Сегодня Альберта Эйнштейна, кажется, знает каждый. Его фотография с высунутым языком авторства Артура Сасса стала элементом современной поп-культуры, а цитаты разлетелись по пабликам в социальных сетях. Но мало кто знает, каким на самом деле был выдающийся ученый: добрым, любопытным и очень изобретательным. Несмотря на низкие оценки, жизненные трудности и бедственное материальное положение, Эйнштейн навсегда изменил основы теоретической физики и приобрел мировую славу.
Как Эйнштейн стал изобретателем
Альберт Эйнштейн родился в 1879 году в обычной еврейской семье: его отец не очень успешно занимался бизнесом, а мать была домохозяйкой. В немецкую систему образования мальчик не вписывался, часто витал в облаках и много отвлекался. А когда друг семьи познакомил Эйнштейна с учебником по физике, то его успеваемость совсем испортилась. Дошло до того, что он не смог получить аттестат о завершении средней школы, потому что провалил экзамены по французскому, химии и биологии.
Несмотря на неудачное начало академической карьеры, Эйнштейн все-таки закончил старшую школу благодаря невероятным результатам по физике и математике и поступил в университет. Однако и там ученого ждали трудности: он изучал любимые предметы сам, отдельно от программы университета, из-за чего пропускал лекции и заработал не самую лучшую репутацию у преподавателей. В 1902 году, по окончании университета, будущий нобелевский лауреат оказался в очень трудной жизненной ситуации. У него не было хороших рекомендаций от преподавателей, он не мог найти достойную работу и потому зарабатывал копейки частными уроками. Личная жизнь у ученого тоже не складывалась: родители не давали благословения на брак с его возлюбленной Милевой Марик из-за ее сербского происхождения.
Но затем отец друга Эйнштейна помог устроиться ученому на работу в Патентное бюро в Берне. Альберт быстро справлялся с рутинными задачами и в свободное время много размышлял над вопросом, мучившим его с самого детства: что будет, если бежать рядом с лучом света? Ученый пришел к выводу, что, как бы быстро человек ни бежал, скорость света будет оставаться неизменной. Это противоречило общепринятым на тот момент постулатам физики, сформулированным еще Галилеем, согласно которым любые законы природы одинаковы относительно неподвижных и движущихся с постоянной скоростью тел. Эйнштейн предположил, что свет не подчиняется этим законам, поскольку состоит из частиц, не имеющих массы, а значит, Ньютоновское уравнение для них не работает.
Как Эйнштейн обрел известность
Уже в 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал четыре работы, которые навсегда изменили теоретическую физику. В них он впервые описал квантовую теорию света, заложил основы теории относительности и доказал существование атомов.
В тот же год научному сообществу была представлена формула эквивалентности массы и энергии E=mс2, объясняющая, как производят энергию Солнце и другие звезды.
Изначально работы Эйнштейна не были замечены, но спустя короткое время они произвели настоящий фурор. Ученого приглашали на конференции, он много ездил по миру, объясняя общую теорию относительности, которую по праву считал венцом своего творения.
Постоянные разъезды и плотный график Альберта Эйнштейна развалили брак ученого, и он завел роман со своей кузиной, ставшей впоследствии его второй женой. Однако личные проблемы не помешали Эйнштейну уйти с головой в свою теорию. С 1905 по 1914 год ученый работал над самым главным недочетом теории относительности: в уравнение не были включены ни гравитация, ни ускорение свободного падения. 10 лет работы увенчались успехом, и Альберт Эйнштейн смог доказать, что законы Ньютона и Евклидова геометрия не работают в том случае, если пространство и время искривлены.
В 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию за объяснение фотоэффекта — ученый доказал, что свет состоит из фотонов. Однако на вручении премии физик не стал рассказывать об этом открытии. Вопреки ожиданиям участников, Эйнштейн зачитал доклад о теории относительности, чем вызвал недоумение публики.
Как Эйнштейн оказался в профессиональной изоляции
С приходом к власти нацистов в 30-е годы XX века ученому стало небезопасно находиться в Германии. Государство стремилось опровергнуть его научные достижения и угрожало ему из-за еврейского происхождения, поэтому физик переехал в США, где остался жить до самой смерти. Темная полоса в жизни гения на этом не закончилась: его сыну диагностировали шизофрению и поместили в психиатрическую клинику, где он провел остаток своей жизни. Кроме того, ученый узнал, что его открытия используются для разработки атомной бомбы, проект которой он с самого начала не поддерживал, будучи убежденным пацифистом.
В 1936 году умирает жена Эйнштейна, Эльза, а правительство США активно переходит к созданию ядерного оружия. Несмотря на то, что по сути именно Альберт Эйнштейн заложил теоретические основы физики, необходимые для создания такого оружия, его в команду создателей бомбы не пригласили. Он открыто поддерживал социалистические идеи, враждебные американскому правительству. Уже в конце войны, после печальных известий о ядерной атаке на Японию, Эйнштейн активно выступал за урегулирование использования ядерного оружия.
Последние годы жизни ученый провел в профессиональной изоляции. Научное сообщество было поглощено квантовой теорией, и теория относительности отошла на второй план. Альберт Эйнштейн же не мог оставить свое детище. Более того, ученым овладела мысль о физической теории, объединяющей все уже существующие знания физики и способной объяснить функционирование Вселенной. На тот момент наука не была готова принять такие инновационные идеи, и интерес к ученому постепенно угас.
Альберт Эйнштейн умер в 1955 году в больнице от аневризмы аорты, перед смертью сказав несколько слов на немецком медсестре. Однако последние слова великого ученого так и остались неизвестными: медсестра не знала немецкого и не смогла понять смысл сказанного.
