Эйнштейн изобретения. Эйнштейн был заядлым курильщиком
10 января 1934 года Германское патентное ведомство по заявке, поданной 25 апреля 1929 года, выдало патент № 590783 на «Устройство, в частности, для звуковоспроизводящей системы, в котором изменения электрического тока вследствие магнитострикции вызывают движение магнитного тела». Авторы изобретения — Рудольф Гольдшмидт и Альберт Эйнштейн. Магнитострикцией называют изменение размеров магнитных тел (обычно ферромагнетиков) при намагничивании. В преамбуле к патентному описанию изобретатели пишут, что силам магнитного сжатия препятствует жесткость ферромагнетика, и предлагают три способа увеличения перемещения под действием этой силы.
Первый способ показан на рис. 1 a . Несущий иглу С с диффузором ферромагнитный стержень В ввинчен в прочное U-образное магнитное ярмо А таким образом, что сжимающие стержень осевые усилия очень близки к критической величине, при которой имеют место эйлеровская потеря устойчивости и изгиб стержня. На ярмо надеты обмотки D, по которым проходит электрический ток, модулированный звуковым сигналом. Чем сильнее звук, тем сильнее намагничивание и сжатие стержня В. Поскольку стержень поставлен на грань неустойчивости, малые вариации длины приводят к сильным колебаниям в вертикальном направлении, и прикрепленный к середине стержня диффузор генерирует звук. Во втором варианте (рис. 1 б ) используется неустойчивость системы из сжатой пружины Н и штока G, упирающегося острием в лунку S. Модулированный звуковым сигналом ток проходит по обмотке D. Переменная во времени намагниченность железного стержня приводит к небольшим колебаниям его длины, которые усиливаются за счет энергии теряющей устойчивость сильной пружины. В третьем варианте магнитострикционного громкоговорителя (рис. 1 в ) применена схема с двумя железными стержнями B1 и B2, обмотки D которых подключены таким образом, что, когда намагниченность одного стержня увеличивается, намагниченность другого уменьшается. Тягами C1 и С2 стержни соединены с коромыслом G, подвешенным на штанге М и прикрепленным растяжками F к боковинам магнитного ярма А. Коромысло жестко связано с диффузором W. Завинчивая гайку Р на штанге М, систему переводят в состояние неустойчивого равновесия. Благодаря противофазному намагничиванию стержней B1 и B2 током звуковой частоты их деформации также совершаются в противофазе — один сжимается, другой удлиняется, и коромысло в соответствии со звуковым сигналом поворачивается относительно точки R. В этом случае также за счет использования скрытой неустойчивости происходит усиление амплитуды магнитострикционных колебаний.
Автоматическая фотокамера
Эйнштейн придумал несколько технических устройств, в том числе чувствительный электрометр и прибор, определяющий время экспозиции при фотосъемке. Теперь такое устройство называется фотоэкспонометром. Может быть, это изобретение было побочным продуктом размышлений, завершившихся созданием представления о световых квантах и объяснением фотоэффекта. Интерес к устройствам подобного рода сохранился у Эйнштейна надолго, хотя фотолюбителем он не был. Во второй половине 40-х годов Эйнштейн и Букки изобрели механизм для автоматической регулировки времени экспозиции в зависимости от освещенности. Устройство показано на рис. 2 , где а, в — камера, б — сегмент переменной прозрачности. 27 октября 1936 года они получили американский патент № 2058562 на фотокамеру, автоматически подстраивающуюся под уровень освещенности. В ее передней стенке 1, помимо объектива 2, имеется еще окно 3, через которое свет попадает на фотоэлемент 4. Электрический ток, вырабатываемый фотоэлементом, поворачивает находящийся между линзами объектива легкий кольцевой сегмент 5, зачерненный так, что прозрачность его плавно изменяется от максимальной на одном конце до минимальной на другом (рис. 2 б ). Поворот сегмента тем больше, а, следовательно, затемнение объектива тем сильнее, чем ярче освещен объект. Таким образом, будучи раз отъюстированным, устройство при любой освещенности само регулирует количество света, падающего на фотопленку или пластинку, находящуюся в фокальной плоскости объектива 2. Но что делать, если фотографу захочется изменить диафрагму? Для этого изобретатели предлагают несколько усложненный вариант своей фотокамеры. В этом варианте на ее передней стенке 1 устанавливается поворотный диск 6 с набором отверстий 7-12 нескольких диаметров. При поворотах диска одно из таких отверстий приходится на объектив, а диаметрально противоположное — на окно фотоэлемента. Поворачивая диск за рычажок 13 на фиксированные углы, фотограф одновременно диафрагмирует и объектив и окно. Экспонометр Букки—Эйнштейна одно время был весьма популярен, его даже использовали кинооператоры в Голливуде. Заметим, что попутно здесь предложен тот самый принцип обратной связи, который лег в основу кибернетики, но до выхода основополагающей книги Норберта Винера оставалось еще 12 лет.
