ALBERT EINSTEIN (1879-1955)

1. ALBERT EINSTEIN (1879-1955) ,,Nie mam żadnych szczególnych uzdolnień. Cechuje mnie tylko niepohamowana ciekawość”

2. ,,Nie staraj się zostać człowiekiem sukcesu, lecz człowiekiem wartościowym” ALBERT EINSTEIN, ur. 14 III 1879 w Ulm, zm. 18 IV 1955 w Princeton. Był wybitnym fizykiem. Twórcą teorii względności, jednym z  twórców teorii kwantów i  fizyki statystycznej. Urodził się w  Ulm (Niemcy) w  rodzinie żydowskiej, studiował w  szkole politechnicznej w  Zurychu. Pracując na podrzędnym stanowisku w  federalnym biurze patentowym w  Bernie, 1905 opublikował pracę : ,, Zur Elektrodynamik bewegter Körper” zawierającą podstawowe idee szczególnej teorii względności .

3. Podczas pobytu w  Berlinie pracował nad relatywistyczną teorią grawitacji, poddając gruntownej analizie (po raz pierwszy od czasów I. Newtona) prawa grawitacji. W 1916 opublikował wyniki badań, tworząc ogólną teorię względności. Teoria ta, stanowiąca uogólnienie teorii grawitacji Newtona, przewidywała wiele nowych efektów, z  których jednym było zakrzywienie promieni świetlnych w  polu grawitacyjnym (potwierdzone obserwacyjnie 1919). W tym czasie rozwinął także kwantową teorię promieniowania. W 1921 otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie praw zjawiska fotoelektryczności i  prace w  zakresie fizyki teoretycznej. Zmuszony 1933 do opuszczenia Niemiec, objął stanowisko profesora w  Institute for Advanced Study w  Princeton (USA). Układy inercjalne w czasoprzestrzeni mechaniki klasycznej

4. W pracy tej wysunął nowe koncepcje czasu i  przestrzeni, zerwał z  pojęciem czasu absolutnego, łącząc przestrzeń i  czas w czterowymiarową czasoprzestrzeń. W tym samym roku opublikował wyniki prac nad ruchami Browna, korpuskularną teorią światła i  zależnością pomiędzy masą i  energią (wzór Einsteina ). Prace te przyniosły mu duże uznanie. Od 1909 był profesorem uniwersytetu w  Zurychu, 1911 — uniwersytetu w  Pradze. W 1914 przeniósł się do Berlina, gdzie został dyrektorem specjalnie utworzonego Instytutu Fizyki. Czas i przestrzeń

5. Do końca życia pracował nad próbą połączenia w  jedną unitarną całość teorii grawitacji z  innymi teoriami pola, jak np. z  teorią pola elektromagnetycznego. Jednak prace te nie zostały uwieńczone sukcesem. Oprócz wielu prac naukowych napisał także kilka prac popularyzujących jego teorie, m.in. ,,Istota teorii względności” (1922, wyd. pol. 1962), ,,Mein Weltbild” (1935) oraz ,,Ewolucja fizyki” (wspólnie z  L. Infeldem, 1947, wyd. pol. 1962). Einstein brał czynny udział w  życiu politycznym. W  czasie I wojny światowej głosił idee pacyfistyczne, które w  latach następnych — w  obliczu nazistowskiego zagrożenia i  rosnącej potęgi hitlerowskich Niemiec — zarzucił. Jednocześnie rosnące objawy antysemityzmu spowodowały, że stał się zdecydowanym orędownikiem syjonizmu. W czasie II wojny światowej popierał prace zmierzające do budowy bomby jądrowej, jednak po wojnie uznał, że dalsza rozbudowa arsenału jądrowego zagraża istnieniu ludzkości, przed czym nieraz publicznie ostrzegał. W dowód uznania za poparcie dla syjonizmu 1952 zaproponowano Einsteinowi prezydenturę Izraela, której nie przyjął.

