АЛБЕРТ АЙНЩАЙН

Алберт Айнщайн (Albert Einstein)

14 март 1879 г. – 18 април 1955 г.

 

Нобелова награда за физика, 1921 г.

(За заслуги пред теоретичната физика и особено за откриването на закона за фотоелектрическия ефект.)

 

Немско-швейцарско-американският физик Алберт Айнщайн е роден в Улм, средновековен град в кралство Вюртемберг (днес Баден-Вюртенберг в Германия) в семейството на Херман Айнщайн и Паулине Айнщайн, по рождение Кох. Израства в Мюнхен, където баща му и чичовците му имат малък електрохимически завод. Айнщайн е тихо разсеяно момче със склонност към математиката, но не може да търпи училището с механичното зубрене и казармената дисциплина. През унилите години, прекарани в мюнхенската гимназия Луитполд, Айнщайн чете самостоятелно книги по философия, математика и научнопопулярна литература. Силно впечатление му прави идеята за космическия ред. След като делата на баща му претърпяват през 1895 г. упадък, семейството се премества в Милано. Айнщайн остава в Мюнхен, но скоро напуска гимназията, без да получи свидетелство за завършено образование, и се присъединява към родителите си.

Шестнадесетгодишният Айнщайн е поразен от атмосферата на свобода и култура, която намира в Италия. Въпреки задълбочените си познания по математика и физика, получени преди всичко по пътя на самообразованието, и самостоятелното мислене, което не отговаря на възрастта му, Айнщайн не си избира професия. Баща му настоява да стане инженер и в бъдеще да поправи разклатеното финансово положение на семейството. Айнщайн се опитва да издържи приемните изпити за Федералния технологичен институт в Цюрих, за постъпването в който не се изисква свидетелство за завършено средно училище. Като не притежава достатъчна подготовка, той се проваля на изпитите, но директорът на училището, като оценява математическите му способности, го насочва към Аарау, на двадесет мили западно от Цюрих, за да завърши там гимназия. След една година, през лятото на 1896 г., Айнщайн взема успешно приемните изпити за Федералния технологичен институт. В Аарау Айнщайн се разкрива в нова светлина, наслаждавайки се на тесните връзки с учителите и на либералния дух, който цари в гимназията. Всичко предишно предизвиква у него толкова дълбоко неодобрение, че той подава официална молба за отказ от немско поданство, с което баща му се съгласява доста неохотно.

В Цюрих Айнщайн учи физика, опирайки се повече на самостоятелното четене, отколкото на задължителните лекции. Отначало има намерение да преподава физика, но след като завършва Федералния институт през 1901 г. и получава швейцарско гражданство, не може да си намери постоянна работа. През 1902 г. става експерт в Швейцарското патентно бюро в Берн, където служи седем години. За него това са щастливи и продуктивни години. Той публикува едно произведение за капилярността (какво може да стане с повърхността на течност, ако е затворена в тясна тръба). Макар че заплатата му едва стига, работата в Патентното бюро не е особено натоварваща и оставя на Айнщайн достатъчно сили и време за теоретични изследвания. Неговите първи произведения са посветени на силите на взаимодействие между молекулите и на приложенията на статистическата термодинамика. Едно от тях - "Ново определяне на размерите на молекулите" ("A new Determination of Molecular Dimensions") - е прието за докторска дисертация от Цюрихския университет и през 1905 г. Айнщайн става доктор на науките. През същата година той публикува малка серия от съчинения, които не само показват силата му като физик-теоретик, но и променят лицето на цялата физика.

Едно от тези произведения обяснява брауновото движение - хаотичното зигзагообразно движение на частици, пуснати в течност. Айнщайн свързва движението на частиците, наблюдавано с микроскоп, със сблъскването им с невидими молекули. Освен това той предсказва, че наблюдаването на брауновото движение позволява да се изчисли масата и броя на молекулите, намиращи се в даден обем. След няколко години това е потвърдено от Жан Перен. Произведението на Айнщайн има особено значение, защото съществуването на молекулите, смятащи се за не повече от удобна абстракция, по това време все още се поставя под съмнение.

