Trzy zasługo Alberta Ainstaina w dziedzinie fizyki.

Albert Einstein urodził się w Ulm (Niemcy) 14 marca 1879 roku. Uczęszczał do szkoły średniej w Szwajcarii, został obywatelem szwajcarskim w 1901 r. W 1905 r. otrzymał stopień doktorski na uniwersytecie w Zurychu. W tym samym roku opublikował swoje prace na temat szczególnej teorii względności, zjawiska fotoelektrycznego i teorii ruchów Browna. W ciągu paru lat prace te, a zwłaszcza praca na temat względności, sprawiły, że zaczął być uważany za jednego z najwybitniejszych i najbardziej oryginalnych uczonych na świecie. Jego teorie były wysoce kontrowersyjne. Żaden z nowożytnych uczonych, z wyjątkiem Darwina, nie wzbudził tylu sporów, co Einstein. Mimo to w 1913 r. został mianowany profesorem na uniwersytecie w Berlinie i w tym samym czasie został dyrektorem Instytutu Fizyki Cesarza Wilhelma i członkiem Pruskiej Akademii Nauk. Dwa lata później Einsteinowi udało się sformułować ogólną teorię względności, a w 1921 roku dostał nagrodę Nobla. W 1933 r. przeniósł się, więc do Princeton w stanie New Jersey, gdzie pracował w Instytucie for Advanced Study, a w 1940r. został obywatelem Stanów Zjednoczonych. Pierwsze małżeństwo Einsteina zakończyło się rozwodem, drugie było chyba szczęśliwe. Z pierwszą żoną miał dwoje dzieci, chłopców. Zmarł w 1955 roku w Princeton. Oto krótki życiorys tej „Wielka ozdoba rasy ludzkiej ”. Postaram się teraz przedstawić i opisać trzy wybrane przeze mnie zasługi Einsteina w dziedzinie fizyki.


Szczególna teoria względności Einsteina.


Teorię opartą na zasadzie względności Einsteina nazywa się szczególną teorią względności. Podstawowym pojęciem szczególnej teorii względności jest zdarzenie. Zbiór zdarzeń stanowi czasoprzestrzeń. Wszystkie właściwości tego zbioru niezmiennicznie względem przekształceń Lorentza stanowią czterowymiarową geometrię czasoprzestrzeni. Z przeprowadzonej przez Einsteina analizy pojęć czasoprzestrzennych, przy korzystaniu tylko z elementarnych pojęć fizyki klasycznej i niezmienniczości prędkości światła, wynika, iż pojęcie czasu absolutnego jest pojęciem przybliżonym, mającym sens jedynie w sytuacjach, kiedy można uznać, że c = Ą. Elektrodynamika spełnia nową zasadę względności automatycznie, a reszta fizyki klasycznej wymagała modyfikacji. Einstein sformułował nową (tzw. relatywistyczną) mechanikę, a także termodynamikę i optykę zgodnie z nową zasadą względności. Klasyczne wersje tych teorii okazały się teoriami przybliżonymi, słusznymi dla prędkości małych w porównaniu z c. Szczególna teoria względności przewidziała istnienie licznych, nie znanych przedtem zjawisk, z których wszystkie znalazły potwierdzenie w doświadczeniach. Za najważniejsze jej konsekwencje uznaje się: uzależnienie czasu przebiegu zjawisk fizycznych, masy cząstek i wielu innych wielkości od stanu ruchu układu, w którym te zjawiska są opisane. Podanie związku E = mc 2 pomiędzy masą m i energią E ciała. Eliminację z fizyki pojęcia eteru i nadanie polom fizycznym status samodzielnych obiektów fizycznych, charakteryzujących się masą, gęstościami pędu, energii, momentu pędu, itp. Uznanie pewnych wielkości, uznawanych poprzednio za wielkości odrębne, za składowe jednej wielkości określonej w czasoprzestrzeni. Szczególna teoria względności stanowi podstawę konstrukcji współczesnych akceleratorów cząstek, a kinematyka relatywistyczna jest potwierdzona tysiącami doświadczeń nad rozpraszaniem cząstek o wysokich energiach.



Ogólna teoria względności


Teoria ogólna jest rozwinięciem szczególnej teorii i stosuje się do układów poruszających się ruchem przyśpieszonym. Ogólna teoria względności stanowi podstawę całej dwudziestowiecznej kosmologii - między innymi wyjaśnia przesunięcie ku czerwieni widma galaktyk, które dowodzi, iż wszechświat się rozszerza, oraz tłumaczy powstanie czarnych dziur. Aby zrozumieć ogólną teorię względności, należy od zasady równoważności. Jak stwierdził Galileusz w swym słynnym doświadczeniu, ciała spadają na Ziemię z jednakowym przyspieszeniem, niezależnym od ich masy. W tym sensie spadające ciała, duże i małe, są "nieważkie" - ich masa nie wpływa na to, jak reagują na przyciąganie ziemskie. W rzeczywistości astronauci na orbicie nieustannie "spadają" na Ziemię, dzięki czemu są w stanie nieważkości. Gdy jednak ich statek kosmiczny opuszcza orbitę i przyspiesza w kierunku odległej gwiazdy, astronauci czują ciężar. Przyczyną jest wtedy przyspieszenie, a nie grawitacja. Zasada równoważności Einsteina mówi, że siły grawitacyjne i inercjalne, związane z przyspieszeniem układu, są nieodróżnialne. Z zasady równoważności wynika, że przyciąganie grawitacyjne nie jest po prostu siłą, z jaką przyciągają się wzajemnie wszystkie ciała. Ciążenie należy uważać za skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masę. Masa powoduje, że przestrzeń ma geometrię nieeuklidesową. Kilka lat po tym, jak Einstein opublikował ogólną teorię względności, została ona potwierdzona przez obserwacje astronomiczne.


Związek energii z masa na podst. badań A. Einsteina


Jak Einstein związał energię z masą? Jest to związane ze szczególną teorią względności, która zakłada, że pojęcie czasu absolutnego jest jedynym pojęciem przybliżonym, kiedy można uznać, że c = *. Łączy ona także pojęcie czasu i przestrzeni w czasoprzestrzeń, czyli czterowymiarowy układ odniesienia. Do podstawowych wzorów tej teorii należy powszechnie znany wzór, E = mc2. Wzór ten wyraża związek między całkowitą energią ciała i jego masą. Oznacza on równoważność masy i energii. Umożliwia on pomiar masy w jednostkach energii i energii w jednostkach masy. Wzór ten służy do obliczania zmian energii spoczynkowej ciała podczas procesów jądrowych np. rozszczepianie lub syntez jąder, gdyż tylko w procesach jądrowych ma ona na tyle dużą masę, aby można było ją zmierzyć. Z tego wzoru wynika, że ciało będące w spoczynku ma energię spoczynkową E0=m0c2, a także, że układ mający energię ma również masę równą m = E/c2, mimo iż może nie mieć masy spoczynkowej( np. foton, neutrino).

Obliczmy teraz energię spoczynkową ciała o masie 1 g.
*E = 0,001g * 3 * 108 m/s * 3 * 108 m/s = 9 * 1013 J