Гирокомпасы и индукционная электромагнитная подвеска
В 1926 году фирмой Аншютца был разработан и запущен в серийное производство весьма сложный и совершенный гироскопический прибор — прецизионный гирокомпас. В статьях и книгах по гирокомпасам непременно отмечается, что в разработке принял участие Эйнштейн. Этот гироскопический прибор двухроторный — в нем механически связаны взаимно перпендикулярные оси двух вращающихся со скоростью 20 000 об./мин роторов, по 2,3 кг каждый. Они являются также роторами трехфазных асинхронных двигателей переменного тока. Оба гироскопа (ротора) помещены внутрь полой герметичной сферы. При слове «гироскоп» большинство вспоминает устройство с ротором, ось которого закреплена в кольцах карданова подвеса. Конечно, карданов подвес, обеспечивающий ротору полную свободу поворотов вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, — находка необычайно остроумная (рис. 3 ). Но для мореходного гирокомпаса такой подвес не годится: компас должен месяцами указывать строго на север, не сбиваться ни при штормах, ни при ускорениях и переменах курса судна. С течением времени ось ротора будет поворачиваться, или, как говорят моряки, «уходить». В новом гироскопе кардановых колец нет — сфepa диаметром 25 см с двумя гироскопами (двухгироскопная система в отношении качки несравненно устойчивее одногироскопной) свободно плавает в жидкости, снаружи она не касается никаких подпорок или стенок. К ней даже не подходят электрические провода, которые способны передавать какие-то механические усилия и моменты. У сферы имеются выполненные из электропроводного материала «полярные шапки» и «экваториальный пояс». Против этих электродов в жидкости находятся электроды, к которым подключены фазы электропитания. Жидкость, в которой плавает сфера, — это вода, в которую добавлено немного глицерина для придания ей антифризных свойств и кислоты — для электропроводности. Таким образом, трехфазный ток подается в гиросферу прямо через поддерживающую ее жидкость, а затем уже внутри по проводам разводится к статорным обмоткам гироскопных двигателей.
Для плавания в поддерживающей жидкости в полностью погруженном и безразличном состоянии должен соблюдаться совершенно точный баланс между ее весом и весом вытесненного раствора. Соблюсти такой баланс очень нелегко, но, даже если он и достигнут, неизбежные в этом случае температурные колебания и изменения удельных весов его нарушат. Кроме того, необходимо еще как-то центрировать гиросферу в горизонтальном направлении. Эйнштейн придумал, как осуществить центровку гиросферы в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вблизи дна внутрь гиросферы помещается кольцевая обмотка, подключаемая к одной из фаз поданного в шар переменного тока, сама же гиросфера окружается еще одной полой металлической сферой (рис. 4 ). Создаваемое внутренней обмоткой гиросферы переменное магнитное поле наводит в окружающей ее, например алюминиевой, сфере вихревые токи. Согласно закону Ленца, эти токи стремятся воспрепятствовать изменению магнитного потока, которое произошло бы при любом смещении внутренней сферы относительно внешней. При этом происходит автоматическая стабилизация гиросферы. Если она, например, в результате повышения температуры стала тонуть (ведь удельный вес жидкости при нагревании вследствие ее расширения уменьшается), зазор между донными частями сфер сократится, отталкивающие силы возрастут и остановят движение. Аналогично стабилизируется гиросфера и в горизонтальном направлении.
В различных отраслях современной техники все более широкое применение находят сейчас исключающие трение и касание способы подвески, при которых подвешиваемый объект парит, или, как теперь часто говорят, левитирует. Существуют магнитная, электростатическая, сверхпроводящая магнитная и, наконец, индукционная электромагнитная подвеска, которую предложил Эйнштейн. Например, она применяется при бестигельной плавке металлов и полупроводников.
В ноябре 1930 года физики Альберт Эйнштейн и Лео Силард получили патент на холодильник собственной конструкции. Устройство, к сожалению, не получило распространения и не было запущено в производство. Это устройство было не единственным изобретением Альберта Эйнштейна. Мы решили рассказать о пяти известных разработках прославленного физика.
ХОЛОДИЛЬНИК ЭЙНШТЕЙНА
Холодильник Эйнштейна представлял собой абсорбционный холодильник. Разрабатывать устройство физики Альберт Эйнштейн и Лео Силард начали в 1926 году. Запатентовано оно было 11 ноября 1930 года. К идее создать новый холодильник физиков подтолкнул случай, о котором они прочли в газете. В заметке говорилось об инциденте, произошедшем в одной берлинской семье. Члены этой семьи получили отравление из-за утечки диоксида серы из холодильника.
Предложенный Эйнштейном и Силардом холодильник не имел движущихся частей, в нем использовался относительно безопасный спирт.
Несмотря на то, что Эйнштейн получил патент на своё изобретение, его модель холодильника не была запущена в производство. Права на патент купила фирма «Электролюкс» в 1930 году. Так как холодильники, использующие компрессор и газ фреон, были более эффективными, они вытеснили холодильник Эйнштейна. Единственный экземпляр бесследно исчез, осталось лишь несколько его фотографий.
В 2008 году группа ученых из Оксфордского университета в течение трёх лет занималась созданием и развитием прототипа холодильника Эйнштейна.
Фото: Wikimedia Commons
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ
Рудольф Гольдшмидт и Альберт Эйнштейн 10 января 1934 года получили патент на магнитострикционный громкоговоритель. Название патента звучало как «Устройство, в частности, для звуковоспроизводящей системы, в котором изменения электрического тока вследствие магнитострикции вызывают движение магнитного тела».
Предполагалось, что этот аппарат будет служить, в первую очередь, в качестве, слухового аппарата. Общими друзьями Эйнштейна и Гольдшмидта были супруги певица Ольга и пианист Бруно Айзнер. Ольга Айзнер плохо слышала. Гольдшмидт и Эйнштейн взялся ей помочь. Был ли создан прототип подобного громкоговорителя неизвестно.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ФОТОКАМЕРА
27 октября 1936 г. Букки и Эйнштейн получили патент на фотокамеру, автоматически подстраивающуюся под уровень освещенности. Такая фотокамера помимо объектива имела еще одно отверстие, через которое свет попадал на фотоэлемент. При попадании фотонов на фотоэлемент вырабатывался электрический ток, который поворачивал находящийся между линзами объектива кольцевой сегмент. Поворот сегмента тем больше, а, следовательно, затемнение объектива тем сильнее, чем ярче освещен объект.