В друго произведение се предлага обяснение на фотоелектрическия ефект – изпускане на електрони от металическа повърхност под въздействието на електрическо излъчване в ултравиолетов или някакъв друг диапазон. Филип фон Ленард изказва предположението, че светлината избива електрони от повърхността на метала. Той предполага и това, че при осветяване на повърхността с по-ярка светлина електроните трябва да излитат с по-голяма скорост. Но експериментите показват, че предвиждането на Ленард не е вярно. Между другото през 1900 г. Макс Планк успява да опише излъчването, изпускано от горещи тела. Той приема радикалната хипотеза, че енергията не се изпуска непрекъснато, а на дискретни порции, които получават названието кванти. Физическият смисъл на квантите остава неясен, но величината на кванта се определя като равна на произведението на едно число (константа на Планк) и честотата на излъчване.

Идеята на Айнщайн се състои в това да се установи съответствие между фотона (квант електромагнитна енергия) и енергията на избития от повърхността на метала електрон. Всеки фотон избива един електрон. Кинетичната енергия на електрона (енергията, свързана със скоростта му) е равна на енергията, останала от енергията на фотона, като се извади от нея това, което е изразходвано, за да се избие електрона от метала. Колкото по-ярка е светлината, толкова повече са фотоните и избитите от повърхността на метала електрони, но не е по-голяма тяхната скорост. По-бързи електрони могат да се получат, като се насочи към повърхността на метала излъчване с по-голяма честота, защото фотоните на подобно излъчване притежават по-голяма енергия. Айнщайн издига още една смела хипотеза, предполагайки, че светлината притежава двойнствена природа. Както сочат провежданите векове наред оптически експерименти, светлината има поведение на вълна, но, както свидетелства фотоелектрическият ефект, и на поток частици. Правилността на предложената от Айнщайн интерпретация на фотоефекта е многократно потвърдена експериментално и не само за видимата светлина, но и за рентгеновото и гама-излъчването. През 1924 г. Луи дьо Бройл прави още една крачка към преобразуването на физиката, предполагайки, че вълнови свойства притежава не само светлината, но и материалните обекти, например електроните. Идеята на дьо Бройл също намира експериментално потвърждение и слага основите на квантовата механика. Произведенията на Айнщайн позволяват да се обяснят флуоресценцията, фотойонизацията и загадъчните вариации на относителния топлинен капацитет на твърдите тела при различни температури.

Третото, наистина забележително произведение на Айнщайн, публикувано през същата 1905 г., е свързано със специалната теория за относителността, революционизирала всички области на физиката. По това време повечето физици предполагат, че светлинните вълни се разпространяват в ефира – загадъчно вещество, за което било прието да се мисли, че изпълва цялата Вселена. Но никой не успял да открие ефира експериментално. Проведеният през 1887 г. от Албърт А. Майкелсън и Едуард Морли експеримент за откриване на разлика в скоростта на светлината, разпространяваща се в хипотетичния ефир по и срещу движението на Земята дава отрицателен резултат. Ако ефирът е носител на светлината, която се разпространява по него във вид на смущения, като звукът по въздуха, скоростта на ефира би трябвало да се прибавя към наблюдаваната скорост на светлината или да се изважда от нея, както реката влияе, от гледна точка на стоящия на брега наблюдател, върху скоростта на лодката, която се движи с весла по течението или срещу течението. Няма основание да се твърди, че специалната теория за относителността на Айнщайн е била създадена непосредствено под влиянието на експеримента, проведен от Майкелсън-Морли, но в основата й са поставени две универсални допускания, правещи излишна хипотезата за съществуването на ефира: всичките закони на физиката са еднакво приложими за всеки двама наблюдатели, независимо от това как се движат относително един спрямо друг, и светлината винаги се разпространява в свободното пространство с една и съща скорост, независимо от движението на източника й.

