Albert Einstein – biografi: Nobelpristagare & upphov till relativitetsteorin

Tidigt liv

Einstein föddes i Ulm i Württemberg i Tyskland den 14 mars 1879. Hans familj var judisk, men inte särskilt religiös. Senare i livet blev Einstein dock mycket intresserad av sin judendom. Einstein började inte tala förrän han var tre år gammal. Enligt hans lillasyster Maja hade han "sådana svårigheter med språket att hans omgivning fruktade att han aldrig skulle lära sig". När Einstein var omkring 4 år gammal gav hans far honom en magnetkompass. Han försökte verkligen förstå hur nålen kunde tyckas flytta sig själv så att den alltid pekade mot norr. Nålen satt i ett stängt hölje, så uppenbarligen kunde ingenting som vind driva nålen runt, men ändå rörde den sig. På detta sätt blev Einstein intresserad av att studera naturvetenskap och matematik. Kompassen gav honom idéer om att utforska vetenskapens värld.

När han blev äldre gick han i skola i Schweiz. När han hade tagit examen fick han jobb på patentverket där. Medan han arbetade där skrev han de artiklar som först gjorde honom känd som en stor vetenskapsman.

Einstein gifte sig med den 20-åriga serbiska kvinnan Mileva Marić i januari 1903.

År 1917 blev Einstein mycket sjuk, en sjukdom som nästan dödade honom, men lyckligtvis överlevde han. Hans kusin Elsa Löwenthal vårdade honom tillbaks till hälsan. Efter detta skedde skilde sig Einstein från Mileva den 14 februari 1919 och gifte sig med Elsa den 2 juni 1919.

Barn

Einsteins första dotter var Lieserl Einstein. Hon föddes i Novi Sad, Vojvodina, Österrike-Ungern den 27 januari 1902. Hon tillbringade sina första år i de serbiska morföräldrarnas vård eftersom hennes far Albert inte ville att hon skulle föras till Schweiz, där han hade ett jobberbjudande på patentverket. Vissa historiker tror att hon dog av scharlakansfeber.

Einsteins två söner var Hans Albert Einstein och Eduard Tete Einstein. Hans Albert föddes i Bern i Schweiz i maj 1904. Han blev professor i Berkeley (Kalifornien). Eduard föddes i Zürich i Schweiz i juli 1910. Han dog 55 år gammal av en stroke på det psykiatriska universitetssjukhuset Zürich "Burghölzli" . Han hade tillbringat sitt liv på sjukhus på grund av sin schizofreni.

Senare liv

Våren 1914 flyttade han tillbaka till Tyskland och blev ordinarie medlem av den preussiska akademin och chef för ett nyinrättat institut för fysik inom Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. Han bodde i Berlin och färdigställde den allmänna relativitetsteorin i november 1915. I Weimarrepubliken var han politiskt aktiv för socialismen och sionismen. År 1922 fick han Nobelpriset i fysik för sin förklaring av den fotoelektriska effekten 1905. Han försökte sedan formulera en allmän fältteori som förenade gravitation och elektromagnetism, utan att lyckas. Han reserverade sig mot den kvantmekanik som Heisenberg (1925) och Schrödinger (1926) uppfann. Våren 1933 var Einstein och Elsa på resa i USA när nazistpartiet kom till makten. Nazisterna var våldsamt antisemitiska. De kallade Einsteins relativitetsteori för "judisk fysik" och några tyska fysiker inledde polemik mot hans teorier. Andra, som Planck och Heisenberg, försvarade Einstein.

Efter att de återvänt till Belgien, med tanke på hoten från nazisterna, sade Einstein upp sig från sin position i den preussiska akademin i ett brev från Oostende. Einstein och Elsa beslutade att inte återvända till Berlin och flyttade till Princeton, New Jersey i USA, och 1940 blev han amerikansk medborgare.

Före andra världskriget, i augusti 1939, skrev Einstein på förslag av Leó Szilárd till USA:s president Franklin D. Roosevelt och sa att USA borde uppfinna en atombomb så att den nazistiska regeringen inte skulle kunna slå dem på fingrarna. Han undertecknade brevet. Han var dock inte en del av Manhattanprojektet, som var det projekt som skapade atombomben.

