южно-германском городе Ульме, в небогатой
еврейской семье[7] .
Герман Эйнштейн и Паулина Эйнштейн (урожд
Кох), отец и мать учёного
Отец, Герман Эйнштейн ( 1847—1902), был в это
время совладельцем небольшого предприятия по
производству перьевой набивки для матрацев и
перин. Мать, Паулина Эйнштейн (урождённая
Кох, 1858—1920), происходила из семьи
состоятельного торговца кукурузой Юлиуса
Дерцбахера (в 1842 году он сменил фамилию на
Кох) и Йетты Бернхаймер [8] . Летом 1880 года
семья переселилась в Мюнхен , где Герман
Эйнштейн вместе с братом Якобом основал
небольшую фирму по торговле электрическим
оборудованием. В Мюнхене родилась младшая
сестра Альберта Мария (Майя, 1881—1951).
Начальное образование Альберт Эйнштейн
получил в местной католической школе. По его
собственным воспоминаниям, он в детстве
пережил состояние глубокой религиозности,
которое оборвалось в 12 лет. Через чтение
научно-популярных книг он пришёл к убеждению,
что многое из того, что изложено в Библии, не
может быть правдой, а государство намеренно
занимается обманом молодого поколения. Всё это
сделало его вольнодумцем и навсегда породило
скептическое отношение к авторитетам [9] . Из
детских впечатлений Эйнштейн позже вспоминал
как наиболее сильные: компас , «Начала»
Евклида и (около 1889 года ) «Критику чистого
разума» Иммануила Канта . Кроме того, по
инициативе матери он с шести лет начал
заниматься игрой на скрипке. Увлечение музыкой
сохранялось у Эйнштейна на протяжении всей
жизни. Уже находясь в США в Принстоне, в 1934
году Альберт Эйнштейн дал благотворительный
концерт, где исполнял на скрипке произведения
Моцарта в пользу эмигрировавших из нацистской
Германии учёных и деятелей культуры.
Эйнштейн в 14 лет
В гимназии (ныне Гимназия имени Альберта
Эйнштейна [de] в Мюнхене) он не был в числе
первых учеников (исключение составляли
математика и латынь ). Укоренившаяся система
механического заучивания материала учащимися
(которая, как он позже говорил, наносит вред
самому духу учёбы и творческому мышлению), а
также авторитарное отношение учителей к
ученикам вызывало у Альберта Эйнштейна
неприятие, поэтому он часто вступал в споры со
своими преподавателями.
В 1894 году Эйнштейны переехали из Мюнхена в
итальянский город Павию, близ Милана, куда
братья Герман и Якоб перевели свою фирму.
Сам Альберт оставался с родственниками в
Мюнхене ещё некоторое время, чтобы окончить
все шесть классов гимназии. Так и не получив
аттестата зрелости , в 1895 году он
присоединился к своей семье в Павии.
Аттестат Эйнштейна в Арау (оценки по
шестибалльной шкале)
Осенью 1895 года Альберт Эйнштейн прибыл в
Швейцарию, чтобы сдать вступительные экзамены
в Высшее техническое училище (Политехникум) в
Цюрихе и по окончании обучения стать
преподавателем физики. Блестяще проявив себя
на экзамене по математике, он в то же время
провалил экзамены по ботанике и французскому
языку, что не позволило ему поступить в
Цюрихский Политехникум. Однако директор
училища посоветовал молодому человеку
поступить в выпускной класс школы в Арау
(Швейцария), чтобы получить аттестат и
повторить поступление.
В кантональной школе Арау Альберт Эйнштейн
посвящал своё свободное время изучению
электромагнитной теории Максвелла . В сентябре
1896 года он успешно сдал все выпускные
экзамены в школе, за исключением экзамена по
французскому языку, и получил аттестат, а в
октябре 1896 года был принят в Политехникум на
педагогический факультет [10] . Здесь он
подружился с однокурсником, математиком
Марселем Гроссманом ( 1878—1936), а также
познакомился с сербской студенткой факультета
медицины Милевой Марич (на 4 года старше его),
впоследствии ставшей его женой. В этом же году
Эйнштейн отказался от германского
гражданства. Чтобы получить швейцарское
гражданство, требовалось уплатить 1000
швейцарских франков , однако бедственное
материальное положение семьи позволило ему
сделать это только спустя 5 лет. Предприятие
отца в этом году окончательно разорилось,
родители Эйнштейна переехали в Милан , где
Герман Эйнштейн, уже без брата, открыл фирму
по торговле электрооборудованием.