Изводите, направени от тези допускания, променят представата за пространството и времето: нито един обект не може да се движи по-бързо от светлината, от гледна точка на неподвижния наблюдател размерите на движещ обект намаляват по направление на движението, а масата на обекта нараства, за да бъде скоростта на светлината еднаква за движещия се и за неподвижния наблюдател, движещият се часовник трябва да върви по-бавно. Дори понятието неподвижност подлежи на старателно преразглеждане. Движението или покоят се определят винаги относно някой наблюдател. Наблюдателят, яхнал движещ се обект, е неподвижен спрямо дадения обект, но може да се движи относно някой друг наблюдател. Тъй като времето се превръща в същата относителна променлива, каквито са пространствените координати x, y и z, понятието за едновременност също става относително. Две събития, които изглеждат едновременни за един наблюдател, могат да са разделени във времето от гледна точка на друг. От другите изводи, които привежда специалната тория за относителността, заслужава внимание еквивалентността на масата и енергията. Масата m представлява нещо като „замразена” енергия Е, с която е свързана чрез съотношението Е₀= mc ², където с е скоростта на светлината. Така излъчването на фотони светлина произтича за сметка на намаляването на масата на източника.

Релативистичните ефекти са по правило пренебрежително малки при обикновените скорости, стават значителни само при големи, характерни за атомните и субатомните частици. Загубата на маса, свързана с излъчването на светлина, е извънредно малка и обикновено не може да бъде измерена дори с помощта на най-чувствителни химически везни. Но специалната теория за относителността позволява да се обяснят такива особености на процесите, произтичащи в атомната и ядрената физика, които до това време остават неразбираеми. Почти четиридесет години следа създаването на теорията за относителността физиците, работещи над създаването на атомната бомба, успяват да изчислят отделящата се при взрива й енергия на основата на дефекта (намаляването) на масата по време на деленето на урановите ядра.

След публикуването на статиите през 1905 г. Айнщайн получава академично признание. През 1909 г. става адюнкт-професор в Цюрихския университет, следващата година е професор в Немския университет в Прага, а през 1912 г. – в цюрихския Федерален технологичен институт. През 1914 г. е поканен в Германия за професор в Берлинския университет и едновременно за директор на Физическия институт „Кайзер Вилхелм” (днес институт „Макс Планк”). Немското поданство на Айнщайн е възстановено и той е избран за член на Пруската академия на науките. Придържайки се към пацифистки убеждения, Айнщайн не споделя възгледите на тези, които са на страната на Германия в бурната дискусия за ролята й в Първата световна война.

След напрегнати усилия Айнщайн успява да създаде през 1915 г. общата теория за относителността, която надхвърля далече пределите на специалната теория, в която движенията трябва да са равномерни, а относителните скорости постоянни. Общата теория за относителността обхваща всичките възможни движения, в това число и ускорителните (иначе казано – произтичащите с променлива скорост). Господстващата по-рано механика, водеща началото си от Исак Нютон (ХVІІ в.), се превръща в частен случай, удобен за описване на движението при относително малки скорости. На Айнщайн му се налага да замени много от въведените от Нютон понятия. Такива аспекти на нютоновата механика като например отъждествяването на гравитационната и инерционната маса предизвикват у него безпокойство. Според Нютон телата се привличат взаимно, дори ако са разделени от огромни разстояния, като силата на привличането, гравитацията, се разпространява мигновено. Гравитационната маса служи за мярка на силата на привличане. Що се отнася до движението на телата под въздействието на тази сила, то се определя от инерционната маса на тялото, която характеризира способността на тялото да се ускорява под въздействието на дадената сила. Айнщайн се заинтересувал защо тези две маси съвпадат.