Einstein, som var jude men inte israelisk medborgare, erbjöds presidentposten 1952 men tackade nej med följande motivering: "Jag är djupt rörd av erbjudandet från vår stat Israel, och samtidigt ledsen och skamsen över att jag inte kan acceptera det." Ehud Olmert rapporterades överväga att erbjuda ordförandeskapet till en annan icke-israelisk medborgare, Elie Wiesel, men denne sades vara "mycket ointresserad".

Han forskade om gravitation vid Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, fram till sin död den 18 april 1955 till följd av ett sprängt aortaaneurysm. Han skrev fortfarande om kvantfysik timmarna innan han dog. Han tilldelades Nobelpriset i fysik.

År 1905 kom han med en teori om att ljuset bestod av små partiklar som kallas fotoner ^ . Med hjälp av denna teori kunde han förklara den fotoelektriska effekten. Formeln för energin och frekvensen hos en foton är E = h f {\displaystyle E=hf} . Detta innebär att ljus med högre frekvens har mer energi per foton.

Den fotoelektriska effekten uppstår när ljus som lyser på en metallyta får den att avge elektroner. Svårigheten för den klassiska vågteorin var att förklara varför denna effekt bara verkar uppstå för högfrekvent ljus som UV-ljus, men inte för lågfrekvent ljus som rött eller infrarött. Einstein visade att eftersom ljus med högre frekvens har fotoner med mer energi har det större chans att tvinga ut elektroner ur metallen.

Einstein kunde också förklara andra fenomen med hjälp av fotoner, t.ex. fluorescens och jonisering. År 1921 tilldelades han Nobelpriset för denna upptäckt.

Den speciella relativitetsteorin publicerades av Einstein 1905 i artikeln On the Electrodynamics of Moving Bodies. Den säger att både avståndsmätningar och tidsmätningar förändras nära ljusets hastighet. Detta innebär att när man närmar sig ljusets hastighet (nästan 300 000 kilometer per sekund) verkar längder bli kortare och klockor ticka långsammare. Einstein sade att den speciella relativitetsteorin bygger på två idéer. Den första är att fysikens lagar är desamma för alla observatörer som inte rör sig i förhållande till varandra.

Saker som rör sig i samma riktning med samma hastighet sägs befinna sig i en "tröghetsram".

Människor inom samma "ram" mäter hur lång tid det tar att göra något. Deras klockor håller samma tid. Men i en annan "ram" rör sig deras klockor i en annan takt. Orsaken till att detta sker är följande. Oavsett hur en observatör rör sig, om han mäter hastigheten på ljuset som kommer från den stjärnan kommer det alltid att vara samma siffra.

Föreställ dig att en astronaut är helt ensam i ett annat universum. Det har bara en astronaut och ett rymdskepp. Rör han sig? Står han stilla? Dessa frågor betyder ingenting. Varför? Därför att när vi säger att vi rör oss menar vi att vi kan mäta vårt avstånd från något annat vid olika tidpunkter. Om siffrorna blir större rör vi oss bort. Om siffrorna blir mindre rör vi oss närmare. För att ha rörelse måste man ha minst två saker. Ett flygplan kan röra sig i flera hundra kilometer i timmen, men passagerarna säger: "Jag sitter bara här".

Anta att några personer befinner sig på ett rymdskepp och vill göra en exakt klocka. I ena änden sätter de en spegel och i andra änden en enkel maskin. Den skjuter en kort ljusstöt mot spegeln och väntar sedan. Ljuset träffar spegeln och studsar tillbaka. När det träffar en ljusdetektor på maskinen säger maskinen: "Räkna = 1." Samtidigt skjuter den ytterligare en kort ljusstöt mot spegeln, och när ljuset kommer tillbaka säger maskinen: "Räkna = 2." De beslutar att ett visst antal studsar ska definieras som en sekund, och de får maskinen att ändra sekundsräknaren varje gång den har upptäckt detta antal studsar. Varje gång den ändrar sekundräknaren blinkar också ett ljus ut genom ett porthål under maskinen. Så någon utanför kan se ljuset blinka varje sekund.