6. TEORIA WZGLĘDNOŚCI jest todział fizyki współczesnej zajmujący się podstawowymi właściwościami przebiegu procesów w  czasie i  przestrzeni. Każda teoria fizyczna, w  której występują relacje czasoprzestrzenne, zawiera sobie właściwą zasadę względności, określającą, czy są w  tej teorii wyróżnione układy odniesienia, i  jakie, oraz jak opisy zjawisk w  różnych takich układach są ze sobą powiązane. W fizyce Arystotelesa występował jeden wyróżniony układ odniesienia, względem którego ciała pozostawione sobie miały osiągać swój „naturalny” stan — spoczynek. ,,Nigdy nie martwię się o przyszłość. Przychodzi wystarczająco szybko.” Soczewkowanie grawitacyjne

7. W fizyce I. Newtona jest wyróżniony nieskończony zbiór układów odniesienia, tzw. układów inercjalnych. Współrzędne punktu w 2 różnych inercjalnych układach odniesienia są ze sobą związane przekształceniami Galileusza, a  czas we wszystkich układach odniesienia przebiega tak samo (czas absolutny). Według zasady względności fizyki Newtonowskiej żadne zjawisko fizyczne nie powinno wyróżniać jakiegoś układu inercjalnego wobec pozostałych, czyli prawa fizyki Newtonowskiej nie powinny się zmieniać przy przekształceniach Galileusza. Newtonowska zasada względności była w zgodzie z  doświadczeniem przez prawie 200 lat. ,,Najcenniejszych rzeczy w życiu nie nabywa się za pieniądze” Przeszłość i przyszłość w czasoprzestrzeni Galileusza Układy inercjalne w czasoprzestrzeni mechaniki klasycznej

8. Powstała pod koniec XIX  w. elektrodynamika, oparta na równaniach Maxwella, zmieniających swą postać przy przekształceniach Galileusza, zdawała się prowadzić do wniosku, że zjawiska elektromagnetyczne wyróżniają jeden układ inercjalny — układ, w  którym spoczywa eter kosmiczny. Przeprowadzone doświadczenia (m.in. doświadczenie Michelsona – Morleya ) mające określić, w  jakim układzie eter spoczywa, prowadziły do wniosku, że takiego układu nie można znaleźć za pomocą zjawisk elektromagnetycznych oraz że prędkość c rozchodzenia się zaburzeń elektromagnetycznych, a  więc także światła, jest we wszystkich inercjalnych układach taka sama. Przestrzenie zdarzeń jednoczesnych w przestrzeni Galileusza Linie świata ciał spoczywających względem różnych układów odniesienia

9. W 1905 A. Einstein zaproponował żeby przyjąć, iż równania Maxwella mają tę samą postać we wszystkich układach inercjalnych, a  współrzędne i  czas w  takich układach są ze sobą związane przekształceniami Lorentza. W konsekwencji zasadę względności Newtona należy uznać za zasadę przybliżoną, słuszną, gdy prędkość względna układów jest mała w porównaniu z  c, i  przyjąć nową zasadę względności, wg której prawa fizyki nie zmieniają się przy przekształceniach Lorentza. Teorię opartą na zasadzie względności Einsteina nazywa się szczególną teorią względności. , PRZEKSZTAŁCENIA LORENTZA: RÓWNANIA MAXWELLA: (1) (2) (3) (4)

10. Podstawowym pojęciem szczególnej teorii względności jest zdarzenie. Zbiór zdarzeń stanowi czasoprzestrzeń ( czasoprzestrzeń Minkowskiego). Wszystkie właściwości tego zbioru niezmiennicze względem przekształceń Lorentza stanowią czterowymiarową geometrię czasoprzestrzeni. Z przeprowadzonej przez Einsteina analizy pojęć czasoprzestrzennych, przy korzystaniu tylko z  elementarnych pojęć fizyki klasycznej i  niezmienniczości prędkości światła, wynika, iż pojęcie czasu absolutnego jest pojęciem przybliżonym, mającym sens jedynie w  sytuacjach, kiedy można uznać, że c = ¥. ,,Jest tylko jedna droga, która wiedzie człowieka do prawdziwej doskonałości: twarda szkoła życia.” Czasoprzestrzeń

11. Elektrodynamika spełniała nową zasadę względności automatycznie, a  reszta fizyki klasycznej wymagała modyfikacji. Einstein sformułował nową (tzw. relatywistyczną) mechanikę, a  także termodynamikę i  optykę zgodnie z nową zasadą względności. Klasyczne wersje tych teorii okazały się teoriami przybliżonymi, słusznymi dla prędkości małych w  porównaniu z  c. ,,Strach i głupota zawsze leżała u podstaw większości ludzkich działań.” Superstruny