Той провежда така наречения „мислен експеримент”. Ако човек в свободно падаща кутия, например в асансьор, изпусне ключовете си, те няма да паднат на пода: асансьорът, човекът и ключовете ще падат с една и съща скорост и ще запазват положението спрямо себе си. Така би станало в някоя въображаема пространствена точка далече от всякакви източници на гравитация. Един от приятелите на Айнщайн отбелязва по повод на подобна ситуация, че човекът в асансьора не би могъл да различи дали се намира в гравитационно поле или се движи с постоянно ускорение. Айнщайновият принцип за еквивалентността, според който гравитационните и инерционните ефекти са неразличими, обяснява съвпадението на гравитационната и инерционната маса в механиката на Нютон. След това Айнщайн разширява картината, като я разпростира и върху светлината. Ако лъч светлина пресича кабината на асансьора „хоризонтално”, докато асансьорът пада, изходното отверстие ще се намира на по-голямо разстояние от пода, отколкото входното, защото за времето, необходим на лъча, за да премине от стена до стена, кабината на асансьора ще успее да се придвижи на известно разстояние. Наблюдателят в асансьора би видял, че светлинният лъч се е изкривил. За Айнщайн това означавало, че в реалния свят светлинните лъчи се изкривяват, когато се намират на достатъчно малко разстояние от масивно тяло.

Общата теория за относителността на Айнщайн заменя нютоновата теория за привличането на телата с пространствено-времево математическо описание на това как масивните тела влияят върху характеристиката на пространството около себе си. Според тази гледна точка телата не се привличат, а променят геометрията на пространство-времето, която определя движението на преминаващите през него тела. Както веднъж отбелязва колегата на Айнщайн, американският физик Дж.А.Уилър, „пространството казва на материята как да се движи, а материята казва на пространството как да се изкривява”.

Но през този период Айнщайн работи не само над теорията за относителността. Например през 1916 г. той въвежда в квантовата теория понятието индуцирано излъчване. През 1913 г. Нилс Бор разработва модел на атома, в който електроните обикалят около централно ядро (открито няколко години по-рано от Ърнест Ръдърфорд) по орбити, удовлетворяващи определени квантови условия. Според модела на Бор атомът излъчва, когато електроните, преминали в резултат на възбуда към по-високо равнище, се връщат на по-ниско. Разликата в енергията между равнищата е равна на енергията, поглъщана или излъчвана от фотоните. Връщането на възбудените електрони на по-ниски енергетични равнища е случаен процес. Айнщайн предполага, че при определени условия електроните в резултат на възбуда могат да преминат на определено енергетично равнище, а след това, подобно на лавина, да се върнат на по-ниско, иначе казано, това е същият процес, който лежи в основата на действието на съвременните лазери.

Макар че и специална, и общата теория за относителността са прекалено революционни, за да намерят бързо признание, скоро получават редица потвърждения. Едно от първите е обяснението на орбиталните параметри на Меркурий, които не можели да бъдат разбрани напълно в рамките на нютоновата механика. По време на пълното слънчево затъмнение през 1919 г. астрономите наблюдават звезда, скрита зад края на Слънцето. Това свидетелства, че светлинните лъчи са се изкривили под въздействието на гравитационното поле на Слънцето. Айнщайн получава всемирна слава, когато съобщенията за наблюдаването на слънчевото затъмнение през 1919 г. обхождат целия свят. Относителността се превръща в първа дума. През 1920 г. Айнщайн става нередовен професор в Лайденския университет. Но в Германия той е подложен на нападки заради антивоенните си възгледи и революционните физически теории, които не са по сърцето на определена част от неговите колеги, сред които има и няколко антисемити. Делото на Айнщайн те наричат „еврейска физика”, твърдейки, че получените от него резултати не съответстват на високите стандарти на „арийската наука”. И през 20-те години Айнщайн остава убеден пацифист и поддържа активно миротворческите усилия на Обществото на народите. Айнщайн е привърженик на ционизма и полага не малко усилия за създаването на Еврейския университет в Ерусалим през 1925 г.

Докато повечето физици започват да се ориентират към приемане на квантовата теория, Айнщайн е все повече неудовлетворен от следствията, до която тя води. През 1927 г. той изразява своето несъгласие със статистическата интерпретация на квантовата механика, предложена от Бор и Макс Борн. Според тази интерпретация принципът на причинно-следствените връзки е неприложим за субатомните явления. Айнщайн е дълбоко убеден, че статистиката е не повече от средство и че фундаменталната физическа теория не може да бъде статистическа по своя характер. Според него „Бог не играе на зарове” с Вселената. Докато привържениците на статистическата интерпретация на квантовата механика отхвърлят физическите модели на наблюдаваните явления, Айнщайн смята теорията за непълна, ако не може да даде „реалното състояние на физическата система, нещо обективно съществуващо и допускащо (поне по принцип) описание с физически термини”. До края на живота си той се опитва да изгради единна теория за полето, която да извежда квантовите явления от релативистичното описание на природата. Айнщайн така и не осъществява тези свои замисли. Той нееднократно спори с Бор за квантовата механика, но това само утвърждава позициите на Бор.