ИНДУКЦИОННАЯ ПОДВЕСКА ЭЙНШТЕЙНА
Эйнштейн принимал участие в разработке гирокомпаса. Известно, что он сотрудничал с Аншютцем в разработке устройства. Эйнштейн, в частности, придумал, как осуществить центровку гиросферы в вертикальном и горизонтальном направлениях, предложив так называемую схему индукционной подвески.
ИЗМЕРИТЕЛЬ ОЧЕНЬ МАЛЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Эйнштейн совместно с Конрадом Габихтом сконструировали в 1908 г. прибор, измеряющий напряжения до 0,0005 вольт. Вот как Эйнштейн пишет о своем изобретении: «Для того чтобы экспериментировать с напряжениями менее 0,1 В, я соорудил электрометр и источник напряжения. Вам не отделаться усмешкой, когда Вы увидите тот шедевр, что я сварганил».
Острый ум - изобретатель, а рассудок - наблюдатель.
Г. К. Лихтенберг
Магнитострикционный громкоговоритель
10 января 1934 г. Германское патентное ведомство по заявке, поданной 25 апреля 1929 г., выдало патент № 590783 на "Устройство, в частности, для звуковоспроизводящей системы, в котором изменения электрического тока вследствие магнитострикции вызывают движение магнитного тела". Одним из двух авторов изобретения значился доктор Рудольф Гольдшмидт из Берлина, а другой был записан так: "доктор Альберт Эйнштейн, ранее проживавший в Берлине; теперешнее местожительство неизвестно".
Магнитострикцией, как известно, называют эффект сокращения размеров магнитных тел (обычно имеются в виду ферромагнетики) при их намагничивании. В преамбуле к патентному описанию изобретатели пишут, что силам магнитного сжатия препятствует жесткость ферромагнетика. Чтобы магнитострикцию "заставить работать" (в данном случае привести в колебательное движение диффузор громкоговорителя), эту жесткость нужно как-то нейтрализовать, скомпенсировать. Эйнштейн и Гольдшмидт предлагают три варианта такой, казалось бы, неразрешимой задачи.
Рис. Три варианта магпитострикционного громкоговорителя
Первый вариант проиллюстрирован на рис. a. Несущий иглу С с диффузором ферромагнитный (железный) стержень В ввинчен в прочное U-образное магнитное ярмо А таким образом, что сжимающие стержень осевые усилия очень близки к критической величине, при которой имеет место эйлеровская потеря устойчивости - выгиб стержня в ту или другую сторону. На ярмо надеты обмотки D, по которым проходит электрический ток, модулированный звуковым сигналом. Таким образом, чем сильнее звук, тем сильнее намагничивается и, следовательно, сжимается железный стержень В. Поскольку стержень поставлен на самую грань неустойчивости, эти малые вариации его длины приводят к сильным колебаниям в вертикальном направлении; при этом прикрепленный к середине стержня диффузор генерирует звук.
Во втором варианте (рис. б) используется неустойчивость системы сжатая пружина Н - шток G, упирающийся острием в лунку S. Модулированный звуковым сигналом ток проходит по обмотке D. Переменная во времени намагниченность железного стержня приводит к небольшим колебаниям его длины, которые усиливаются за счет энергии теряющей устойчивость мощной пружины.
В третьем варианте магнитострикционного громкоговорителя (рис. в) применена схема с двумя железными стержнями B1 и B2, обмотки D которых подключены таким образом, что, когда намагниченность одного стержня увеличивается, намагниченность другого уменьшается. Тягами C1 и С2 стержни соединены с коромыслом G, подвешенным на штанге М и прикрепленным растяжками F к боковинам магнитного ярма А. Коромысло жестко связано с диффузором W. Завинчивая гайку Р на штанге М, систему переводят в состояние неустойчивого равновесия. Благодаря противофазному намагничиванию стержней B1 и B2 током звуковой частоты их деформации также совершаются в противофазе - один сжимается, другой удлиняется (сжатие ослабляется), и коромысло в соответствии со звуковым сигналом перекашивается, поворачиваясь относительно точки R. В этом случае также за счет использования "скрытой" неустойчивости происходит усиление амплитуды магнитострикционных колебаний.
X. Мельхер, знакомившийся с документами семьи Р. Гольдшмидта и беседовавший с его сыном, излагает историю появления этого изобретения следующим образом.
Р. Гольдшмидт (1876-1950) был хорошим знакомым Эйнштейна. Известный специалист в области электротехники, он на заре эры радио руководил работами по установке первой линии беспроволочной телеграфной связи между Европой и Америкой (1914 г.). Им в 1910 г. была сконструирована и построена первая в мире пригодная для целей радиотехники высокочастотная машина на 30 кгц мощностью 12 кВт. Машина для трансатлантических передач имела уже мощность 150 кВт. Гольдшмидт был также автором множества изобретений, направленных на усовершенствование звуковоспроизводящих устройств (главным образом для телефонных аппаратов), высокочастотных резонаторов и т.д.
Общими друзьями Эйнштейна и Гольдшмидта были супруги Ольга и Бруно Айзнер - известная певица и знаменитый в то время пианист. Ольга Айзнер плохо слышала - недостаток особенно досадный, если учесть ее профессию. Гольдшмидт как специалист по звуковоспроизводящей аппаратуре взялся ей помочь. Он решил сконструировать слуховой аппарат (работы по созданию таких аппаратов в то время только начинались). В этой деятельности принял участие и Эйнштейн.
