Vuosituhannen lopulla Fysiikan maailma -lehti teki kyselyn, jossa he kysyivät 100: lta maailman johtavista fyysikoista, joita he pitivät kaikkien aikojen kymmenen parhaan tiedemiehen joukossa. Sen lisäksi, että on Albert Einstein, joka on koskaan elänyt tunnetuimpana tiedemiehenä, on kotitalousnimi, synonyymi neroudelle ja loputtomalle luovuudelle.
Erityisen ja yleisen suhteellisuuden löytäjänä Einstein mullisti ymmärrystämme ajasta, tilasta ja maailmankaikkeudesta. Tämä löytö yhdessä kvanttimekaniikan kehityksen kanssa lopetti tehokkaasti Newtonin fysiikan aikakauden ja synnytti nykyajan. Kahdelle edelliselle vuosisadalle oli ominaista yleinen painovoima ja kiinteät viitekehykset, mutta Einstein auttoi ohjaajaa epävarmuuden, mustien reikien ja ”kaukaisten toimien kaudella”.
Aikainen elämä:
Albert Einstein syntyi 14. maaliskuuta 1879 Ulmin kaupungissa, joka oli osa Wurttenmbergin kuningaskuntaa (nykyinen Saksan liittotasavalta Baden-Württemberg). Hänen vanhempansa olivat Hermann Einstein (myyntimies ja insinööri) ja Pauline Koch, jotka eivät olleet tarkkaavaisia aškenazi-juutalaisia - laaja jiddiikielisten juutalaisten yhteisö, jotka asuivat Saksassa ja Keski-Euroopassa.
Vuonna 1880, kun hän oli vain kuusi viikkoa vanha, Einsteinin perhe muutti Müncheniin, missä hänen isänsä ja setänsä perustivat Elektrotechnische Fabrik J. Einstein & Cie (yritys, joka valmisti tasavirtaan perustuvia sähkölaitteita). Vuonna 1894 hänen isänsä yritys epäonnistui ja perhe muutti Italiaan, kun Einstein pysyi Münchenissä suorittaakseen opintonsa.
Koulutus:
Vuonna 1884 Albert Einstein osallistui katoliseen alakouluun, jossa hän pysyi vuoteen 1887 asti. Tuolloin hän siirtyi Luitpoldin lukioon, missä hän sai syventävän peruskoulun ja toisen asteen koulutuksen. Hänen isänsä toivoi, että Einstein seuraa hänen jalanjälkensä ja menee sähkötekniikkaan, mutta Einsteinillä oli vaikeuksia koulun opetusmenetelmissä, mieluummin itseohjautuva kuin rote-oppiminen.
Einstein kirjoitti lyhyen esseen nimeltä "Eetteritilan tutkimisesta magneettikentällä" Italiassa vuonna 1894 vieraillun hänen perheensä kanssa Italiassa - se olisi hänen ensimmäinen tieteellinen julkaisu. Vuonna 1895 Einstein teki pääsykokeen Sveitsin liittovaltion ammattikorkeakouluun Zürichissä - nykyisin nimellä Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich).
Vaikka hän ei täyttänyt kaikkia vaatimuksia, hän sai poikkeuksellisia arvosanoja fysiikassa ja matematiikassa. Hän osallistui Zürichin ammattikorkeakoulun rehtorin neuvostossa Argovian kantonikouluun Aaraussa, Sveitsissä lopettaakseen keskiasteen koulutuksen. Tämän hän teki vuosina 1895-96 oleskellessaan professorin perheen kanssa.
Syyskuussa 1896 hän suoritti sveitsiläisen päästökokeen enimmäkseen hyvillä arvosanoilla, mukaan lukien fysiikan ja matemaattisten aineiden ylin arvosanat. Vaikka hän oli vasta 17-vuotias, hän ilmoittautui Zürichin ammattikorkeakoulun nelivuotiseen matematiikan ja fysiikan opetusohjelmaan. Siellä hän tapasi ensimmäisen ja tulevan vaimonsa, Mileva Maricin, Serbian kansalaisen ja ainoan naisen kuuden matematiikan ja fysiikan opiskelijan joukossa.
Heidän avioliitonsa olisi vuonna 1904 ja heillä olisi kaksi poikaa, mutta heidät avioituisi vuoteen 1919 mennessä, kun he olisivat olleet erillään viisi vuotta. Myöhemmin Einstein avioitui uudelleen, tällä kertaa serkkunsa Elsa Löwenthalin kanssa - jonka kanssa hän pysyi naimisissa hänen kuolemaansa saakka vuonna 1939. Samana aikana Einstein jatkoi saavuttaakseen suurimmat tieteelliset saavutuksensa.
Tieteelliset saavutukset:
Vuonna 1900 Einstein sai Zürichin ammattikorkeakoulun opettajan tutkintotodistuksen. Valmistuttuaan hän vietti lähes kaksi vuotta etsimällä opetustehtävää ja sai Sveitsin kansalaisuuden. Lopulta Einsten sai ystävänsä ja kollegansa Marcel Grossmannin isän avustuksella työpaikan Berliinin teollis- ja tekijänoikeuksien liittovaltion virastossa. Vuonna 1903 hänen tehtävästään tuli pysyvä.
Suuri osa Einsteinin työstä patenttitoimistossa liittyi kysymyksiin sähköisten signaalien siirrosta ja ajan sähkö-mekaanisesta synkronoinnista. Nämä tekniset ongelmat ilmestyvät toistuvasti Einsteinin ajatuskokeissa, johtaen lopulta radikaaleihin päätelmiinsä valon luonteesta ja avaruuden ja ajan välisestä perustavasta yhteydestä.
