjagtigt ur. I den ene ende sætter de et spejl, og i den anden ende sætter de en simpel maskine. Den skyder et kort lysskud mod spejlet og venter derefter. Lyset rammer spejlet og preller tilbage. Når det rammer en lysdetektor på maskinen, siger maskinen: "Tæller = 1", og samtidig skyder den endnu et kort lysbølger mod spejlet, og når lyset kommer tilbage, siger maskinen: "Tæller = 2". De beslutter, at et bestemt antal studser skal defineres som et sekund, og de får maskinen til at ændre sekundetælleren, hver gang den har registreret dette antal studser. Hver gang den ændrer sekundetælleren, blinker den også et lys ud gennem et porthul under maskinen. Så en person udenfor kan se lyset blinke hvert sekund.

Alle børn i folkeskolen lærer formlen d=rt (afstand er lig med hastighed ganget med tid). Vi kender lysets hastighed, og vi kan nemt måle afstanden mellem maskinen og spejlet og gange den med den for at få afstanden, som lyset tilbagelægger. Så vi har både d og r, og vi kan nemt beregne t. Folkene på rumskibet sammenligner deres nye "lysur" med deres forskellige armbåndsure og andre ure, og de er tilfredse med, at de kan måle tiden godt med deres nye lysur.

Rumskibet flyver nu meget hurtigt. De ser et blink fra uret på rumskibet, og så ser de et nyt blink. Blinklysene kommer bare ikke med et sekund mellemrum. De kommer med en langsommere hastighed. Lyset går altid med samme hastighed, d = rt. Det er derfor, at uret på rumskibet ikke blinker én gang i sekundet for den udefrakommende iagttager.

Den specielle relativitetsteori sætter også energi i forbindelse med masse i Albert Einsteins formel E=mc . ²

E=mc² , også kaldet masse-energi ækvivalensen, er en af de ting, som Einstein er mest berømt for. Det er en berømt ligning inden for fysik og matematik, der viser, hvad der sker, når masse ændres til energi eller energi ændres til masse. "E" i ligningen står for energi. Energi er et tal, som man giver genstande alt efter, hvor meget de kan ændre andre ting. F.eks. kan en mursten, der hænger over et æg, tilføre ægget nok energi til at knække det, men det kan en fjer ikke.

Der findes tre grundlæggende energiformer: potentiel energi, kinetisk energi og hvileenergi. To af disse energiformer kan ses i de ovenstående eksempler og i eksemplet med et pendul.

En kanonkugle hænger i et reb fra en jernring. En hest trækker kanonkuglen til højre side. Når kanonkuglen slippes løs, bevæger den sig frem og tilbage som vist på tegningen. Det ville den gøre for evigt, bortset fra at rebet i ringen og gnidningen andre steder forårsager friktion, og friktionen tager hele tiden lidt energi fra den. Hvis vi ser bort fra tabet på grund af friktion, så gives den energi, som hesten tilfører kanonkuglen, til kanonkuglen som potentiel energi. (Den har energi, fordi den er højt oppe og kan falde ned.) Efterhånden som kanonkuglen svinger nedad, får den mere og mere fart, så jo tættere på bunden den kommer, jo hurtigere går den, og jo hårdere vil den ramme dig, hvis du stod foran den. Derefter bliver den langsommere, da dens kinetiske energi bliver omdannet tilbage til potentiel energi. "Kinetisk energi" betyder blot den energi, som noget har, fordi det er i bevægelse. "Potentiel energi" betyder blot den energi, som noget har, fordi det befinder sig i en højere position end noget andet.

Når energi overføres fra en form til en anden, forbliver energimængden altid den samme. Den kan hverken fremstilles eller ødelægges. Denne regel kaldes "energiens bevarelseslov". Når du f.eks. kaster en bold, overføres energien fra din hånd til bolden, når du slipper den. Men den energi, der var i din hånd, og den energi, der nu er i bolden, er det samme antal. I lang tid troede folk, at energibevarelse var det eneste, der var at tale om.

Når energi omdannes til masse, forbliver energimængden ikke den samme. Når masse omdannes til energi, forbliver energimængden heller ikke den samme. Mængden af stof og energi forbliver dog den samme. Energi bliver til masse, og masse bliver til energi på en måde, der er defineret ved Einsteins ligning E = mc² .