Был ли в конечном счете сконструирован действующий слуховой аппарат, неизвестно. Как видно из патентного описания, изобретателей увлекла идея использования не находившего ранее применения эффекта магнитострикции, и они разработали описанные нами базирующиеся на этом эффекте громкоговорители. Насколько нам известно, это был первый звуковоспроизводящий магнитострикционный прибор. Хотя магнитострикционные слуховые аппараты распространения не получили и их нынешние собратья работают на иных принципах, магнитострикция с большим успехом используется в ультразвуковых излучателях, находящих применение во многих отраслях промышленности и техники.
Для фрау Ольги, как сообщает Мельхер, планировали создать магнитострикционный слуховой аппарат, использующий явление так называемой костной проводимости, т.е. возбуждающий звуковые колебания не воздушного столба в ухе, а непосредственно черепных костей, для чего требовалась большая мощность. Представляется, что устройство Эйнштейна-Гольдшмидта вполне отвечало этому требованию. Возможно, совместная с Гольдшмидтом деятельность не так уж и случайна и, занимаясь ею, Эйнштейн руководствовался не только желанием облегчить судьбу фрау Айзнер. Думается, что его не могла не заинтересовать и сама техническая задача - ведь мы знаем, что он имел определенный опыт в конструировании звуковоспроизводящих устройств.
Автоматическая фотокамера
Беседуя в начале 30-х годов с Рабиндранатом Тагором, Эйнштейн припомнил свои "счастливые бернские годы" и рассказал, что, работая в патентном бюро, придумал несколько технических устройств, в том числе чувствительный электрометр (о нем уже шла речь выше) и прибор, определяющий время экспозиции при фотосъемке. Теперь такое устройство называется фотоэкспонометром.
Почти нет сомнения, что принцип действия эйнштейновского фотоэкспонометра был основан на фотоэлектрическом эффекте. И как знать, может быть, это изобретение было побочным продуктом размышлений, завершившихся знаменитой статьей 1905 г. "Об одной эвристической точке зрения...", в которой было введено представление о световых квантах и с их помощью объяснены закономерности фотоэлектрического эффекта.
Любопытно, что интерес к устройствам подобного рода сохранился у Эйнштейна надолго, хотя, насколько известно, фотолюбителем он никогда не был. Так, его авторитетный биограф Ф. Франк сообщает, что где-то во второй половине 40-х годов Эйнштейн и один из его ближайших друзей, доктор медицины Г. Букки, "изобрели механизм для автоматической регулировки времени экспозиции в зависимости от освещенности" .
У нас нет никаких оснований сомневаться в достоверности сообщенных Магнусом сведений об участии Эйнштейна в создании "Нового Аншютца", а это значит, что великого теоретика, творца "обеих относительностей" без всяких натяжек можно считать изобретателем индукционной электромагнитной подвески.
Думается, что в гироскопических устройствах Аншютца перепробовано и воплощено немало конструкторских идей Эйнштейна (ведь не зря же он так часто и в течение многих лет посещал Киль!). Было бы, конечно, интересно узнать, в чем еще выразилось его участие. Но проходит время, свидетелей его работы в Киле, видимо, не осталось, и восстановить ход событий становится все труднее.
В тяжелые для Германии 20-е годы с их безудержной инфляцией и нестабильностью Эйнштейн был заинтересован в работах по гироскопическим приборам еще и просто из материальных соображений. Представляется, однако, несомненным, что он получал удовольствие от этой деятельности. Идей, причем самых оригинальных, у него всегда было предостаточно, а возможностей для их реализации Аншютц мог предоставить больше, чем кто-либо другой. Пламенный энтузиаст гироскопа располагал достаточными денежными средствами, прекрасным оборудованием и высококвалифицированными инженерами, чтобы попытаться осуществить совершенно неожиданные и нешаблонные конструктивные решения.
Альберт Эйнштейн подарил миру самые революционные научные идеи XX века, включая знаменитую теорию относительности. Эйнштейн - всемирно признанный гений науки.
Альберт Эйнштейн родился в городе Ульме на юге Германии 14 марта 1879 г. Через год после его рождения семья Эйнштейн переехала в Мюнхен. Отец Эйнштейна вместе со своим братом владел маленькой фирмой, торгующей электротехникой, но в 1894 г. братья решили перевести свою фирму в маленький итальянский городок Павия близ Милана, надеясь, что там дела пойдут лучше. Отец и мать Альберта перебрались в Италию, но сам он ещё некоторое время продолжал учиться в одной из мюнхенских гимназий, оставшись на попечении родственников.
Ничто в детстве Альберта Эйнштейна не предвещало, что он станет научным гением. Он не говорил до 3 лет, а во время учёбы ненавидел строгую школьную дисциплину. Удовольствие ему доставляла лишь игра на скрипке. В 1895 г. Альберт переехал в Италию к отцу с матерью.
Образование Эйнштейн завершал в швейцарском городе Цюрихе. В 1896 г. он поступил в Высшее техническое училище - самое престижное высшее учебное заведение Швейцарии. Альберт выработал свою собственную систему обучения и. вместо того чтобы посещать лекции, самостоятельно изучал труды великих физиков. Из-за этого его недолюбливали профессора. В 1900 году Эйнштейн получил диплом преподавателя физики и математики, но долго не мог найти постоянное место работы - хотя бы школьного учителя. Наконец, в 1902 г. он был принят в бернское Федеральное бюро патентования изобретений на должность эксперта третьего класса.
Чудесный год
Работа в бюро патентования не слишком увлекала Эйнштейна, однако она дала ему возможность поправить материальное положение и жениться на бывшей.