Vuonna 1900 hän julkaisi paperin, jonka otsikko on ”Folgerungen aus den Capillaritätserscheinungen”(” Päätelmät kapillaarisuusilmiöistä ”). Hän vetosi Newtonin teoriasta universaalisesta painovoimasta ja esitti tässä artikkelissa teorian, jonka mukaan kaikkien molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat etäisyyden universaalia funktiota, analogisesti painovoiman käänteis-neliövoiman kanssa. Tämän osoittautuisi myöhemmin väärin, mutta lehden julkaiseminen arvostetussa lehdessäAnnalen der Physik (Journal of Physics) sai huomion akateemisesta maailmasta.
Einstein suoritti tutkielmansa 30. huhtikuuta 1905 yliopiston kokeellisen fysiikan professori Alfred Kleinerin tarkkailemalla silmällä. Hänen väitöskirjansa, jonka otsikko oli ”Molekulaaristen ulottuvuuksien uusi määritys”, sai hänelle tohtorin tutkinnon Zürichin yliopistossa.
Samana vuonna luovan älyllisen energian räjähdyksessä - joka tunnetaan nimellä hänen ”Annus mirabilis” (ihmevuosi) - Einstein julkaisi myös neljä uraauurtavaa artikkelia valosähkövaikutuksesta, Brownin liikkeestä, erityisestä suhteellisuudesta ja massan ja energian vastaavuudesta, mikä saattaisi hänet huomion kansainväliseen tiedeyhteisöön.
Vuonna 1908 hänet nimitettiin luennoitsijaksi Bernin yliopistossa. Seuraavana vuonna kirjoitettuaan luennon sähköodynamiikasta ja suhteellisuusperiaatteesta Zürichin yliopistossa, Alfred Kleiner suositteli häntä tiedekunnalle vasta perustetulle teoreettisen fysiikan professuurille. Einstein nimitettiin apulaisprofessoriksi vuonna 1909.
Huhtikuussa 1911 Einsteinistä tuli täysi professori Charles-Ferdinandin yliopistossa Praquessa, joka oli tuolloin osa Itä-Unkarin valtakuntaa. Prahan aikanaan hän kirjoitti 11 tieteellistä teosta, joista 5 olivat säteilymatematiikkaa ja kiinteiden aineiden kvantiteoriaa.
Heinäkuussa 1912 hän palasi Sveitsiin ja ETH Zürichiin, missä hän opetti analyyttistä mekaniikkaa ja termodynamiikkaa vuoteen 1914 saakka. ETH Zürichissä työskennellessään aikana hän opiskeli myös jatkumomekaniikkaa sekä lämmön molekyyliteoriaa ja gravitaation ongelmaa. Vuonna 1914 hän palasi Saksaan ja nimitettiin Kaiser Wilhelmin fysiikan instituutin johtajaksi (1914–1932) ja professori Berliinin Humboldt-yliopistoon.
Pian hänestä tuli Preussin tiedeakatemian jäsen, ja hän toimi vuosina 1916-1918 Saksan fyysisen yhdistyksen presidenttinä. Vuonna 1920 hänestä tuli Alankomaiden kuninkaallisen taiteen ja tieteen akatemian ulkomaanjäsen ja hänet valittiin kuninkaallisen yhdistyksen (ForMemRS) ulkomaalaisjäseneksi vuonna 1921.
Pakolaisaseman tila:
Vuonna 1933 Einstein vieraili Yhdysvalloissa kolmannen kerran. Mutta toisin kuin aiemmat vierailut - joissa hän piti luentosarjoja ja kiertueita - hän tiesi tässä yhteydessä, että hän ei voinut palata Saksaan johtuen natsismin noususta Adolf Hitlerin johdolla. Suoritettuaan kolmannen kahden kuukauden vierailevan professuurinsa amerikkalaisissa yliopistoissa, hän ja vaimo Elsa matkustivat Antwerpeniin, Belgiaan maaliskuussa 1933.
Heidän saapuessaan, kun he saivat tietää, että natsit olivat ryhtyneet heidän mökkinsä ja heidän henkilökohtainen purjevene takavarikoitiin, Einstein luopui Saksan kansalaisuudestaan. Kuukautta myöhemmin Einsteinin teokset kuuluivat natsien kirjojen polttamisen kohteena oleviin teoksiin, ja hänet asetettiin "Saksan hallinnon vihollisten" luetteloon, ja hänen päällään oli 5000 dollarin palkkio.
Tänä aikana Einsteinista tuli osa suurta saksalaisten ja juutalaisten entisten patriootien yhteisöä Belgiassa, joista monet olivat tutkijoita. Muutaman kuukauden ajan hän vuokrasi talon De Haanissa, Belgiassa, jossa hän asui ja työskenteli. Hän omistautui myös juutalaisten tutkijoiden auttamiselle vainosta ja murhista natsien käsissä.
Heinäkuussa 1933 hän meni Englantiin ystävänsä ja merivoimien komentajan Oliver Locker-Lampsonin henkilökohtaisella kutsulla. Siellä hän tapasi parlamentin silloisen parlamentin jäsenen Winston Churchillin ja entisen pääministerin Lloyd George'in ja pyysi heitä auttamaan juutalaisten tutkijoita Saksasta. Yhden historioitsijan mukaan Churchill lähetti fyysikko Frederick Lindemannin Saksaan etsimään juutalaisia tutkijoita ja sijoittamaan heidät Britannian yliopistoihin.