"m" i Einsteins ligning står for masse. Masse er den mængde stof, der er i et legeme. Hvis man kendte antallet af protoner og neutroner i et stykke stof som f.eks. en mursten, kunne man beregne den samlede masse som summen af alle protonernes og neutronernes masse. (Elektroner er så små, at de næsten er ubetydelige.) Masserne trækker på hinanden, og en meget stor masse som Jordens trækker meget hårdt på ting i nærheden. Du ville veje meget mere på Jupiter end på Jorden, fordi Jupiter er så stor. Du ville veje meget mindre på Månen, fordi den kun vejer en sjettedel af Jordens masse. Vægt er relateret til vægten af murstenen (eller personen) og vægten af det, der trækker den ned på en fjedervægt - som kan være mindre end den mindste måne i solsystemet eller større end Solen.

Masse, ikke vægt, kan omdannes til energi. En anden måde at udtrykke denne idé på er at sige, at stof kan omdannes til energi. Massenheder bruges til at måle mængden af stof i noget. Massen eller mængden af stof i noget bestemmer, hvor meget energi det kan omdannes til.

Energi kan også omdannes til masse. Hvis du skubber en barnevogn i langsom gang og synes, at den er let at skubbe, men skubber den i hurtig gang og synes, at den er sværere at flytte, så vil du undre dig over, hvad der er galt med barnevognen. Hvis du så prøvede at løbe og fandt ud af, at det var som at skubbe mod en mur at flytte barnevognen ved en højere hastighed, ville du blive meget overrasket. Sandheden er, at når noget flyttes, øges dets masse. Mennesker bemærker normalt ikke denne masseforøgelse, fordi den ved den hastighed, som mennesker normalt bevæger sig med, næsten ikke er nogen masseforøgelse.

Når hastighederne kommer tættere på lysets hastighed, bliver det umuligt at undgå at bemærke masseændringerne. Den grundlæggende erfaring, som vi alle deler i dagligdagen, er, at jo hårdere vi skubber til noget som f.eks. en bil, jo hurtigere kan vi få den til at køre. Men når noget, vi skubber, allerede kører med en stor del af lysets hastighed, vil vi opdage, at det bliver ved med at få mere masse, så det bliver sværere og sværere at få det til at køre hurtigere. Det er umuligt at få en masse til at bevæge sig med lysets hastighed, for det ville kræve uendelig energi at gøre det.

Nogle gange vil en masse ændre sig til energi. Almindelige eksempler på grundstoffer, der foretager disse ændringer, som vi kalder radioaktivitet, er radium og uran. Et uranatom kan miste en alfapartikel (heliums atomkerne) og blive til et nyt grundstof med en lettere kerne. Så vil dette atom afgive to elektroner, men det vil ikke være stabilt endnu. Det vil udsende en række alfapartikler og elektroner, indtil det til sidst bliver til grundstoffet Pb, eller det, vi kalder bly. Ved at smide alle disse partikler ud, som har masse, har det gjort sin egen masse mindre. Den har også produceret energi.

I de fleste tilfælde af radioaktivitet bliver hele massen af noget ikke omdannet til energi. I en atombombe bliver uran omdannet til krypton og barium. Der er en lille forskel i massen af det resulterende krypton og barium og massen af den oprindelige uran, men den energi, der frigives ved ændringen, er enorm. En måde at udtrykke denne idé på er at skrive Einsteins ligning som:

E = (_muranium - mkrypton _{og barium}) c ²

c² i ligningen står for lysets hastighed i kvadrat. At kvadrere noget betyder at gange det med sig selv, så hvis man kvadrerede lysets hastighed, ville den være 299.792.458 meter i sekundet gange 299.792.458 meter i sekundet, hvilket er ca.
(3-10 )⁸² = (9-10¹⁶ meter² )/sekund²
 = 90.000.000.000.000.000.000.000.000 meter /sekund²²
 Så den energi, der produceres af et kilo, ville være:
E = 1 kg - 90.000.000.000.000.000.000.000.000 meter /sekund²²
 E = 90.000.000.000.000.000.000.000 kg meter /sekund²²
 eller
E = 90.000.000.000.000.000.000.000.000 joule
eller
E = 90.000 terajoule

Der blev frigivet ca. 60 terajoule ved atombomben, der eksploderede over Hiroshima. Så omkring to tredjedele af et gram af den radioaktive masse i denne atombombe må være gået tabt (omdannet til energi), da uran blev omdannet til krypton og barium.