Сокурснице Милеве Марич. Кроме того, у Альберта оставалось достаточно свободного времени, чтобы заниматься собственными научными разработками. Ничто, однако, не предвещало того, что случилось в 1905 г. Тогда Эйнштейн представил в ведущий немецкий научный журнал «Анналы физики» сразу несколько статей, каждая из которых стала поворотным моментом в истории науки. Одна из них была посвящена явлению, которое позднее получило название фотоэлектрического эффекта. В ней Эйнштейн излагал собственные представления о явлении, когда воздействие яркого света выбивает из атомов электроны, в результате чего вырабатывается небольшой электрический заряд. Тогда оставалось загадкой, почему этот эффект зависит только от цвета светового воздействия, а не от его интенсивности. Это казалось удивительным, так как предполагалось, что большие волны должны вызывать больший эффект.
Частицы света
Молодой Эйнштейн решил проблему, пойдя вопреки научным представлениям, выработанным за весь XIX век. Считалось, что свет распространяется в виде волн.
А Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект можно легко объяснить, если рассматривать свет в виде частиц, так как частицы одного размера всегда вызывают одинаковый эффект. Частицы света позже были названы фотонами, и они действительно представляют собой крошечные частицы энергии. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк обнаружил, что тепло излучается не равномерным потоком, а исходит порциями, которые он назвал квантами. Но именно Эйнштейн понял, что подобным образом распространяется всё электромагнитное излучение, и что порции энергии представляют собой частицы, как электроны и фотоны. Иными словами, порции энергии и крошечные частицы - это одно и то же.
Вторая статья, написанная Эйнштейном в 1905 г. была посвящена измерению размера молекул. Третья подробно объясняла броуновское движение - беспорядочное движение в воде крошечных частиц, например пылинок, которое можно увидеть под микроскопом.
Эйнштейн выдвинул предположение, что движение пылинок вызывается столкновениями с движущимися атомами, и представил математические расчёты, подтверждающие это. Это стало важным доказательством реальности атомов и молекул, что тогда всё ещё оспаривалось некоторыми учёными. Но главной работой Альберта Эйнштейна в 1905 г. оказалась специальная теория относительности.
Специальная теория относительности
В 1887 г. знаменитый эксперимент Альберта Майкельсона и Эдварда Морли показал, что свет всегда движется с одинаковой скоростью, независимо от способа измерения, Это разочаровало учёных, поскольку разрушало одну из теорий относительно световых волн.
Но у Эйнштейна на этот счёт было собственное мнение.
Обычно скорость измеряется по отношению к чему-то. Например, если тебе нужно определить скорость, с которой ты бежишь, то ты измеряешь её относительно земли под ногами, которая кажется неподвижной, однако вращается вместе с Землёй. Но свет движется с одинаковой скоростью вне зависимости от чего-то другого. И существует только одна его скорость.
Альберт Эйнштейн же рассуждал так. Скорость - это расстояние, проходимое за определённый отрезок времени. Если скорость света неизменна, то время и расстояние должны меняться. Это означало, что время и расстояние - понятия относительные и могут быть не постоянными. Это и называется специальной теорией относительности Эйнштейна.
Мир относительности
Значимость этого утверждения Эйнштейна трудно переоценить. Оно перевернуло все прежние представления о пространстве и времени, расстоянии и скорости и заставило учёных взглянуть на них абсолютно по-новому. Насколько это оказалось важным, особенно стало понятно, когда астрономия, на вооружение которой пришли радиотелескопы, ещё больше раздвинула представления учёных о пространстве.
Правда, к событиям повседневной жизни специальная теория относительности Эйнштейна практически неприменима, но с объектами, передвигающимися со скоростью света, должны происходить удивительные вещи.
Эйнштейн показал, исходя из законов движения Ньютона, что для объектов, перемещающихся со скоростью света или около того, время, похоже, расширяется - оно растягивается и идёт медленнее, а расстояния - сокращаются. А сами объекты становятся тяжелее. Этот факт Эйнштейн и назвал относительностью.
Чудесное уравнение
Выдвинув специальную теорию относительности. Эйнштейн продолжал размышлять над проблемой. Он уже показал, что, как только скорость движения объекта приближается к скорости света, масса этого объекта увеличивается. Чтобы «набрать» эту дополнительную массу не снижая скорости, потребовалась бы дополнительная энергия. Любое другое изменение означало бы изменение скорости света, чего, согласно представленным Эйнштейном доказательствам, произойти не может.
Таким образом. Эйнштейн понял, что масса и энергия взаимозаменяемы. И он вывел простое, но ставшее знаменитым уравнение, определяющее эти взаимоотношения: E = ms2. Оно показывает, что E (энергия) равна произведению массы (m) на скорость света (c) в квадрате. Это была выдающаяся идея, легко объясняющая, например, как действует радиация - простым путём превращения массы в энергию. Она доказывала возможность выработки большого количества энергии из малого количества радиоактивного материала. Увеличение массы с помощью скорости света подразумевало, что в массе самого крошечного атома заключена огромная потенциальная энергия. Эта теория использовалась 40 лет спустя, когда была создана первая атомная бомба.
Поначалу выдающиеся теории Эйнштейна не привлекли особого внимания научного мира, и он продолжал работу в Бюро патентования изобретений. Постепенно, однако, его известность росла, и в 1909 г. Эйнштейну была предложена должность доцента в Политехническом университете Цюриха. К тому времени он уже работал над общей теорией относительности.
Общая теория
При разработке общей теории относительности Эйнштейн образно представил луч света, пронизывающий падающий лифт. Луч доходит до дальней стенки лифта немного выше, по сравнению с передней, потому что лифт снижается по мере того, как луч пересекает его, и луч света немного изгибается вверх. Исходя из специальной теории относительности. Эйнштейн предположил, что на самом деле луч не изгибается, а это только кажется так, потому что пространство и время искажено силой, которая тянет лифт вниз.