Einstein otti myöhemmin yhteyttä muiden valtioiden johtajiin, mukaan lukien Turkin pääministeri Ismet Inönü, pyytää apua natseista pakenevien juutalaisten kansalaisten uudelleensijoittamisessa. Syyskuussa 1933 hän kirjoitti Inönülle pyytäen työttömien saksalais-juutalaisten tutkijoiden sijoittamista. Einsteinin kirjeen seurauksena juutalaisten kutsuja Turkkiin oli lopulta yli 1000 henkilöä.
Vaikka Locker-Lamspon kehotti Ison-Britannian parlamenttia laajentamaan kansalaisuuttaan Einsteiniin, hänen pyrkimyksensä epäonnistuivat, ja Einstein hyväksyi aikaisemman New Jerseyn Princeton Institute for Advanced Study -tarjouksen tulla residenssitutkijaksi. Lokakuussa 1933 Einstein saapui Yhdysvaltoihin ja aloitti aseman.
Tuolloin useimmissa amerikkalaisissa yliopistoissa oli vain vähän juutalaisia tiedekuntia tai opiskelijoita tai ei lainkaan lainkaan, koska kiintiöt rajoittivat ilmoittautuvien tai opettavien juutalaisten määrää. Niiden voimassaolo päättyy vuoteen 1940 mennessä, mutta ne olivat edelleen este amerikkalaisten juutalaisten tutkijoiden osallistumiselle täysimääräisesti akateemiseen elämään ja yliopistokoulutuksen saamiseen.
Vuonna 1935 Einstein haki pysyvää kansalaisuutta Yhdysvalloissa, joka hänelle myönnettiin vuonna 1940. Hän pysyisi Yhdysvalloissa ja jatkaisi yhteyttään syventävien tutkimusten instituuttiin kuolemaansa vuonna 1955. Tänä aikana Einstein yritti kehittää yhtenäisen kenttäteorian ja kvanttifysiikan hyväksytyn tulkinnan kumottamiseksi, molemmat epäonnistuneesti.
Manhattan-projekti:
Toisen maailmansodan aikana Einsteinillä oli tärkeä rooli Manhattan-projektin luomisessa - atomipommin kehittämisessä. Tämä projekti alkoi sen jälkeen, kun unkarilaisen fyysikon Leó Szilárdin johtama tutkijaryhmä otti Einsteinin yhteyttä vuonna 1939. Kuultuaan heidän natsien ydinaseohjelmaa koskevista varoituksistaan, hän kirjoitti kirjeen tuollaiselle presidentti Rooseveltille varoittaen häntä äärimmäisestä vaarasta. tällaisen aseen natsien käsissä.
Vaikka patsifisti, joka ei ollut koskaan ajatellut ajatusta käyttää ydinfysiikkaa aseen kehittämiseen, Einstein oli huolissaan natseista, joilla oli tällainen ase. Sellaisenaan hän ja Szilárd yhdessä muiden pakolaisten, kuten Edward Tellerin ja Eugene Wignerin kanssa, ”pitivät velvollisuutenaan varoittaa amerikkalaisia mahdollisuudesta, että saksalaiset tutkijat saattavat voittaa kilpailun atomipommin rakentamiseksi, ja varoittaa, että Hitler olla enemmän kuin halukas turvautumaan tällaiseen aseeseen. "
Historialaisten Sarah J. Diehlin ja James Clay Moltzin mukaan kirje oli "kiistatta avaintekijä USA: n vakavien ydinaseita koskevien tutkimusten aloittamiselle Yhdysvaltain toisen maailmansodan alkamisen aattona". Kirjeen lisäksi Einstein käytti yhteyksiään Belgian kuninkaalliseen perheeseen ja belgialaisen kuningattaren äitiinsä päästäkseen henkilökohtaisen lähettilään kautta Valkoisen talon soikeaan toimistoon, missä hän tapasi Rooseveltin keskustellakseen vaarasta henkilökohtaisesti.
Einsteinin kirjeen ja hänen Rooseveltin kanssa pidetyn tapaamisen seurauksena Yhdysvallat käynnisti Manhattan-projektin ja mobilisoi kaikki tarvittavat resurssit tutkimaan, rakentamaan ja testaamaan atomipommia. Vuoteen 1945 mennessä liittoutuneet valtiot voittivat tämän asekilpailun osan, koska Saksa ei ollut koskaan onnistunut luomaan omaa atomiasemaansa.
Perinpohjainen patsifisti, Einstein tuli myöhemmin syvästi pahoittelemaan osallistumistaan ydinaseiden kehittämiseen. Kuten hän sanoi ystävälleen Linus Paulingille vuonna 1954 (vuosi ennen kuolemaansa): "Tein yhden suuren virheen elämässäni - allekirjoittaessani presidentti Rooseveltille kirjeen, jossa suositeltiin atomipommien tekemistä; mutta siellä oli jonkinlainen perustelu - vaara, että saksalaiset tekisivät heidät. "
Suhteellisuusteoria:
Vaikka Einstein on saavuttanut monia merkittäviä saavutuksia vuosien varrella, ja hänet tunnetaan laajalti panoksestaan Manhattan-projektin perustamiseen, hänen kuuluisin teoria on se, jota edustaa yksinkertainen yhtälö E = mc ² (missä E on energia, m on massa, ja C on valon nopeus). Tämä teoria kaataisi vuosisatojen tieteellisen ajattelun ja ortodoksiat.
Mutta tietenkin, Einstein ei kehittänyt tätä teoriaa tyhjiössä, ja tie, joka sai hänet toteamaan, että aika ja tila olivat suhteessa tarkkailijaan, oli pitkä ja mutkikas. Einsteinin lopullinen suhteellisuustepoteesi oli suurelta osin yritystä sovittaa Newtonin mekaniikkalakeja sähkömagneettisten lakien kanssa (kuten Maxwellin yhtälöt ja Lorentzin voimalaki luonnehtivat).