Великие открытия Эйнштейна
Специальная теория относительности
Специальная теория относительности была открыта Эйнштейном в 1905 году. Она строилась на двух основных принципах:
- Принципе относительности, который говорит о том, что независимо от того, движутся объекты равномерно или находятся в состоянии покоя, физические процессы в них будут протекать одинаково. Например, уроните ли вы ручку в движущемся автобусе или будете при этом стоять на остановке, она все равно упадет.
- Принципе постоянства скорости света: скорость света никогда не меняется и не зависит ни от источника света, ни от его мощности. То есть свет от огня и свет от фар будут иметь одинаковую скорость.
Из этих двух принципов Эйнштейн вывел, что время — не постоянная величина, а зависит от того, насколько быстро объект двигается. Так, чем ближе объект двигается к скорости света, тем медленнее для него будет протекать время. А если объект будет двигаться со скоростью света, то он попадет в будущее.
Более того, у объекта, движущегося со скоростью света, искажается пространство. Сам он относительно себя не изменится, но вот для наблюдателей со стороны он станет короче по направлению движения.
И, наконец, чем быстрее движется объект, тем больше будет и его масса. Это отражено в знаменитом уравнении E = mc2, которое означает, что масса пропорциональна энергии объекта. То есть часть энергии объекта тратится на увеличение его массы, а вторая часть — на увеличение скорости. Отсюда вытекает, что путешествовать со скоростью света невозможно: чем быстрее будет двигаться летательный аппарат, тем выше будет его масса и тем больше нужно будет энергии, которая поддержит его скорость.
Общая теория относительности
Общая теория относительности была сформулирована в 1915 году и, в отличие от специальной теории относительности, рассматривает объекты, которые движутся не прямолинейно и постоянно ускоряются.
В ходе исследований Эйнштейн заметил, что масса объекта может искажать пространство и время. То есть чем выше масса движущегося объекта, тем сильнее он будет искажать пространство и время вокруг себя.
Это можно объяснить простым примером: если шар для боулинга уронить в ровный песок, то образуется яма. Шарики полегче (например, для пинг-понга), катясь мимо большого шара, будут изменять свою траекторию движения, потому что песок вокруг большого шара исказился. Именно поэтому планеты вращаются вокруг Солнца: масса солнца настолько велика, что искажает пространство вокруг, как бы «проваливаясь» в него, поэтому другие планеты изменяют свою траекторию движения и вращаются вокруг Солнца.
Конденсат Бозе-Эйнштейна
Если быть точнее, Эйнштейн открыл не сам конденсат, а только предсказал его появление еще в 1925 году. Это агрегатное состояние вещества смогли получить только в 1995. Эйнштейн много изучал броуновское движение (или тепловое движение) — хаотичное перемещение атомов за счет тепла. Однако когда вещество находится в состоянии конденсата, атомы в нем двигаются не хаотично, а согласованно, как будто образуя одну волну.
Фотоэлектрический эффект
Эйнштейн много работал со световым излучением, изучая его природу. Он пытался доказать, что свет состоит из частиц — фотонов. Для этого он использовал световое излучение разной частоты и наблюдал за его взаимодействием с металлом. Он выяснил, что в зависимости от цвета излучения (которое также называется частотой) из металла или выбиваются свободные электроны, или нет. Это значит, что способность выбивать электроны есть только у определенных частот света и она не зависит от интенсивности света в целом. Соответственно, энергия фотона зависит от его частоты и влияет на то, сможет он выбить электрон или нет. Это доказывает, что свет — это не только волна, но и поток частиц.
Перейдя по этой ссылке на сайт Javalab, можно провести собственный эксперимент, доказывающий фотоэлектрический эффект.
Уроки успеха от Альберта Эйнштейна
1. Насилие — противник прогресса
Эйнштейн всю свою жизнь был убежденным пацифистом. Он считал, что любое насилие разрушительно, и с его помощью прогресса достичь невозможно. Но вместе с этим ученый называл себя «воинствующим» пацифистом и придерживался мнения, что за мир тоже надо бороться, просто другими методами. Альберт Эйнштейн верил, что если все люди откажутся идти на войну, то и сам концепт войны исчезнет.
2. Не стоит зацикливаться на будущем
Физик считал, что нужно сосредоточиться на настоящем и не забивать голову мыслями о будущем. Будущее наступит в любом случае, считал Эйнштейн, но вес имеет то, что мы можем сделать в настоящем.
3. Внешний вид — не главное
Эйнштейн был известен пренебрежением к своему внешнему виду. В последние годы жизни он практически постоянно носил свою любимый свитер, ставший популярным благодаря фотографиям ученого, облетевшим весь мир. Гений был убежден, что внешний вид человека — всего лишь обертка, а самое главное скрыто внутри.
4. Простой путь не всегда самый верный
В науке практически нет простых путей, считал Эйнштейн. Чтобы достичь высокого результата, важно погружаться в самые трудные проблемы и не бояться их решать — а не «сверлить отверстия в самом тонком месте доски».
5. Система образования несовершенна
Эйнштейн не понаслышке знал о трудностях получения образования. Учителя недооценивали его знания, а ненужные предметы только отвлекали гения от любимых физики и математики. Ученый считал, что система образования учит мыслить по шаблону, притупляет воображение и только мешает обучению.
6. Учение — свет
Человек прекращает учиться новому только тогда, когда перестает существовать. Эйнштейн считал, что людская глупость не имеет границ, в отличие от гениальности, и поэтому так важно интересоваться новым и учиться всю жизнь. Если люди перестают мыслить, то они перестают развиваться, утверждал ученый.