Alla barn i grundskolan lär sig formeln d=rt (avstånd är lika med hastighet multiplicerat med tid). Vi känner till ljusets hastighet, och vi kan enkelt mäta avståndet mellan maskinen och spegeln och multiplicera det för att få fram avståndet som ljuset färdas. Vi har alltså både d och r, och vi kan lätt beräkna t. Människorna på rymdskeppet jämför sin nya "ljusklocka" med sina olika armbandsur och andra klockor, och de är nöjda med att de kan mäta tiden bra med hjälp av sin nya ljusklocka.

Rymdskeppet råkar nu åka väldigt fort. De ser en blixt från klockan på rymdskeppet, och sedan ser de en ny blixt. Men blixtarna kommer inte med en sekunds mellanrum. De kommer i en långsammare takt. Ljuset går alltid med samma hastighet, d = rt. Det är därför klockan på rymdskeppet inte blinkar en gång i sekunden för den utomstående observatören.

Den speciella relativitetsteorin kopplar också energi till massa, i Albert Einsteins formel E=mc . ²

E=mc² , även kallad massa-energi-ekvivalenten, är en av de saker som Einstein är mest känd för. Det är en berömd ekvation inom fysik och matematik som visar vad som händer när massa ändras till energi eller energi ändras till massa. "E" i ekvationen står för energi. Energi är ett tal som man ger föremål beroende på hur mycket de kan förändra andra saker. Till exempel kan en tegelsten som hänger över ett ägg lägga tillräckligt mycket energi på ägget för att det ska gå sönder, men en fjäder kan inte göra det.

Det finns tre grundläggande former av energi: potentiell energi, kinetisk energi och viloenergi. Två av dessa energiformer kan ses i exemplen ovan och i exemplet med en pendel.

En kanonkula hänger i ett rep från en järnring. En häst drar kanonkulan till höger. När kanonkulan släpps loss rör den sig fram och tillbaka enligt diagrammet. Det skulle den göra för evigt om inte rörelsen av repet i ringen och gnidningen på andra ställen orsakar friktion, och friktionen tar bort lite energi hela tiden. Om vi bortser från förlusterna på grund av friktion så ges den energi som hästen tillför kanonkulan som potentiell energi. (Den har energi eftersom den är högt uppe och kan falla ner.) När kanonkulan svänger neråt får den mer och mer fart, så ju närmare botten den kommer desto snabbare går den och desto hårdare skulle den träffa dig om du stod framför den. Sedan saktar den ner eftersom dess rörelseenergi omvandlas tillbaka till potentiell energi. "Kinetisk energi" betyder bara den energi som något har för att det rör sig. "Potentiell energi är den energi som något har för att det befinner sig i en högre position än något annat.

När energi övergår från en form till en annan förblir energimängden alltid densamma. Den kan varken tillverkas eller förstöras. Denna regel kallas "energins bevarandelag". När du till exempel kastar en boll överförs energin från din hand till bollen när du släpper den. Men den energi som fanns i din hand och den energi som nu finns i bollen är samma antal. Under lång tid trodde folk att energins bevarande var allt som fanns att tala om.

När energi omvandlas till massa förblir energimängden inte densamma. När massa omvandlas till energi förblir energimängden inte heller densamma. Mängden materia och energi förblir dock densamma. Energi omvandlas till massa och massa omvandlas till energi på ett sätt som definieras av Einsteins ekvation E = mc² .

"m" i Einsteins ekvation står för massa. Massa är den mängd materia som finns i en kropp. Om du känner till antalet protoner och neutroner i en bit materia, t.ex. en tegelsten, kan du beräkna dess totala massa som summan av massorna av alla protoner och neutroner. (Elektroner är så små att de nästan är försumbara.) Massor drar på varandra, och en mycket stor massa som jordens drar mycket hårt på saker i närheten. Du skulle väga mycket mer på Jupiter än på jorden eftersom Jupiter är så stor. Du skulle väga mycket mindre på månen eftersom den bara är ungefär en sjättedel av jordens massa. Vikten är relaterad till tegelstenens (eller personens) massa och massan hos det som drar ner den på en fjädervåg - som kan vara mindre än den minsta månen i solsystemet eller större än solen.