Стиль и методика преподавания в Политехникуме
существенно отличались от закостеневшей и
авторитарной германской школы, поэтому
дальнейшее обучение давалось юноше легче. У
него были первоклассные преподаватели, в том
числе замечательный геометр Герман
Минковский (его лекции Эйнштейн часто
пропускал, о чём потом искренне сожалел) и
аналитик Адольф Гурвиц .
Начало научной
деятельности
В 1900 году Эйнштейн окончил Политехникум,
получив диплом преподавателя математики и
физики. Экзамены он сдал успешно, но не
блестяще. Многие профессора высоко оценивали
способности студента Эйнштейна, но никто не
захотел помочь ему продолжить научную карьеру.
Сам Эйнштейн позже вспоминал[11] :
Эйнштейн в патентном бюро (1905)
Хотя в следующем, 1901 году , Эйнштейн получил
гражданство Швейцарии, но вплоть до весны
1902 года не мог найти постоянное место
работы — даже школьным учителем. Вследствие
отсутствия заработка он буквально голодал, не
принимая пищу несколько дней подряд. Это стало
причиной болезни печени , от которой учёный
страдал до конца жизни.
Несмотря на лишения, преследовавшие его в 1900
—1902 годах, Эйнштейн находил время для
дальнейшего изучения физики. В 1901 году
берлинские «Анналы физики » опубликовали его
первую статью «Следствия теории
капиллярности » ( Folgerungen aus den
Capillaritätserscheinungen ), посвящённую
анализу сил притяжения между атомами
жидкостей на основании теории капиллярности.
Преодолеть трудности помог бывший однокурсник
Марсель Гроссман, рекомендовавший Эйнштейна
на должность эксперта III класса в Федеральное
Бюро патентования изобретений ( Берн ) с окладом
3500 франков в год (в годы студенчества он жил
на 100 франков в месяц [12] ).
Эйнштейн работал в Бюро патентов с июля
1902 года по октябрь 1909 года , занимаясь
преимущественно экспертной оценкой заявок на
изобретения. В 1903 году он стал постоянным
работником Бюро. Характер работы позволял
Эйнштейну посвящать свободное время
исследованиям в области теоретической физики.
Эйнштейн со своей первой женой
Милевой Марич (ок. 1905)
В октябре 1902 года Эйнштейн получил известие
из Италии о болезни отца; Герман Эйнштейн
умер спустя несколько дней после приезда сына.
6 января 1903 года Эйнштейн женился на
двадцатисемилетней Милеве Марич . У них
родились трое детей[13] .
С 1904 года Эйнштейн сотрудничал с ведущим
физическим журналом Германии «Анналы
физики », предоставляя для его реферативного
приложения аннотации новых статей по
термодинамике [14] . Вероятно, приобретённый
этим авторитет в редакции содействовал его
собственным публикациям 1905 года.
1905 — «Год чудес»
1905 год вошёл в историю физики как «Год
чудес» ( лат. Annus Mirabilis ) [15] . В этом году
«Анналы физики » опубликовал три выдающиеся
статьи Эйнштейна, положившие начало новой
научной революции:
1. «К электродинамике движущихся
тел» ( нем. Zur Elektrodynamik bewegter
Körper). С этой статьи начинается теория
относительности[16] .
2. «Об одной эвристической точке зрения,
касающейся возникновения и превращения
света» ( нем. Über einen die Erzeugung und
Verwandlung des Lichts betreffenden
heuristischen Gesichtspunkt ). Одна из работ,
заложивших фундамент квантовой теории.
3. «О движении взвешенных в покоящейся
жидкости частиц, требуемом молекулярно-
кинетической теорией теплоты» ( нем. Über die
von der molekularkinetischen Theorie der Wärme
geforderte Bewegung von in ruhenden
Flüssigkeiten suspendierten Teilchen ) — работа,
посвящённая броуновскому движению и
существенно продвинувшая статистическую
физику .
Эйнштейну часто задавали вопрос: как ему
удалось создать теорию относительности?
Полушутя, полувсерьёз он отвечал [17] :
Специальная теория
относительности
Основная статья: Специальная теория
относительности
В течение всего XIX века материальным
носителем электромагнитных явлений считалась
гипотетическая среда — эфир. Однако к началу
XX века выяснилось, что свойства этой среды
трудно согласовать с классической физикой. С
одной стороны, аберрация света наталкивала на
мысль, что эфир абсолютно неподвижен, с
другой — опыт Физо свидетельствовал в пользу
гипотезы, что эфир частично увлекается
движущейся материей. Опыты Майкельсона
( 1881), однако, показали, что никакого
«эфирного ветра» не существует.
В 1892 году Лоренц и (независимо от него)
Джордж Френсис Фицджеральд предположили, что
эфир неподвижен, а длина любого тела
сокращается в направлении его движения.