Tiedemiehet olivat jo jonkin aikaa kamppailleet näiden kahden kentän välisistä epäjohdonmukaisuuksista, jotka heijastuivat myös Newtonin fysiikkaan. Isaac Newton oli sitoutunut ajatukseen absoluuttisesta tilasta ja ajasta, mutta hän noudatti myös Galileon suhteellisuusteoriaa, jonka mukaan: "Jokainen tarkkailija, joka liikkuu vakiona nopeudella ja suunnassa toistensa suhteen, saavat samat tulokset kaikissa mekaanisissa kokeissa."
Vuodesta 1905 lähtien, kun Einstein julkaisi perustiedotteensa ”Liikkuvien kappaleiden sähköodynamiikasta”, Tutkijoiden työssä vallitseva yksimielisyys totesi, että liikkuvan väliaineen läpi kulkevaa valoa vedetään väliaineen mukana. Tämä puolestaan tarkoitti, että valon mitattu nopeus olisi yksinkertainen summa sen nopeudesta kautta keskipitkä plus nopeus of tuo väliaine.
Tämän teorian mukaan myös tila oli täynnä ”valaisevaa eetteriä”, hypoteettista väliainetta, jonka uskottiin olevan välttämätöntä valon leviämiselle koko maailmankaikkeudessa. Sen mukaan tämä eetteri joko vetää liikkuvan aineen tai kuljettaa sen sisällä. Tämä yksimielisyys johti kuitenkin lukuisiin teoreettisiin ongelmiin, jotka Einsteinin aikaan olivat olleet ratkaisematta.
Yhden tutkijat eivät olleet löytäneet absoluuttista liiketilaa, mikä osoitti, että liikkeen relatiivisuusperiaate (ts. Vain tämä) suhteellinen liike on havaittavissa, eikä ole mitään absoluuttista lepoa)) oli kelvollinen. Toiseksi, siellä oli myös meneillään oleva ongelma, jonka aiheutti "tähtien abborointi", ilmiö, jossa taivaankappaleiden näkyvä liike sijaintinsa suhteen riippui tarkkailijan nopeudesta.
Lisäksi veden valonopeudella tehdyt testit (Fizeau-kokeilu) osoittivat, että liikkuvan väliaineen läpi kulkeva valo vetää väliainetta pitkin, mutta ei läheskään niin paljon kuin odotettiin. Tämä tuki muita kokeiluja - kuten Fresnelin osittaista eetterihiontahypoteesia ja Sir George Stokesin kokeiluja - jotka ehdottivat, että eetteri on joko osittain tai kokonaan aineen mukana.
Einsteinin teoria erityisestä suhteellisuudesta oli uraauurtava, koska hän väitti, että valon nopeus on sama kaikissa inertioissa referenssikehyksissä, ja esitteli ajatuksen, että suuria muutoksia tapahtuu, kun asiat liikkuvat lähellä valon nopeutta. Niihin sisältyy liikkuvan kehon aika-avaruuskehys, joka näyttää hidastuvan ja supistuvan liikesuuntaan tarkkailijan kehyksessä mitattuna.
Einsteinin erityisen suhteellisuuden teoriana tunnetuina havainnoissaan Maxwellin sähkön ja magneettisen yhtälön yhdistettiin mekaniikkalakeihin, yksinkertaistettiin matemaattisia laskelmia poistamalla muiden tutkijoiden käyttämät ulkopuoliset selitykset ja tehtiin eetterin olemassaolosta täysin tarpeeton. Se vastasi myös suoraan havaittua valon nopeutta ja otti huomioon havaitut poikkeamat.
Luonnollisesti Einsteinin teoria vastasi tiedeyhteisön sekalaisia reaktioita, ja se pysyisi kiistanalainen monien vuosien ajan. Hänen yhden yhtälönsä kanssa E = mc ², Einstein oli huomattavasti yksinkertaistanut tarvittavia laskelmia valon leviämisen ymmärtämiseksi. Hän ehdotti myös, että tila ja aika (samoin kuin aine ja energia) olivat vain saman asian eri ilmaisuja.
Vuodesta 1907 vuoteen 1911, työskenteleessään edelleen patenttivirastossa, Einstein alkoi pohtia, kuinka erityistä suhteellisuusteoriaa voitaisiin soveltaa painovoimakenttiin - mitä kutsutaan yleisen suhteellisuusteorian teoriaksi. Tämä alkoi artikkelissa, jonka otsikko on “Suhteellisuusperiaatteesta ja siitä tehdyistä johtopäätöksistä, Julkaistu vuonna 1907, jossa hän käsitteli, kuinka erikoissuhteellisuussääntöä voitaisiin soveltaa myös kiihtyvyyteen.
Lyhyesti sanottuna hän väitti, että vapaa pudotus on todella inertiaalinen liike; ja tarkkailijaan on sovellettava erityisen suhteellisuussäännön sääntöjä. Tämä väite tunnetaan myös nimellä Equivalence Principle, jonka mukaan painovoimamassa on identtinen inertiaalimassan kanssa. Samassa artikkelissa Einstein ennusti myös gravitaatioajan laajentumisen ilmiötä - jolloin kaksi tarkkailijaa, jotka sijaitsevat etäisyydellä gravitaatio massasta, havaitsevat ajanjakson eron kahden tapahtuman välillä.
Vuonna 1911 Einstein julkaisi ”Painovoiman vaikutuksesta valon leviämiseen”, Joka laajeni 1907 artikkeliin. Tässä artikkelissa hän ennusti, että laatikko, joka sisältää ylöspäin kiihtyvän kellon, kokee aikaa nopeammin kuin se, joka istuu vielä muuttumattomassa painovoimakentässä. Hän päättelee, että kellonopeudet riippuvat niiden asemasta gravitaatiokentällä ja että nopeusero on verrannollinen gravitaatiopotentiaaliin ensimmäisen lähentämisen suhteen.