Massan, inte vikten, kan omvandlas till energi. Ett annat sätt att uttrycka denna idé är att säga att materia kan omvandlas till energi. Massanheter används för att mäta mängden materia i något. Massan eller mängden materia i något avgör hur mycket energi det kan omvandlas till.

Energi kan också omvandlas till massa. Om du skjuter en barnvagn i långsam gång och tycker att den är lätt att skjuta, men om du skjuter den i snabb gång och tycker att den är svårare att flytta, skulle du undra vad det är för fel på barnvagnen. Om du sedan försökte springa och upptäckte att det var som att trycka på en tegelvägg när du flyttade barnvagnen i högre hastighet, skulle du bli mycket förvånad. Sanningen är att när något flyttas ökar dess massa. Människor märker vanligtvis inte denna ökning av massan eftersom ökningen av massan är nästan obefintlig i den hastighet som människor vanligtvis rör sig med.

När hastigheterna närmar sig ljusets hastighet blir det omöjligt att inte lägga märke till förändringar i massan. Den grundläggande erfarenhet som vi alla delar i det dagliga livet är att ju hårdare vi trycker på något, t.ex. en bil, desto snabbare kan vi få igång den. Men när något vi trycker på redan har en stor del av ljusets hastighet upptäcker vi att det fortsätter att öka sin massa, så det blir svårare och svårare att få det att gå fortare. Det är omöjligt att få någon massa att gå med ljusets hastighet eftersom det skulle kräva oändlig energi.

Ibland omvandlas en massa till energi. Vanliga exempel på grundämnen som gör dessa förändringar som vi kallar radioaktivitet är radium och uran. En uranatom kan förlora en alfapartikel (heliums atomkärna) och bli ett nytt grundämne med en lättare atomkärna. Då kommer den atomen att avge två elektroner, men den kommer inte att vara stabil ännu. Den kommer att avge en rad alfapartiklar och elektroner tills den slutligen blir grundämnet Pb eller det vi kallar bly. Genom att kasta ut alla dessa partiklar som har massa har den gjort sin egen massa mindre. Den har också producerat energi.

I de flesta radioaktiva situationer omvandlas inte hela massan av något till energi. I en atombomb omvandlas uran till krypton och barium. Det finns en liten skillnad i massan hos de resulterande krypton och barium och massan hos det ursprungliga uranet, men den energi som frigörs genom förändringen är enorm. Ett sätt att uttrycka denna idé är att skriva Einsteins ekvation som:

E = (_muranium - mkrypton _{och barium}) c ²

c² i ekvationen står för ljusets hastighet i kvadrat. Att kvadrera något innebär att multiplicera det med sig själv, så om du skulle kvadrera ljusets hastighet skulle den vara 299 792 458 meter per sekund gånger 299 792 458 meter per sekund, vilket är ungefär
(3-10⁸ )² = (9-10¹⁶ meter² )/sekunder² =
90 000 000 000 000 000 000 000 000 000 meter² /sekunder²
 Så den energi som produceras av ett kilo skulle vara:
E = 1 kg - 90 000 000 000 000 000 000 000 meter² /sekunder²
 E = 90 000 000 000 000 000 000 000 kg meter² /sekunder²
 eller
E = 90 000 000 000 000 000 000 000 000 joule
eller
E = 90
000 000 000 000 000 000 000 joule
eller
E = 90 000 terajoule.

Ungefär 60 terajoule frigjordes av atombomben som exploderade över Hiroshima. Så ungefär två tredjedelar av ett gram av den radioaktiva massan i atombomben måste ha gått förlorad (omvandlats till energi) när uranet omvandlades till krypton och barium.

Idén om ett Bose-Einstein-kondensat uppstod i ett samarbete mellan S. N. Bose och professor Einstein. Einstein uppfann den inte själv, utan förfinade idén och bidrog till att den blev populär.

Begreppet nollpunktsenergi utvecklades i Tyskland av Albert Einstein och Otto Stern 1913.