Ideen om et Bose-Einstein-kondensat opstod i et samarbejde mellem S. N. Bose og professor Einstein. Einstein opfandt den ikke selv, men videreudviklede ideen og hjalp den med at blive populær.

Konceptet om nulpunktsenergi blev udviklet i Tyskland af Albert Einstein og Otto Stern i 1913.

I den klassiske fysik forklares momentum ved hjælp af ligningen:

p = mv

hvor

p repræsenterer momentum

m repræsenterer masse

v repræsenterer hastigheden (hastigheden)

Da Einstein generaliserede den klassiske fysik til at omfatte masseforøgelsen som følge af den bevægelige materies hastighed, nåede han frem til en ligning, der forudsagde, at energi består af to komponenter. Den ene komponent omfatter "hvilemasse" og den anden komponent omfatter impuls, men impuls er ikke defineret på den klassiske måde. Ligningen har typisk værdier større end nul for begge komponenter:

E² = (m c )₀²² + (pc)²

hvor

E repræsenterer en partikels energi

m₀ repræsenterer partiklens masse, når den ikke bevæger sig

p repræsenterer partiklens impuls, når den er i bevægelse

c er lysets hastighed.

Der er to særlige tilfælde af denne ligning.

En foton har ingen hvilemasse, men den har et momentum. (Lys, der reflekteres fra et spejl, skubber spejlet med en kraft, der kan måles.) I tilfælde af en foton, fordi dens m₀ = 0, så:

E² = 0 + (pc)²

E = pc

p = E/c

En fotons energi kan beregnes ud fra dens frekvens ν eller bølgelængde λ. Disse er relateret til hinanden ved Plancks relation, E = hν = hc/λ, hvor h er Planck-konstanten (6,626×10⁻³⁴ joule-sekunder). Når man kender enten frekvensen eller bølgelængden, kan man beregne fotonens impulsmængde.

I tilfælde af ubevægelige partikler med masse, da p = 0, så:

E₀² = (m c )₀²² + 0

som blot er

E₀ = m c₀²

Derfor kaldes størrelsen "m₀ ", der anvendes i Einsteins ligning, undertiden for "hvilemassen". ("0" minder os om, at vi taler om energi og masse, når hastigheden er 0). Denne berømte formel for "masse-energi-relationen" (som normalt skrives uden "0 "erne) antyder, at masse har en stor mængde energi, så måske kunne vi omdanne noget masse til en mere nyttig form for energi. Atomkraftindustrien er baseret på denne idé.

Einstein sagde, at det ikke var en god idé at bruge den klassiske formel for impuls og hastighed, p = mv, men at hvis man ville gøre det, skulle man bruge en partikelmasse m, der ændrer sig med hastigheden:

m_v² = m₀² / (1 - v /c )²²

I dette tilfælde kan vi sige, at E = mc² også gælder for partikler i bevægelse.

Den generelle relativitetsteori blev offentliggjort i 1915, ti år efter at den specielle relativitetsteori var blevet skabt. Einsteins generelle relativitetsteori bruger ideen om rumtid. Rumtid er det faktum, at vi har et firedimensionelt univers, der har tre rumlige (rum) dimensioner og en tidsmæssig (tid) dimension. Enhver fysisk begivenhed sker et sted inden for disse tre rumdimensioner og på et tidspunkt i tiden. I henhold til den generelle relativitetsteori får enhver masse rumtiden til at krumme sig, og enhver anden masse følger disse kurver. Større masse forårsager mere krumning. Dette var en ny måde at forklare gravitation (tyngdekraften) på.

Den generelle relativitetsteori forklarer gravitationslinser, som er lys, der bøjes, når det kommer tæt på et massivt objekt. Denne forklaring blev bevist korrekt under en solformørkelse, hvor solens bøjning af stjernelyset fra fjerne stjerner kunne måles på grund af mørket under formørkelsen.