Samassa artikkelissa hän ennusti, että valon taipuma riippuu mukana olevan kehon massasta. Tämä osoittautui erityisen vaikutusvaltaiseksi, koska hän oli ensimmäistä kertaa tarjonnut testattavan ehdotuksen. Vuonna 1919 saksalainen tähtitieteilijä Erwin Finlay-Freundlich kehotti tutkijoita ympäri maailmaa testaamaan tätä teoriaa mittaamalla valon taipumaa toukokuun 1929 aurinkopimennyksen aikana.
Einsteinin ennusteen vahvisti Sir Arthur Eddington, jonka havainnoista ilmoitettiin pian sen jälkeen. Marraskuun 7. päivänä 1919 Ajat julkaisi tulokset otsikolla: ”Revolution in Science - Universumin uusi teoria - Newtonin ideat kukistettiin”. Yleinen relatiivisuus on sittemmin kehittynyt välttämättömäksi työkaluksi nykyajan astrofysiikassa. Se tarjoaa perustan nykyiselle ymmärtämiselle mustista aukoista, avaruusalueista, joilla painovoimavetovoima on niin vahva, ettei edes valo pääse pakenemaan.
Moderni kvanttiteoria:
Einstein auttoi myös kvanttimekaniikan teorian etenemistä. Koko 1910-luvun ajan tämä tiede laajeni kattamaan monia erilaisia järjestelmiä. Einstein edisti näitä kehityksiä edistämällä kvantiteoriaa valoon ja käytti sitä erilaisten termodynaamisten vaikutusten huomioon ottamiseksi, jotka olivat ristiriidassa klassisen mekaniikan kanssa.
Hänen 1905-julkaisussaan ”Heuristisesta näkökulmasta valon tuotantoa ja muuntamista varten”, Hän postuloi, että valo itse koostuu paikallisista hiukkasista (ts. Kvanteista). Hänen aikakautensa - mukaan lukien Neils Bohr ja Max Planck - hylkäisivät tämän teorian, mutta se todistettaisiin vuoteen 1919 mennessä kokeilla, joilla mitattiin valosähköä.
Hän laajensi asiaa edelleen 1908-julkaisussaan ”Näkemyksemme kehitys säteilyn koostumuksesta ja olemuksesta", Jossa hän osoitti, että Max Planckin energian kvantissa on oltava selkeästi määritelty momentti ja että se on toimittava tietyissä suhteissa itsenäisinä, pistemäisinä hiukkasina. Tämä artikkeli esitteli fotoni käsitteen ja inspiroi aalto-hiukkasten kaksinaisuuden käsitettä (ts. valo, joka käyttäytyy sekä hiukkasena että aallona) kvanttimekaniikassa.
Hänen 1907-julkaisussaan ”Planckin säteilyteoria ja ominaislämmön teoria”, Einstein ehdotti mallia asiasta, jossa jokainen hilarakenteen atomi on itsenäinen harmoninen oskillaattori - olemassa yhtä etäisyydellä, kvantisoiduissa tiloissa. Hän ehdotti tätä teoriaa, koska se oli erityisen selkeä osoitus siitä, että kvanttimekaniikka pystyi ratkaisemaan erityisen lämpöongelman klassisessa mekaniikassa.
Vuonna 1917 Einstein julkaisi artikkelin, jonka otsikko on ”Säteilyn kvantiteoriasta”, Joka ehdotti stimuloidun säteilyn mahdollisuutta, fyysistä prosessia, joka mahdollistaa mikroaaltovahvistusta ja laserin. Tällä paperilla oli valtava vaikutus kvantimekaniikan myöhempään kehitykseen, koska se oli ensimmäinen asiakirja, joka osoitti, että atomimuutosten tilastoilla oli yksinkertaisia lakeja.
Tämä työ jatkaisi inspiraatiota Erwin Schrödingerin 1926 artikkelista ”Kvantisointi eigenvalue-ongelmana”. Tässä artikkelissa hän julkaisi nyt kuuluisan Schrödingerin yhtälön, jossa hän kuvaa kuinka kvanttijärjestelmän kvanttila muuttuu ajan myötä. Tätä paperia on yleisesti pidetty yhtenä 2000-luvun tärkeimmistä saavutuksista, ja se on luonut vallankumouksen useimmilla kvantimekaniikan aloilla, samoin kuin kaikessa fysiikassa ja kemiassa.
Mielenkiintoista on, että ajan myötä Einstein olisi tyytymätön kvanttimekaniikan teoriaan, jonka hän auttoi luomaan, ja tunsi, että se inspiroi kaaoksen ja satunnaisuuden tunnetta tieteissä. Vastauksena hän teki kuuluisan lainauksensa: ”Jumala ei pelaa noppaa” ja palasi kvantti-ilmiöiden tutkimukseen.
Tämä johti hänet ehdottamaan Einteinille ja hänen kumppaneilleen - Boris Podoliskylle ja Nathan Rosenille nimettyä Einstein – Podolsky – Rosen-paradoksia (EPR-paradoksi). Heidän 1935-artikkelissaan, ”Voidaanko fyysisen todellisuuden kvantmekaanista kuvausta pitää täydellisenä?”, He väittivät osoittavansa, että kvantti-takertuminen rikkoi paikallista realistista näkemystä syy-yhteydestä - Einstein viittasi siihen ”kaukaisuuteen”.