I den klassiska fysiken förklaras rörelsemängden med ekvationen:

p = mv

där

p representerar rörelsemängd.

m står för massan.

v står för hastigheten (hastigheten)

När Einstein generaliserade den klassiska fysiken för att inkludera ökningen av massan på grund av den rörliga materiens hastighet, kom han fram till en ekvation som förutsade att energi består av två komponenter. Den ena komponenten innefattar "vilomassa" och den andra komponenten innefattar rörelsemängd, men rörelsemängd definieras inte på det klassiska sättet. Ekvationen har vanligtvis värden större än noll för båda komponenterna:

E² = (m₀ c² )² + (pc)²

där

E representerar partikelns energi.

m₀ representerar partikelns massa när den inte rör sig.

p representerar partikelns rörelsemängd när den är i rörelse.

c är ljusets hastighet.

Det finns två specialfall av denna ekvation.

En foton har ingen vilomassa, men den har en rörelsemängd. (Ljus som reflekteras från en spegel trycker på spegeln med en kraft som kan mätas.) I fallet med en foton, eftersom dess m₀ = 0, då:

E² = 0 + (pc)²

E = pc

p = E/c

En fotons energi kan beräknas utifrån dess frekvens ν eller våglängd λ. Dessa är relaterade till varandra genom Plancks relation, E = hν = hc/λ, där h är Planckkonstanten (6,626×10⁻³⁴ joule-sekunder). När man känner till antingen frekvens eller våglängd kan man beräkna fotonens rörelsemängd.

I fallet med orörliga partiklar med massa, eftersom p = 0, gäller följande:

E₀² = (m₀ c² )² + 0

som bara är

E₀ = m₀ c²

Därför kallas kvantiteten "m₀ " som används i Einsteins ekvation ibland för "vilomassa". ("0" påminner oss om att vi talar om energi och massa när hastigheten är 0.) Denna berömda formel för "massa-energirelationen" (som vanligtvis skrivs utan "0") antyder att massa har en stor mängd energi, så kanske kan vi omvandla en del massa till en mer användbar form av energi. Kärnkraftsindustrin bygger på denna idé.

Einstein sa att det inte var någon bra idé att använda den klassiska formeln för att relatera rörelsemängd till hastighet, p = mv, utan att om någon ville göra det måste han använda en partikelmassa m som förändras med hastigheten:

m_v² = m₀² / (1 - v² /c² )

I detta fall kan vi säga att E = mc² också gäller för partiklar i rörelse.

Den allmänna relativitetsteorin publicerades 1915, tio år efter att den speciella relativitetsteorin hade skapats. Einsteins allmänna relativitetsteori använder sig av idén om rymdtid. Rymdtid är det faktum att vi har ett fyrdimensionellt universum, med tre rumsliga (space) dimensioner och en temporal (time) dimension. Varje fysisk händelse sker på någon plats inom dessa tre rumsdimensioner och vid någon tidpunkt i tiden. Enligt den allmänna relativitetsteorin får varje massa rymdtiden att kröka sig, och varje annan massa följer dessa kurvor. Större massa orsakar mer krökning. Detta var ett nytt sätt att förklara gravitation (tyngdkraft).

Den allmänna relativitetsteorin förklarar gravitationslinser, vilket innebär att ljuset böjs när det närmar sig ett massivt objekt. Denna förklaring visade sig vara riktig under en solförmörkelse, då solens böjning av stjärnljus från avlägsna stjärnor kunde mätas på grund av mörkeret under solförmörkelsen.

Den allmänna relativitetsteorin banade också väg för kosmologin (teorier om hur vårt universum är uppbyggt på stora avstånd och under lång tid). Einstein trodde att universum kan kröka lite i både rum och tid, så att universum alltid har funnits och alltid kommer att finnas, och så att om ett föremål rörde sig genom universum utan att stöta på något, skulle det återvända till sin utgångspunkt, från andra hållet, efter en mycket lång tid. Han ändrade till och med sina ekvationer för att inkludera en "kosmologisk konstant" för att möjliggöra en matematisk modell av ett oföränderligt universum. Den allmänna relativitetsteorin tillåter också att universum sprids ut (blir större och mindre tätt) i all evighet, och de flesta vetenskapsmän anser att astronomin har bevisat att detta är vad som händer. När Einstein insåg att bra modeller av universum var möjliga även utan den kosmologiska konstanten kallade han sin användning av den kosmologiska konstanten för sitt "största misstag", och den konstanten utelämnas ofta ur teorin. Många forskare anser dock nu att den kosmologiska konstanten behövs för att passa in i allt det vi nu vet om universum.