Den generelle relativitetsteori dannede også grundlaget for kosmologien (teorier om universets struktur på store afstande og over lange tidsrum). Einstein mente, at universet kan krumme sig en smule i både rum og tid, så universet altid har eksisteret og altid vil eksistere, og at hvis et objekt bevægede sig gennem universet uden at støde ind i noget, ville det efter meget lang tid vende tilbage til sit udgangspunkt fra den anden retning. Han ændrede endda sine ligninger til at inkludere en "kosmologisk konstant" for at muliggøre en matematisk model for et uforanderligt univers. Den generelle relativitetsteori tillader også, at universet breder sig ud (bliver større og mindre tæt) for evigt, og de fleste forskere mener, at astronomien har bevist, at det er det, der sker. Da Einstein indså, at gode modeller af universet var mulige selv uden den kosmologiske konstant, kaldte han sin brug af den kosmologiske konstant for sin "største brøler", og denne konstant udelades ofte fra teorien. Mange forskere mener imidlertid nu, at den kosmologiske konstant er nødvendig for at få plads til alt det, vi nu ved om universet.

En populær kosmologisk teori kaldes Big Bang. Ifølge Big Bang-teorien blev universet dannet for 15 milliarder år siden i det, der kaldes en "gravitationel singularitet". Denne singularitet var lille, tæt og meget varm. Ifølge denne teori kom alt det stof, som vi kender i dag, ud af dette punkt.

Einstein selv havde ikke idéen om et "sort hul", men senere brugte videnskabsfolk denne betegnelse for et objekt i universet, der bøjer rumtiden så meget, at ikke engang lys kan slippe ud af det. De mener, at disse ultratætte objekter dannes, når kæmpestjerner, der er mindst tre gange så store som vores sol, dør. Denne begivenhed kan følge efter det, der kaldes en supernova. Dannelsen af sorte huller kan være en vigtig kilde til gravitationsbølger, så søgningen efter beviser for gravitationsbølger er blevet en vigtig videnskabelig opgave.

Mange videnskabsmænd bekymrer sig kun om deres arbejde, men Einstein talte og skrev også ofte om politik og verdensfred. Han kunne lide ideerne om socialisme og om kun at have én regering for hele verden. Han arbejdede også for zionismen, som var et forsøg på at skabe det nye land Israel.

På opfordring af sin kollega L. E. J. Brouwer læste Einstein filosoffen Eric Gutkind's bog Choose Life, en diskussion om forholdet mellem jødisk åbenbaring og den moderne verden. Den 3. januar 1954 sendte Einstein følgende svar til Gutkind: "Ordet Gud er for mig ikke andet end udtryk og produkt af menneskelige svagheder, Bibelen en samling hæderlige, men stadig primitive legender, som ikke desto mindre er temmelig barnlige. .... For mig er den jødiske religion ligesom alle andre religioner en inkarnation af den mest barnagtige overtro." I 2018 blev hans brev til Gutkind solgt for 2,9 millioner dollars.

Selv om Einstein havde mange idéer, der hjalp videnskabsfolk til at forstå verden meget bedre, var han uenig i nogle videnskabelige teorier, som andre videnskabsfolk kunne lide. Teorien om kvantemekanik diskuterer ting, der kun kan ske med visse sandsynligheder, som ikke kan forudsiges med større præcision, uanset hvor mange oplysninger vi måtte have. Denne teoretiske stræben adskiller sig fra statistisk mekanik, som Einstein gjorde et vigtigt stykke arbejde inden for. Einstein brød sig ikke om den del af kvanteteorien, der benægtede mere end sandsynligheden for, at noget ville vise sig at være sandt for noget, når det faktisk blev målt; han mente, at det burde være muligt at forudsige hvad som helst, hvis vi havde den korrekte teori og nok information. Han sagde engang: "Jeg tror ikke, at Gud spiller terninger med universet."

Fordi Einstein hjalp videnskaben så meget, bruges hans navn nu til flere forskellige ting. En enhed, der bruges inden for fotokemi, er opkaldt efter ham. Den er lig med Avogadros tal ganget med energien af en foton lys. Det kemiske grundstof Einsteinium er også opkaldt efter videnskabsmanden. I slang kalder vi nogle gange en meget klog person for "Einstein".

De fleste videnskabsmænd mener, at Einsteins specielle og generelle relativitetsteorier fungerer meget godt, og de bruger disse idéer og formler i deres eget arbejde. Einstein var uenig i, at fænomener i kvantemekanikken kan ske ud fra rene tilfældigheder. Han mente, at alle naturfænomener har forklaringer, der ikke omfatter ren tilfældighed. Han brugte en stor del af sit senere liv på at finde en "forenet feltteori", der skulle omfatte hans generelle relativitetsteori, Maxwells teori om elektromagnetisme og måske en bedre kvanteteori. De fleste videnskabsmænd mener ikke, at han lykkedes med dette forsøg.