Näin tehdessään he väittivät, että kvanttimekaniikan aaltofunktio ei antanut täydellistä kuvausta fyysisestä todellisuudesta, mikä on tärkeä paradoksi, jolla olisi tärkeitä vaikutuksia kvanttimekaniikan tulkintaan. Vaikka EPR: n paradoksi osoittautui virheelliseksi Einsteinin kuoleman jälkeen, se auttoi osallistumaan kenttään, jonka hän auttoi luomaan, mutta yritti myöhemmin kumota päivänsa loppuun asti.
Kosmologiset vakio- ja mustat reiät:
Vuonna 1917 Einstein sovelsi suhteellisuusteoriaa mallintaakseen koko maailmankaikkeuden rakennetta. Vaikka hän piti parempana ajatusta iankaikkisesta ja muuttumattomasta maailmankaikkeudesta, tämä ei ollut hänen ajatuksensa suhteellisuudesta, joka ennusti, että maailmankaikkeus oli joko laajenemisen tai supistumisen tilassa.
Tämän ratkaisemiseksi Einstein esitteli teoriaan uuden käsitteen, joka tunnetaan nimellä kosmologinen vakio (edustaa lambda). Tämän tarkoituksena oli oikaista painovoiman vaikutukset ja antaa koko järjestelmälle pysyä ikuinen, staattinen pallo. Vuonna 1929 Edwin Hubble vahvisti kuitenkin, että maailmankaikkeus kasvaa. Vieraillutan Hubblella Mount Wilsonin observatoriossa, Einstein hylkäsi muodollisesti kosmologisen vakion.
Konseptia kuitenkin uudistettiin vuoden 2013 lopulla, kun Einsteinin aiemmin löytämätön käsikirjoitus (nimeltään “Tietoja kosmologisesta ongelmasta") löydettiin. Tässä käsikirjoituksessa Einstein ehdotti mallin tarkistamista, jossa vakio oli vastuussa uuden aineen luomisesta maailmankaikkeuden laajentuessa - siten varmistaen, että maailmankaikkeuden keskimääräinen tiheys ei muutu koskaan.
Tämä on sopusoinnussa jo vanhentuneen vakaan tilan kosmologiamallin kanssa (ehdotettiin myöhemmin vuonna 1949) ja nykypäivän pimeän energian ymmärtämisen kanssa. Pohjimmiltaan se, mitä Einstein kuvasi monissa elämäkerroissaan "suurimmaksi vääräksi", lopulta arvioidaan uudelleen ja pidetään osana suurempaa maailmankaikkeuden mysteeriä - näkymättömän massan ja energian olemassaoloa, joka ylläpitää kosmologista tasapainoa.
Vuonna 1915, muutama kuukausi sen jälkeen, kun Einstein oli julkaissut yleisen suhteellisuusteoriansa, saksalainen fyysikko ja tähtitieteilijä Karl Schwarzschild löysi ratkaisun Einsteinin kenttäyhtälöihin, jotka kuvasivat pisteen ja pallomaisen massan painovoimakenttää. Tämä ratkaisu, jota kutsutaan nykyään Schwarzschild-sädeksi, kuvaa pistettä, jossa pallon massa on niin puristettu, että poistumisnopeus pinnalta on yhtä suuri kuin valon nopeus.
Ajan myötä muut fyysikot pääsivät samoihin johtopäätöksiin itsenäisesti. Englantilainen astrofysiikko Arthur Eddington kommentoi vuonna 1924, kuinka Einsteinin teoria antaa meille mahdollisuuden sulkea pois liian suuret tiheydet näkyville tähtiille väittäen, että ne "tuottavat niin paljon avaruus-aika-metrin kaarevuutta, että tila sulkeutuisi tähden ympärille jättäen meidät ulkopuolella (eli missään). ”
Vuonna 1931 intialaisamerikkalainen astrofysiikko Subrahmanyan Chandrasekhar laski erityistä suhteellisuutta käyttämällä, että tietyn rajoittava massan yläpuolella oleva elektronien rappeutumaton aine, joka ei pyöri, romahtaa itsestään. Vuonna 1939 Robert Oppenheimer ja muut olivat yhtä mieltä Chandrasekharin analyysistä, väittäen, että määrätyn rajan ylittävät neutronitähdet romahtaisivat mustiin reikiin, ja päätelivät, että mikään fysiikan laki ei todennäköisesti puuttuisi ja estäisi ainakin joitain tähtiä romahtamasta mustiksi reikiin.
Oppenheimer ja hänen tekijänsä tulkitsivat yksilöllisyyttä Schwarzschild-säteen rajalla osoittaen, että tämä oli kuplan raja, jolloin aika pysähtyi. Ulkopuoliselle tarkkailijalle he näkivät tähden pinnan jäätyneinä ajoissa romahtamisen hetkellä, mutta laskevalla tarkkailijalla olisi aivan erilainen kokemus.
Muut saavutukset:
Sen lisäksi, että se mullisti ymmärrystämme ajasta, tilasta, liikkeestä ja painovoimasta erikoisteoreettisen ja yleisen suhteellisuusteorian teorioillaan, Einstein antoi myös lukuisia muita panoksia fysiikan alaan. Itse asiassa Einstein julkaisi elämässään satoja kirjoja ja artikkeleita sekä yli 300 tieteellistä ja 150 muuta kuin tieteellistä artikkelia.
5. joulukuuta 2014 yliopistot ja arkistot ympäri maailmaa alkoivat julkaista virallisesti Einsteinin kokoamia papereita, jotka sisälsivät yli 30 000 ainutlaatuista asiakirjaa. Esimerkiksi kaksi julkaisua, jotka julkaistiin vuosina 1902 ja 1903 - “Termisen tasapainon kineettinen teoria ja termodynamiikan toinen laki”Ja“Termodynamiikan perusteiden teoria”- käsitteli termodynamiikkaa ja Brownin liikettä.