En populär kosmologisk teori kallas Big Bang. Enligt Big Bang-teorin bildades universum för 15 miljarder år sedan i en så kallad gravitationell singularitet. Singulariteten var liten, tät och mycket varm. Enligt denna teori kom all den materia som vi känner till idag från denna punkt.

Einstein själv hade inte idén om ett "svart hål", men senare använde forskarna detta namn för ett objekt i universum som böjer rymdtiden så mycket att inte ens ljuset kan undkomma det. De tror att dessa ultratäta objekt bildas när jättestjärnor, minst tre gånger så stora som vår sol, dör. Denna händelse kan följa på det som kallas en supernova. Bildandet av svarta hål kan vara en viktig källa till gravitationsvågor, så sökandet efter bevis för gravitationsvågor har blivit en viktig vetenskaplig strävan.

Många vetenskapsmän bryr sig bara om sitt arbete, men Einstein talade och skrev också ofta om politik och världsfred. Han gillade socialismens idéer och att ha en enda regering för hela världen. Han arbetade också för sionismen, dvs. strävan att försöka skapa det nya landet Israel.

På uppmaning av sin kollega L. E. J. Brouwer läste Einstein filosofen Eric Gutkinds bok Choose Life, en diskussion om förhållandet mellan judisk uppenbarelse och den moderna världen. Den 3 januari 1954 skickade Einstein följande svar till Gutkind: "Ordet Gud är för mig inget annat än ett uttryck för och en produkt av mänskliga svagheter, Bibeln en samling hedervärda, men fortfarande primitiva legender som ändå är ganska barnsliga. .... För mig är den judiska religionen liksom alla andra religioner en inkarnation av den mest barnsliga vidskepelse." År 2018 såldes hans brev till Gutkind för 2,9 miljoner dollar.

Även om Einstein kom på många idéer som hjälpte forskarna att förstå världen mycket bättre, var han oenig med vissa vetenskapliga teorier som andra forskare gillade. Teorin om kvantmekanik diskuterar saker som bara kan hända med vissa sannolikheter, som inte kan förutsägas med större precision oavsett hur mycket information vi har. Denna teoretiska strävan skiljer sig från den statistiska mekaniken, som Einstein gjorde ett viktigt arbete inom. Einstein gillade inte den del av kvantteorin som förnekade något mer än sannolikheten för att något skulle visa sig vara sant för något när det faktiskt mättes; han ansåg att det borde vara möjligt att förutsäga vad som helst, om vi hade rätt teori och tillräckligt med information. Han sade en gång: "Jag tror inte att Gud spelar tärning med universum".

Eftersom Einstein hjälpte vetenskapen så mycket används hans namn nu för flera olika saker. En enhet som används inom fotokemi har fått sitt namn efter honom. Den är lika med Avogadros tal multiplicerat med energin hos en ljusfoton. Det kemiska grundämnet Einsteinium är också uppkallat efter vetenskapsmannen. På slang kallar vi ibland en mycket smart person för "Einstein".

De flesta vetenskapsmän anser att Einsteins teorier om speciell och allmän relativitet fungerar mycket bra, och de använder dessa idéer och formler i sitt eget arbete. Einstein höll inte med om att fenomen inom kvantmekaniken kan uppstå av ren slump. Han ansåg att alla naturfenomen har förklaringar som inte innefattar ren slump. Han ägnade en stor del av sitt senare liv åt att försöka hitta en "enhetlig fältteori" som skulle innehålla hans allmänna relativitetsteori, Maxwells teori om elektromagnetism och kanske en bättre kvantteori. De flesta vetenskapsmän anser inte att han lyckades med detta försök.