Оставался, однако, открытым вопрос, почему
длина сокращается в точности в такой
пропорции, чтобы компенсировать «эфирный
ветер» и не дать обнаружить существование
эфира. Одновременно изучался вопрос, при каких
преобразованиях координат уравнения Максвелла
инвариантны. Правильные формулы впервые
выписали Лармор ( 1900) и Пуанкаре ( 1905),
последний доказал их групповые свойства и
предложил назвать преобразованиями Лоренца .
Пуанкаре также дал обобщённую формулировку
принципа относительности, охватывающего и
электродинамику . Тем не менее он продолжал
признавать эфир, хотя придерживался мнения,
что его никогда не удастся обнаружить [18] . В
докладе на физическом конгрессе ( 1900)
Пуанкаре впервые высказывает мысль, что
одновременность событий не абсолютна, а
представляет собой условное соглашение
(« конвенцию »). Было высказано также
предположение о предельности скорости света .
Таким образом, в начале XX века существовали
две несовместимые кинематики: классическая, с
преобразованиями Галилея , и электромагнитная,
с преобразованиями Лоренца.
Einsteinhaus — дом Эйнштейна в Берне,
где родилась теория относительности
Эйнштейн, размышляя на эти темы в
значительной степени независимо, предположил,
что первая есть приближённый случай второй для
малых скоростей, а то, что считалось свойствами
эфира, есть на деле проявление объективных
свойств пространства и времени [19] . Эйнштейн
пришёл к выводу, что нелепо привлекать понятие
эфира только для того, чтобы доказать
невозможность его наблюдения, и что корень
проблемы лежит не в динамике, а глубже — в
кинематике. В упомянутой выше
основополагающей статье «К электродинамике
движущихся тел» он предложил два постулата:
всеобщий принцип относительности и постоянство
скорости света; из них без труда выводятся
лоренцево сокращение , формулы преобразования
Лоренца, относительность одновременности,
ненужность эфира, новая формула сложения
скоростей, возрастание инерции со скоростью
и т. д. [20] В другой его статье, которая вышла в
конце года, появилась и формула ,
определяющая связь массы и энергии .
Часть учёных сразу приняли эту теорию, которая
позднее получила название «специальная теория
относительности» (СТО); Планк ( 1906) и сам
Эйнштейн ( 1907) построили релятивистскую
динамику и термодинамику. Бывший учитель
Эйнштейна, Минковский, в 1907 году представил
математическую модель кинематики теории
относительности в виде геометрии
четырёхмерного неевклидова мира и разработал
теорию инвариантов этого мира (первые
результаты в этом направлении опубликовал
Пуанкаре в 1905 году ).
Однако немало учёных сочли «новую физику»
чересчур революционной. Она отменяла эфир,
абсолютное пространство и абсолютное время,
ревизовала механику Ньютона , которая 200 лет
служила опорой физики и неизменно
подтверждалась наблюдениями. Время в теории
относительности течёт по-разному в разных
системах отсчёта , инерция и длина зависят от
скорости, движение быстрее света невозможно,
возникает «парадокс близнецов » — все эти
необычные следствия были неприемлемы для
консервативной части научного сообщества. Дело
осложнялось также тем, что СТО не
предсказывала поначалу никаких новых
наблюдаемых эффектов, а опыты Вальтера
Кауфманна ( 1905—1909) многие истолковывали
как опровержение краеугольного камня СТО —
принципа относительности (этот аспект
окончательно прояснился в пользу СТО только в
1914—1916 годах) [21] . Некоторые физики уже
после 1905 года пытались разработать
альтернативные теории (например, Ритц в 1908
году ), однако позже выяснилось неустранимое
расхождение этих теорий с экспериментом [22] .
Многие видные физики остались верными
классической механике и концепции эфира,
среди них Лоренц , Дж. Дж. Томсон , Ленард,
Лодж , Нернст , Вин [22] . При этом некоторые из
них (например, сам Лоренц) не отвергали
результатов специальной теории относительности,
однако интерпретировали их в духе теории
Лоренца, предпочитая смотреть на
пространственно-временную концепцию
Эйнштейна-Минковского как на чисто
математический приём.
Решающим аргументом в пользу истинности СТО
стали опыты по проверке Общей теории
относительности (см. ниже). Со временем
постепенно накапливались и опытные
подтверждения самой СТО. На ней основаны
квантовая теория поля , теория ускорителей, она
учитывается при проектировании и работе
спутниковых систем навигации (здесь оказались
нужны даже поправки общей теории
относительности) [23] и т. д.
Присоединяйтесь — мы покажем вам много интересного
Присоединяйтесь к ОК, чтобы подписаться на группу и комментировать публикации.
Комментарии 1