Määritelmänsä mukaan Brownianin liike väittää, että kun pieni määrä hiukkasia värähtelee ilman edullista suuntaa, ne lopulta leviävät täyttämään koko väliaineen. Käsitellessään tätä tilastolliselta kannalta Einstein uskoi, että väliaineessa värähtelevien hiukkasten kineettinen energia voitaisiin jakaa suuremmille hiukkasille, joita puolestaan voitiin tarkkailla mikroskoopilla - mikä todistaa erikokoisten atomien olemassaolon.
Nämä paperit olivat perusta 1905-luvun Brownian liikettä käsittelevälle paperille, joka osoitti, että sitä voidaan pitää vakuutena todisteena molekyylien olemassaolosta. Tämän analyysin varmensi myöhemmin ranskalainen fyysikko Jean-Baptiste Perrin, ja Einstein sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1926. Hänen työnsä vahvisti Brownin liikkeen fyysisen teorian ja päätti skeptisin atomien ja molekyylien olemassaolosta todellisina fyysisinä kokonaisuuksina. .
Yleisen suhteellisuusteorian tutkimuksensa jälkeen Einstein aloitti sarjan yrityksiä yleistää painovoiman geometrista teoriaansa sisällyttääkseen sähkömagneettisuuden yhdeksi kokonaisuudeksi. Vuonna 1950 hän kuvasi "yhtenäisen kenttäteorian" artikkelissa, jonka otsikko oli "Yleisestä gravitaatioteoriasta”, Joka kuvaa hänen yritystä ratkaista kaikki maailmankaikkeuden perusvoimat yhdeksi kehykseksi.
Vaikka Einstein jatkoi kiitosta työstään, hän eristyi tutkimuksessaan yhä enemmän ja hänen ponnistelunsa olivat viime kädessä epäonnistuneet. Siitä huolimatta Einsteinin unelma muiden fysiikan lakien yhdistämisestä painovoiman kanssa jatkuu tähän päivään saakka, ja siitä ilmoitetaan pyrkimyksille kehittää kaiken teoria - etenkin joustoteoria, jossa geometriset kentät ilmestyvät yhtenäisessä kvantimekaanisessa ympäristössä.
Hänen työskentelynsä Podolskyn ja Rosenin kanssa, toivoen kumoavan kvantti-takertumien käsitteen, johti Einsteinin ja hänen kollegoidensa ehdottamaan madonreiän mallia. Hän käytti Schwarzschildin teoriaa mustissa aukkoissa ja yrittäessään mallintaa elementtihiukkasia varauksella ratkaisuna gravitaatiokenttäyhtälöihin, hän kuvasi siltaa kahden avaruuspisteen välillä.
Jos madonreiän toinen pää on positiivisesti varautunut, toinen pää on negatiivisesti varautunut. Nämä ominaisuudet saivat Einsteinin uskomaan, että hiukkas- ja antihiukkasparit voisivat takertua rikkomatta suhteellisuuslakeja. Tämä konsepti on nähnyt melko vähän työtä viime vuosina, kun tutkijat ovat onnistuneesti luoneet magneettisen madonreiän laboratoriossa.
Ja vuonna 1926 Einstein ja hänen entinen opiskelija Leó Szilárd keksivät yhdessä Einsteinin jääkaapin, laitteen, jolla ei ollut liikkuvia osia ja joka luottaa vain lämmön imeytymiseen sen sisällön jäähdyttämiseksi. Marraskuussa 1930 heille myönnettiin patentti suunnittelustaan. Pyrkimyksiä heikensivät kuitenkin pian masennuksen aikakausi, Freonin keksintö ja ruotsalainen yritys Electrolux, jotka hankkivat patenttinsa.
Yritykset elvyttää tekniikka alkoivat 90- ja 2000-luvuilla, jolloin Georgia Techin ja Oxfordin yliopiston opiskelijaryhmät yrittivät rakentaa oman versionsa Einsteinin jääkaapista. Koska Freonilla on osoitettu yhteys otsonikerroksen heikkenemiseen ja haluaa vähentää ympäristövaikutuksia käyttämällä vähemmän sähköä, mallia pidetään ympäristöystävällisenä vaihtoehtona ja hyödyllisenä välineenä kehitysmaille.
Kuolema ja perintö:
Albert Einstein kokenut 17. huhtikuuta 1955 sisäisen verenvuodon, joka johtui vatsan aortan aneurysman repeämästä. Hän oli hakenut leikkausta seitsemän vuotta ennen. Hän otti mukanaan sairaalaan ehdotuksen puheeksi, jota hän oli valmistelemassa televisioesitykseen Israelin valtion seitsemännen vuosipäivän muistoksi, mutta hän ei asunut tarpeeksi kauan sen suorittamiseksi.
Einstein kieltäytyi leikkauksesta sanomalla: ”Haluan mennä milloin haluan. On mautonta pidentää elämää keinotekoisesti. Olen tehnyt osuuteni, on aika mennä. Teen sen tyylikkäästi. ” Hän kuoli Princetonin sairaalassa varhain seuraavana aamuna 76-vuotiaana ja jatkoi työtään loppuun asti.
Ruumiinavauksen aikana Princetonin sairaalan patologi (Thomas Stoltz Harvey) poisti Einsteinin aivot säilyttämistä varten, tosin ilman perheen lupaa. Harvey mukaan hän oli tehnyt tämän toivoen, että tulevat neurotieteilijöiden sukupolvet pystyisivät selvittämään Einsteinin nerouden syyn. Einsteinin jäännökset tuhahdutettiin ja hänen tuhkansa hajotettiin paljastamattomaan sijaintiin.