Благодаря такому предположению, Эйнштейн построил великую научную теорию. Когда Ньютон вывел закон всемирного тяготения, он смог показать только математическую реальность - то, что объекты определённой массы ускоряются при определённой, предсказуемой скорости. Но он не показал, как это работает. Наглядно это удалось сделать Эйнштейну. Учёный показал, что сила тяжести - это всего лишь искажение в пространстве и времени. Масса создаёт эффект, известный как сила тяжести, путём искажения пространства и времени вокруг неё.
И чем больше масса, тем больше искажение. Это означает, что планеты вращаются вокруг Солнца не потому, что на них воздействует какая-то загадочная сила, а просто потому, что пространство и время вокруг Солнца искажены, и планеты вращаются вокруг него, как мяч внутри воронки.
Теории Эйнштейна доказывают, что путешествия в космосе невозможны на большей скорости, чем скорость света. Но писатели-фантасты предполагают, что космические корабли будущего смогут «побить» рекорд скорости света, путём растягивания времени и пространства с помощью воображаемых «гиперпространственных» двигателей.
Эйнштейн оказался прав
Когда в 1915 г. Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, многие не очень поняли его доказательства. Были и такие, кто счёл их абсурдной выдумкой. Был ли способ доказать утверждения Эйнштейна на практике? Сам он предложил для доказательства своей теории такой путь.
Астрономы должны были зафиксировать небольшой сдвиг в истинном положении отдалённой звезды при прохождении перед ней относительно наблюдателя нашего Солнца. Такой сдвиг показал бы, что лучи света от звезды оказались изогнутыми из-за искажения пространства и времени вблизи Солнца. Поэтому в мае 1919 г. специальные экспедиции отправились в Гвинею и Бразилию, чтобы наблюдать солнечное затмение - это единственное время, когда звёзды можно видеть вблизи Солнца. Возглавлявший эти экспедиции английский астрофизик Артур Эддингтон был убеждённым сторонником столь сложных для понимания теорий Эйнштейна. Однажды учёный Людвиг Сильверстайн сказал ему: «Вы, должно быть, один из тех трёх людей на Земле, кто понимает общую теорию относительности», имея в виду Эйнштейна, себя и Эддингтона. На что Эддингтон ответил ему: «Интересно, а кто же третий?»
Во время затмения астрономам действительно удалось сделать снимки звезды, на которых было показано, как она видимо сдвинулась относительно Солнца - почти так, как предсказал Эйнштейн. Результаты наблюдений были опубликованы во всём мире, и вскоре Эйнштейн оказался самым знаменитым из учёных. Знаменитым был теперь даже его внешний облик - непослушные взъерошенные волосы и опущенные книзу усы.
Сам Эйнштейн был очень удивлён таким вниманием к своей персоне, но оно не мешало ему продолжать работу.
Эйнштейну хотелось найти способ объединить природу электромагнетизма и силы тяжести в одну большую теорию, которая смогла бы объяснить, как работает абсолютно всё - от звёздных галактик до самых маленьких субатомных частиц. До конца своей жизни учёный продолжал трудиться над такой «унифицированной теорией».
По иронии судьбы Эйнштейн стоял у истоков начала квантовой теории, имевшей такое же научное значение, как и теория относительности. Она предполагает, что на субатомном уровне нужно оперировать понятиями порций или квантов энергии. Она доказывает также, что частицы и волны взаимозаменяемы: каждая частица может вести себя как волна, а каждая волна - как частица. Помимо всего квантовая теория показывает, что исследователи не могут точно определить, где находится частица, а только предсказать её возможное местоположение. Поэтому рано или поздно частица может оказаться в неожиданном месте.
Бог не играет в кости
И хотя именно благодаря идеям Эйнштейна относительно взаимоотношений света и атомов квантовая теория получила развитие, сам он её не принимал. Это было не только потому, что, как оказалось. Вселенная подчинялась не одному своду законов, а двум: один - для субатомного мира, а другой - для всего остального. Альберт Эйнштейн отвергал саму неустойчивую природу квантовой теории в целом.
Теории относительности Эйнштейна могли показаться экстраординарными, но они всегда исходили из предположения, что Вселенная ведёт себя определённым образом. Он просто не мог допустить мысль, что Вселенная управляется вероятностью. «Бог не играет в кости» - эту знаменитую фразу Эйнштейна часто цитируют. На самом деле он сказал так: «Кажется сложным заглянуть в карты Бога. Но в то, что он играет в кости и использует «телепатические» методы... я не поверю ни на минуту». Попытки Эйнштейна опровергнуть квантовую теорию всё больше казались учёным ошибочными, однако на деле они привели к главным доказательствам того, что... квантовые эффекты реальны.
В 1920-х гг. Эйнштейн стал проявлять всё больший интерес к политическим проблемам. В 1933 г. он переехал в США, где стал работать в Принстоне. Там он познакомился с выдающимися мыслителями, такими как австрийский психолог Зигмунд Фрейд и индийский писатель Рабиндранат Тагор. Эйнштейна приводило в ужас то, что его идеи были использованы при разработке ядерного оружия, и после Второй мировой войны он стал ярым сторонником идеи формирования мирового правительства, способного прекратить конфликты между государствами. Альберт Эйнштейн умер в апреле 1955 г. в возрасте 76 лет.
Альберт Эйнштейн. Биография и открытия Альберта Эйнштейна
Чтобы понять общую теорию относительности Эйнштейна, представь себе резиновую «простыню». Тяжёлый объект, такой как Солнце (A), делает в ней вмятину. Эта вмятина образно показывает, как сила тяжести искажает пространство и время. Затем сила тяжести действует следующим образом. Любое медленно движущееся тело, проходящее поблизости (например, Земля или другая планета) скатываются в углубление, созданное (A), и двигаются по пути (B) внутри него. Тела, двигающиеся быстрее, будут следовать по более открытой траектории вокруг A, тогда как луч света (C), проходящий на большом отдалении и движущийся намного быстрее, искривится довольно незначительно.