Когато през 1933 г. Хитлер идва на власт, Айнщайн е извън Германия, където така и не се връща. Той става професор по физика в новия Институт за фундаментални изследвания, създаден в Принстън (щат Ню Джърси). През 1940 г. получава американско гражданство. В годините, предшестващи Втората световна война, Айнщайн преразглежда пацифистките си възгледи, чувствайки, че само военната сила е способна да спре нацистка Германия. Той достига до извода, че за „защита на законността и човешкото достойнство” ще се наложи „да се води битка” с фашистите. През 1939 г. по настояването на няколко физици-емигранти Айнщайн се обръща с писмо към президента Франклин Д. Рузвелт, в което пише, че в Германия по всяка вероятност се разработва създаването на атомна бомба. Той посочва необходимостта правителството на САЩ да подкрепя изследванията за разграждането на урана. В по-нататъшното развитие на събитията, довели до взрива на 16 юли 1945 г. на първата в света атомна бомба в Аламогордо (щат Ню Мексико), Айнщайн не взема участие.

След Втората световна война, потресен от ужасните последици от използването на атомната бомба срещу Япония и от все повече ускоряващата се надпревара във въоръжаването, Айнщайн става горещ привърженик на мира, смятайки, че при съвременните условия войната ще представлява заплаха за самото съществуване на човечеството. Малко преди смъртта си той поставя своя подпис под възванието на Бертран Ръсел, адресирано до правителствата на всички страни, предупреждаващо ги за опасностите от използването на водородната бомба и призоваващо за забрана на ядреното оръжие. Айнщайн се изказва за свободен обмен на идеи и за отговорно използване на науката за благото на човечеството.

Първа съпруга на Айнщайн е Милева Марич, негова състудентка от Федералния технологичен институт в Цюрих. Двамата се женят през 1903 г. въпреки силната съпротива на неговите родители. От този брак Айнщайн има двама сина. След петгодишна раздяла съпрузите се развеждат през 1919 г. Същата година Айнщайн сключва брак с братовчедка си Елза, вдовица с две деца. Елза Айнщайн умира през 1936 г. В свободното си време Айнщайн обича да свири. Той се учи да свири на цигулка, когато става на шест години и продължава да свири цял живот, понякога в ансамбъл с други физици, например с Макс Планк, бивш великолепен пианист. Харесва и разходките с яхта. Айнщайн смята, че ветроходният спорт помага необичайно за размислите над физически проблеми. В Принстън става местна забележителност. Познават го като физик със световно име, но за всички той е добър, скромен, приветлив и малко ексцентричен човек, с когото може да се сблъскаш направо на улицата. Умира в Принстън от аневризъм на аортата.

Най-знаменит учен на ХХ в. и един от най-големите учени на всички времена, Айнщайн обогатява физиката с присъщата само на него сила на прозрението и с ненадмината игра на въображението. От детските си години той възприема света като хармонично познаваемо цяло, „стоящо пред нас като велика и вечна загадка”. Според собственото му признание, той вярва в „Бога на Спиноза, проявяващ се в хармонията на всичко съществуващо”. Именно това „космическо религиозно чувство” подбужда Айнщайн да търси обяснение на природата с помощта на система от уравнения, която да притежава значителна красота и простота.

Сред многобройните почести, оказани на Айнщайн, е предложението да стане президент на Израел през 1952 г. Айнщайн отказва. Освен с Нобелова награда той е удостоен с много други награди, сред които медала Копли на Лондонското кралско дружество (1925 г.) и медала Франклин на Франклиновия институт (1935 г.). Айнщайн е почетен доктор на много университети и член на водещи академии на науките по света.

Превод от руски: Павел Б. Николов