Einstein sai saavutuksensa aikana lukemattomia kunniamerkkejä, sekä hänen elämänsä aikana että postualisesti. In 1921, he was awarded the Nobel Prize in Physics for his explanation of the photoelectric effect, as his theory of relativity was still considered somewhat controversial. In 1925, the Royal Society awarded him the Copley Medal, the oldest Royal Society medal still awarded.
In 1929, Max Planck presented Einstein with the Max Planck medal of the German Physical Society in Berlin, for extraordinary achievements in theoretical physics. In 1934 Einstein gave the Josiah Willard Gibbs lecture, an prestigious annual event where the American Mathematical Society awards a prize for achievements in the field of mathematics. In 1936, Einstein was awarded the Franklin Institute‘s Franklin Medal for his extensive work on relativity and the photoelectric effect.
In 1949, in honor of Einstein’s 70th birthday, the the Lewis and Rosa Strauss Memorial Fund established the Albert Einstein Award. Also known as the Albert Einstein Medal (because it is accompanied with a gold medal) this award was established to recognize high achievement in theoretical physics and the natural sciences.
Since his death, Einstein has been honored by having countless schools, buildings, and memorials named after him. The Luitpold Gymnasium, where he received his early education, was renamed the Albert Einstein Gymnasium in his honor. In August of 1955, four months after Einstein’s death, the 99th chemical element on the Periodic Table was named “einsteinium”.
Also in 1955, the Albert Einstein College of Medicine, a research-intensive not-for-profit, private, and nonsectarian medical school was founded in the Morris Park neighborhood of the Bronx in New York City. Between 1965 and 1978, the US Postal Service issued a series of commemorative stamps known as the Prominent American Series. Einstein was honored with a 8¢ stamp in 1966, the second year of the series.
Similar stamps were issued by the state of Israel in 1956 (a year after his death) and the Soviet Union in 1973. In 1973, an inner main belt asteroid was discovered, which was named 2001 Einstein in his honor. In 1977, the Albert Einstein Society was founded in Bern, Switzerland. Since 1979, they began issuing the Albert Einstein Medal, an annual award presented to people who have “rendered outstanding services” in connection with Einstein.
In 1979, the National Academy of Sciences commissioned the Albert Einstein Memorial on Constitution Avenue in central Washington, D.C. The bronze statue depicts Einstein seated with manuscript papers in hand. In 1990, his name was added to the Walhalla temple for “laudable and distinguished Germans”, which is located in Donaustauf in Bavaria.
In Potsdam, Germany, the Albert Einstein Science Park was constructed on Telegrafenberg hill. The best known building in the park is the Einstein Tower, an astrophysical observatory that was built to perform checks of Einstein’s theory of General Relativity, which has a bust of Einstein at the entrance.
In 1999 Time magazine named him the Person of the Century, ahead of Mahatma Gandhi and Franklin Roosevelt, among others. In the words of a biographer, “to the scientifically literate and the public at large, Einstein is synonymous with genius”. Also in 1999, an opinion poll of 100 leading physicists ranked Einstein the “greatest physicist ever”.
Also in 1999, a Gallup poll conducted recorded him as being the fourth most admired person of the 20th century in the U.S. – Mother Teresa, Martin Luther King, Jr. and John F. Kennedy ranked first through third.
The International Union of Pure and Applied Physics named 2005 the “World Year of Physics” in commemoration of the 100th anniversary of the publication of the “annus mirabilis” papers. In 2008, Einstein was inducted into the New Jersey Hall of Fame. And every year, the Chicago-based Albert Einstein Peace Prize Foundation issues the Albert Einstein Peace Prize, an award that comes with a bursary of $50,000.
Einstein has also been the subject of or inspiration for many novels, films, plays, and works of music. He is a favorite model for fictional representations of the mad scientist and the absent-minded professor, with depictions of these archetypes closely mirroring (and exaggerating) his expressive face and distinctive hairstyle.
Einstein’s contributions to the sciences are immeasurable. When he began his career, scientists were still struggling to reconcile how Newtonian mechanics applied to an ever-widening universe. But thanks to his theories, we would come to understand that there are no absolute frames of reference, and everything depends on the speed and position of the observer.
His work with the behavior of light would also help speed the revolution being made in quantum physics, where scientists began to understand the behavior of matter at the subatomic level. In so doing, Einstein helped to create the two pillars of modern science – Relativity, for dealing with objects on the macro scale; and quantum mechanics, which deals with things on the tiniest of scales.
But Einstein’s legacy goes far beyond what he advanced in his lifetime. In attempting to reconcile his personal beliefs in a universe that made sense with his scientific findings, he introduced a concept that would later become part of our current cosmological models (Dark Matter). These and other ideas would go on to be reconsidered after his death, thus proving that he was not only the greatest mind of his time, but perhaps one of the greatest minds that ever lived.
We have written many articles about Albert Einstein for Space Magazine. Here’s an article about the speed of light, and one about Why Einstein Will Never Be Wrong, and Einstein’s Theory of Relativity. And here’s are some famous Albert Einstein quotes.
Astronomy Cast also has several episodes about Einstein’s greatest theories, like Episode 235: Einstein, Episode 9: Einstein’s Theory of Special Relativity, Episode 280: Cosmological Constant, Episode 287: E=mc², and Episode 31: tring Theory, Time Travel, White Holes, Warp Speed, Multiple Dimensions, and Before the Big Bang
For more information, check out Albert Einstein’s biographical page at Biography.com and NobelPrize.org.