Известную фигуру в мире естественных наук Альберта Эйнштейна (годы жизни: 1879-1955) знают даже гуманитарии, которые не любят точные предметы, потому что фамилия этого человека стала нарицательным именем для людей, обладающих невероятными умственными способностями.
Эйнштейн – основатель физики в ее современном понимании: великий ученый – основоположник теории относительности и автор более трехсот научных работ. Еще Альберт известен, как публицист и общественный деятель, который является почетным доктором около двадцати высших учебных заведений мира. Этот человек привлекает неоднозначностью: факты говорят, что, несмотря на невероятную сообразительность, он был несмышлен в решении бытовых вопросов, что делает его интересной фигурой в глазах общественности.
Детство и юность
Биография великого ученого начинается с небольшого немецкого города Ульма, расположенного на реке Дунай – это место, где Альберт появился на свет 14 марта 1879 года в небогатой семье еврейского происхождения.
Отец гениального физика Герман занимался производством наполнения матрасов перьевой набивкой, но вскоре семья Альберта переехала в город Мюнхен. Герман вместе с Якобом, своим братом, занялся небольшой компанией, продающей электрическое оборудование, которая сначала развивалась успешно, но вскоре не выдержала конкуренции крупных фирм.
В детстве Альберт считался недалеким ребенком, например, он не говорил до трехлетнего возраста. Родители даже боялись, что их чадо так и не научится произносить слова, когда в 7 лет Альберт еле как шевелил губами, пытаясь повторить заученные фразы. Также мать ученого Паулина боялась, что у ребенка врожденное уродство: у мальчика был крупный затылок, который сильно выпирал вперед, а бабушка Эйнштейна постоянно повторяла, что ее внук толстый.
Альберт мало общался со сверстниками и больше любил одиночество, например, строил карточные домики. С малых лет великий физик проявил негативное отношение к войне: он ненавидел шумную игру в солдатики, потому что она олицетворяет кровавую войну. Отношение к войне не поменялось у Эйнштейна и на протяжении дальнейшей жизни: он активно выступал против кровопролития и ядерного оружия.
Яркое воспоминаний гения – это компас, который Альберт получил от отца в пятилетнем возрасте. Тогда мальчик болел, и Герман показал ему предмет, который заинтересовал ребенка: ведь удивительно то, что стрелка прибора показывала одинаковое направление. Этот небольшой предмет возбудил невероятный интерес у юного Эйнштейна.
Маленького Альберта часто учил его дядя Якоб, который с детства прививал любовь племянника к точным математическим наукам. Они вместе читали учебники по геометрии и математике, а решить самостоятельно задачу для юного гения всегда было счастьем. Однако мать Эйнштейна Паулина отрицательно относилась к подобным занятиям и считала, что для пятилетнего ребенка любовь к точным наукам не обернется ничем хорошим. Но было ясно, что этот человек в будущем сделает великие открытия.
Альберт Эйнштейн с сестрой Также известно, что Альберта с детства интересовала религия, он считал, что невозможно начать изучать вселенную без понимания Бога. Будущий ученый с трепетом наблюдал за священнослужителями и не понимал, почему высший библейский разум не останавливает войны. Когда мальчику было 12 лет, его религиозное убеждение кануло в лету из-за изучения научных книг. Эйнштейн стал приверженцем того, что библия – высокоразвитая система для управления молодежью.
После окончания школы Альберт поступает в мюнхенскую гимназию. Учителя считали его умственно отсталым из-за того же дефекта речи. Эйнштейн изучал только те предметы, которые ему были интересны, игнорируя историю, литературу и немецкий язык. С немецким языком у него были особые проблемы: учитель говорил Альберту в глаза, что тот не закончит школу.
Альберт Эйнштейн в 14 лет Эйнштейн ненавидел ходить в учебное заведение и считал, что преподаватели сами многое не знают, но зато мнят себя выскочками, которым все дозволено. Из-за таких суждений юный Альберт постоянно вступал в споры с ними, поэтому у него сложилась репутация как не только отсталого, но и нелучшего ученика.
Не окончив гимназию, 16-летний Альберт вместе с семьей переезжает в солнечную Италию, в Милан. В надежде поступить в Федеральную высшую техническую школу Цюриха будущий ученый отправляется из Италии в Швецию пешком. Эйнштейну удалось показать достойные результаты по точным наукам на экзамене, однако гуманитарные Альберт полностью провалил. Но ректор технической школы оценил выдающиеся способности подростка и посоветовал поступить в школу Швейцарии Аарау, которая, кстати, считалась далеко не лучшей. Да и Эйнштейна в этой школе вовсе не считали гением.
Лучшие студенты Аарау уезжали получать высшие образование в столице Германии, однако в Берлине низко оценили способности выпускников. Альберт узнал тексты задач, с которыми не справились любимчики директора, и решил их. После чего довольный будущий ученый пришел в кабинет Шнайдера, показав решенные задачи. Альберт разозлил начальника школы, сказав, что он несправедливо выбирает учеников для состязаний.
После успешного окончания учебы Альберт поступает в учебное заведение своей мечты – школу Цюриха. Однако отношения с профессором кафедры Вебером у молодого гения сложились плохо: два физика постоянно ругались и спорили.
Начало научной карьеры
Из-за разногласий с профессорами в институте Альберту закрыли путь в науку. Он хорошо сдал экзамены, но не идеально, профессора отказали студенту в научной карьере. Эйнштейн с интересом трудился на научной кафедре Политехнического института, Вебер говорил, что его студент – умный малый, однако не воспринимает критики.