12. Szczególna teoria względności przewidziała istnienie licznych, nie znanych przedtem zjawisk, z  których wszystkie znalazły potwierdzenie w  doświadczeniach. Za najważniejsze jej konsekwencje uznaje się: uzależnienie czasu przebiegu zjawisk fizycznych, masy cząstek i  wielu innych wielkości od stanu ruchu układu, w  którym te zjawiska są opisane. Podanie związku E = mc2 pomiędzy masą m i  energią E ciała. Eliminację z  fizyki pojęcia eteru i  nadanie polom fizycznym statusu samodzielnych obiektów fizycznych, charakteryzujących się masą, gęstościami pędu, energii, momentu pędu itp.. ,,Śmierć nie jest kresem naszego istnienia - żyjemy w naszych dzieciach i następnych pokoleniach. Albowiem oni to dalej my, a nasze ciała to tylko zwiędłe liście na drzewach życia.” Linie świata w czasoprzestrzeni

13. Uznanie pewnych wielkości, uznawanych poprzednio za wielkości odrębne, za składowe jednej wielkości określonej w  czasoprzestrzeni. Szczególna teoria względności stanowi podstawę konstrukcji współczesnych akceleratorów cząstek, a  kinematyka relatywistyczna jest potwierdzona tysiącami doświadczeń nad rozpraszaniem cząstek o  wysokich energiach. Zasada względności Einsteina jest we współczesnej fizyce przyjmowana jako jedno z  podstawowych kryteriów metodologicznych, które powinna spełniać każda teoria. ,,Większość nauczycieli traci czas na zadawanie pytań, które mają ujawnić to, czego uczeń nie umie, podczas gdy nauczyciel z prawdziwego zdarzenia stara się za pomocą pytań ujawnić to, co uczeń umie lub czego jest zdolny się nauczyć.” AKCELERATOR

14. W 1916 Einstein sformułował ogólną teorię względności. W teorii tej zjawisko powszechnego ciążenia (grawitacja) jest spowodowane wystąpieniem krzywizny czasoprzestrzeni, która jest przestrzenią bardziej ogólną (Riemanna geometria, nieeuklidesowe geometrie) niż nie mająca krzywizny czasoprzestrzeń Minkowskiego. Właściwości geometryczne tej ogólnej czasoprzestrzeni zależą od ruchu i  rozkładu materii oraz pól, i  z kolei same określają ruch materii oraz mają wpływ na pola. Zależność ta jest określona przez równania Einsteina. Rozwiązaniami tych równań są czasoprzestrzenie odpowiadające rozmaitym sytuacjom fizycznym, a  jedną z  nich, dla przypadku gdy nie ma materii i  pól, jest czasoprzestrzeń Minkowskiego. Model zakrzywionej czasoprzestrzeni

15. W ogólnej teorii względności nie ma żadnych wyróżnionych układów odniesienia. Pojawiają się one jednak wtedy, gdy rozwiązania równań Einsteina mają pewnego rodzaju symetrie. Czasoprzestrzeń Minkowskiego jest rozwiązaniem o  maksymalnej symetrii, a  układy odniesienia wyróżnione przez tę symetrię są układami inercjalnymi. Ogólna teoria względności przewiduje poprawki do ruchu ciał i  światła w  polu grawitacyjnym; zostały one potwierdzone przez doświadczenie (zjawisko Mössbauera ). Ogólna teoria względności znalazła duże zastosowanie w  astrofizyce i  kosmologii, umożliwia ona m.in. konstruowanie modeli kosmologicznych Wszechświata. Jeden z  takich modeli tłumaczy zaobserwowane zjawisko ucieczki odległych galaktyk rozszerzaniem się Wszechświata. Układ odniesienia sztywno związany z Ziemią GALAKTYKA

16. CZASOPRZESTRZEŃ to fizyczny zbiór wszystkich zdarzeń. Pojęcie czasoprzestrzeni wprowadził (1909) H. Minkowski w celu geometrycznego ujęcia wyników szczególnej teorii względności. Powstanie opartej na tym pojęciu ogólnej teorii względności, a  następnie teorii oddziaływań między cząsteczkami elementarnymi, ugruntowało je jako jedno z  podstawowych we współczesnej fizyce. Matematycznym modelem czasoprzestrzeni jest czterowymiarowa rozmaitość różniczkowa: 4 współrzędne określające zdarzenie to 3 współrzędne przestrzenne i  czas. W zależności od obiektu zainteresowań rozważa się wiele czasoprzestrzeni o  odmiennych właściwościach (np. czasoprzestrzeń kosmologiczną zw. światem, czasoprzestrzeń układu planetarnego lub czasoprzestrzeń fizyki atomu). Linie świata ciał spoczywających w czasoprzestrzeni Arystotelesa Linie świata w czasoprzestrzeni

17. Ogólna teoria względności posługuje się pojęciem zakrzywionej czasoprzestrzeni ( przestrzeń Riemanna), stosując je przede wszystkim do obiektów w  skali astronomicznej. Do opisu zjawisk mikroświata wystarcza na ogół nie zakrzywiona, tj. płaska, czasoprzestrzeń Minkowskiego. Czasoprzestrzeń fizyki klasycznej z  wyróżnioną współrzędną czasową — zw. czasem absolutnym — jest czasoprzestrzeń Galileusza, wystarcza ona do opisu ruchów z  prędkościami małymi w  porównaniu z  prędkością światła. Przeszłość i przyszłość w czasoprzestrzeni Galileusza Odległości czasoprzestrzenne w czasoprzestrzeni STW

18. WZÓR EINSTEINA to wzór E = mc2 wyrażający związek między całkowitą energią ciała E i  jego masą relatywistyczną m (c — prędkość światła w  próżni). Został podany w 1905 przez A. Einsteina, jest jednym z  podstawowych wzorów szczególnej teorii względności. Ze wzoru Einsteina wynika, że ciało będące w  spoczynku ma energię spoczynkową E0 = m0c2 oraz, że układ mający energię E, ma również masę m = E/c2, choćby nie miał masy spoczynkowej (m0 = 0, jak np. foton, neutrino). Energia spoczynkowa odpowiadająca masie 1 g wynosi 9 ∙ 1013 J. W procesach, w  których masa spoczynkowa zmienia się, jest wydzielana lub pochłaniana energia równa odpowiedniej zmianie energii spoczynkowej. W procesach chemicznych (np. podczas spalania węgla) ubytek masy jest niezauważalnie mały, dopiero w  procesach jądrowych (np. rozszczepienie jąder, synteza jąder) ma mierzalną wartość. Dwa poruszające się względem siebie układy odniesienia

20. ,,Stanowczo zamierzam, gdy przyjdzie już na mnie czas, wyzionąć ducha przy jak najmniejszej pomocy ze strony medyków, a póki co - hulaj moja niegodziwa dusza.” Interwał czasoprzestrzenny Jedynym elementem absolutnym w czasoprzestrzeni Minkowskiego jest interwał czasoprzestrzenny, czyli odległość pomiędzy zdarzeniami. Interwał ten ma wiele cech wspólnych z odległością w przestrzeni euklidesowej, ale w odróżnieniu od niej może przybierać wartości ujemne.

21. ,,Upokarzanie i psychiczne gnębienie uczniów przez niedouczonych i egoistycznych nauczycieli sieje spustoszenie w młodych umysłach, powodując w późniejszym wieku opłakane skutki, których już nie da się naprawić.” Zdarzenia rozdzielone czasowo

22. Obszary niezmiennicze w czasoprzestrzeni STW

23. Hiperboloidy jednakowego czasu w czasoprzestrzeni STW

24. Model zakrzywienia czasoprzestrzeni jako centrum siły

25. Geodezyjne na powierzchni sfery

26. Trójkąt na powierzchni sfery

27. Trójkąt na powierzchni siodła

28. ,,Fakty nie są najważniejsze. Zresztą, aby je poznać, nie trzeba studiować na uczelni - można się ich nauczyć z książek. Istota kształcenia w szkole wyższej nie polega zatem na wpajaniu wiedzy faktograficznej, lecz na ćwiczeniu umysłu w dochodzeniu do tego, czego nie da się znaleźć w podręcznikach.” ,,Jestem głęboko wierzącym ateistą (...) Jest to poniekąd zupełnie nowy rodzaj religii.”