В возрасте 22 лет Альберт получил диплом преподавателя в области математики и физики. Но из-за тех же ссор с учителями Эйнштейн не мог найти работу, проведя два года в мучительных поисках постоянного заработка. Альберт жил бедно и даже не мог купить еды. Друзья ученого помогли устроиться в бюро патентов, где он проработал достаточно долго.
В 1904 году Альберт начал сотрудничество с журналом «Анналы физики», приобретя авторитет в издании, и в 1905 году ученый публикует собственные научные работы. Но революцию в мире науки сделали три статьи великого физика:
- К электродинамике движущихся тел, ставшей основой теории относительности;
- Работа, заложившая начало квантовой теории;
- Научная статья, которая сделала открытие в статистической физике о броуновском движении.
Теория относительности
Теория относительности Эйнштейна в корне поменяла научные физические представления, которые раньше держались на ньютоновской механике, существовавшей порядка двухсот лет. Но теорию относительности, выведенную Альбертом Эйнштейном, смогли полностью понять только единицы, поэтому в учебных заведениях преподают лишь специальную теорию относительности, являющуюся частью общей. СТО говорит о зависимости пространства и времени от скорости: чем выше скорость движения тела, тем больше искажаются как размеры, так и время.
Согласно СТО, возможно путешествие во времени путем преодоления скорости света, поэтому, исходя из невозможности таких путешествий, введено ограничение: скорость любого объекта не может превышать скорость света. Для небольших же скоростей пространство и время не искажаются, поэтому здесь применяются классические законы механики, а большие скорости, для которых искажение заметно, называются релятивистскими. И это только малая доля как специальной, так и общей теории всего движения Эйнштейна.
Нобелевская премия
Альберт Эйнштейн не раз номинировался на Нобелевскую премию, однако эта награда около 12 лет обходила ученого стороной из-за его новых и не всем понятных взглядов на точную науку. Однако комитет решил пойти на компромисс и номинировать Альберта за работу о теории фотоэффекта, за что ученый и удостоился премии. Все из-за того, что это изобретение – не столь революционное, в отличие от ОТО, к которой Альберт, собственно, и готовил речь.
Однако в то время, когда ученому пришла телеграмма от комитета о номинации, ученый был в Японии, поэтому ему решили вручить награду в 1922 году за 1921 год. Однако ходят слухи о том, что Альберт задолго до поездки знал, что его номинируют. Но ученый решил не оставаться в Стокгольме в столь ответственный момент.
Личная жизнь
Жизнь великого ученого овеяна интересными фактами: Альберт Эйнштейн – странный человек. Известно, что он не любил носить носки, а также ненавидел чистить зубы. К тому же у него была плохая память на простые вещи, например, на номера телефонов.
Альберт женился на Милеве Марич в 26 лет. Несмотря на 11-летний брак, вскоре у супругов появились разногласия по поводу семейной жизни, по слухам, из-за того, что Альберт был еще тем ловеласом и имел около десяти пассий. Однако он предложил жене контракт о сожительстве, согласно которому та должна была соблюдать некоторые условия, например, периодически стирать вещи. Но по контракту у Милевы и Альберта не предусматривалось никаких любовных отношений: бывшие супруги даже спали раздельно. От первого брака у гения были дети: младший сын умер, находясь в психиатрической лечебнице, а со старшим у ученого не сложились отношения.
После развода с Милевой ученый женился на Эльзе Левенталь, своей кузине. Однако ему также интересна была дочь Эльзы, не питавшая взаимных чувств к мужчине, который старше нее на 18 лет.
Многие, кто знал ученого, отмечали, что он – необычайно добрый человек, готов был подать руку помощи и признать ошибки.
Причина смерти и память
Весной 1955 года во время прогулки между Эйнштейном и его другом завязался незатейливый разговор о жизни и смерти, в ходе которого 76-летний ученый сказал, что смерть – это также облегчение.
13 апреля состояние Альберта резко ухудшилось: врачи поставили диагноз аневризма аорты, но ученый отказался оперироваться. Альберт лежал в больнице, где ему внезапно поплохело. Он прошептал слова на родном языке, однако сиделка не смогла понять их. Женщина подошла к койке больного, но Эйнштейн уже умер от кровоизлияния в полость живота 18 апреля 1955 года. Все его знакомые отзывались о нем, как о кротком и очень добром человеке. Эта было горькая потеря для всего научного мира.
Цитаты
Цитаты физика о философии и жизни – это предмет для отдельного рассуждения. Эйнштейн сформировал свой собственный и независимый взгляд на жизнь, с которым согласно не одно поколение.
- Есть только два способа прожить жизнь. Первый - будто чудес не существует. Второй - будто кругом одни чудеса.
- Если вы хотите вести счастливую жизнь, вы должны быть привязаны к цели, а не к людям или к вещам.
- Логика может привести Вас от пункта А к пункту Б, а воображение - куда угодно...
- Если теория относительности подтвердится, то немцы скажут, что я немец, а французы - что я гражданин мира; но если мою теорию опровергнут, французы объявят меня немцем, а немцы - евреем.
- Если беспорядок на столе означает беспорядок в голове, то что же тогда означает пустой стол?
- Морскую болезнь вызывают у меня люди, а не море. Но боюсь, наука еще не нашла лекарства от этого недуга.
- Образование - это то, что остаётся после того, как забывается всё выученное в школе.
- Все мы гении. Но если вы будете судить рыбу по её способности взбираться на дерево, она проживёт всю жизнь, считая себя дурой.
- Единственное, что мешает мне учиться - это полученное мной образование.
- Стремись не к тому, чтобы добиться успеха, а к тому, чтобы твоя жизнь имела смысл.
