Альберт Эйнштейн: жизнь, E = mc² и научные революции
2026-02-21 00:55 Diff
https://skillbox.ru/media/code/albert-eynshteyn-zhizn-e-mc2-i-nauchnye-revolyutsii/

#статьи

  • 18 сен 2024
  • 0

Как скромный патентный клерк создал теорию относительности и переосмыслил понимание реальности.

Иллюстрация: Sir proença / Jonathunder / Marco Gomes / Wikimedia Commons / The New York Public Library / Pat Whelen / Unsplash / freepik / master1305 / Freepik / Дима Руденок для Skillbox Media

Онлайн-журнал для тех, кто влюблён в код и информационные технологии. Пишем для айтишников и об айтишниках.

Альберт Эйнштейн предположил существование чёрных дыр и гравитационных волн задолго до их открытия. Его уравнения применяются для корректировки времени в системах GPS, а концепция «пространственно-временного континуума» стала неотъемлемой частью научной фантастики. Эйнштейн поднял фундаментальные вопросы о природе реальности, времени и пространства, которые, вероятно, навсегда останутся предметом дискуссий среди физиков и философов. Это лишь малая часть его впечатляющего научного наследия.

Мы рассмотрим жизненный путь Альберта Эйнштейна и постараемся понять, как он изменил наше представление о Вселенной. Сам Эйнштейн однажды заметил: «Важно не переставать задавать вопросы. У любопытства есть свои причины для существования». Поэтому, если после прочтения биографии вам захочется глубже изучить его личность и достижения, в последнем разделе вы найдёте подборку дополнительных материалов.

Содержание

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в немецком городе Ульме. Его родители, Герман и Паулина Эйнштейн, были небогатыми светскими евреями: они поддерживали культурную связь с национальными традициями, но не строго следовали религиозным обрядам. Через год после рождения сына семья переехала в Мюнхен, где Герман вместе с братом Якобом основал небольшую фирму по торговле электрооборудованием.

Бизнес процветал, и будущее мальчика казалось предрешённым: Герман Эйнштейн видел в сыне будущего инженера, который унаследует семейное дело. Поэтому с детства он и дядя приучали Альберта к точным наукам. А когда Альберту было пять лет, произошло событие, пробудившее любознательность юного гения:

«Я до сих пор помню — или мне кажется, что помню, — как это произвело на меня глубокое и длительное впечатление. За вещами должно было скрываться что-то загадочное», — вспоминал Альберт Эйнштейн о подарке отца. Это был компас с «таинственной» стрелкой, неизменно указывающей на север.

Паулина Эйнштейн занималась домохозяйством и считала, что ребёнка не стоит перегружать математикой и геометрией. Поэтому она научила Альберта играть на скрипке, и это увлечение он сохранил до конца жизни. Позже он даже познакомится с виолончелистом Григорием Пятигорским и выступит на благотворительном концерте.

В 1881 году родилась сестра Эйнштейна Майя. Они были близки на протяжении всей жизни, и в детстве она была его единственным другом.

Майя стала специалистом по романской филологии и после замужества жила в итальянской коммуне Сесто-Фьорентино, пока Бенито Муссолини не ввёл в стране антисемитские законы. В 1939 году она эмигрировала в США.

Несмотря на свою занятость, Альберт всегда заботился о сестре. Особенно трогательно это проявилось после её инсульта в 1946 году, из-за которого Майя оказалась прикованной к постели. Эйнштейн регулярно навещал её и читал ей вслух, пока она не умерла от прогрессирующего артериосклероза.

Альберт и Майя Эйнштейн в детстве
Фото: Wikimedia Commons

В Мюнхене будущий учёный посещал католическую начальную школу, где его интересовали только математика и латынь. После окончания школы Эйнштейн поступил в местную гимназию, которая теперь носит его имя.

В немецких гимназиях конца 1880-х годов преобладали жёсткая дисциплина и консервативные методы преподавания, ориентированные на механическое заучивание материала. Такой подход не соответствовал творческому мышлению Эйнштейна, который предпочитал вдумчиво разбираться в сложных вопросах. В этот период он много времени уделял электромагнетизму и трудам Джеймса Клерка Максвелла и Генриха Герца.

В сложившейся ситуации Альберт преуспевал в точных дисциплинах, но отставал по другим предметам. Особенно трудно ему давались классические языки, требовавшие запоминания большого объёма информации. Из-за таких предметов у него возникли напряжённые отношения с некоторыми учителями, и он бросил мюнхенскую гимназию, не получив аттестат.

Альберт Эйнштейн в 14 лет, в период обучения в гимназии
Фото: Wikimedia Commons

В 1895 году Альберт Эйнштейн прибыл в Цюрих на вступительные экзамены в Швейцарскую высшую техническую школу (ныне ETH Zurich). Он успешно сдал математику, но провалил ботанику и французский язык.

Ректор института заметил талантливого юношу и порекомендовал ему поступить в выпускной класс швейцарской гимназии в Арау. Эйнштейн последовал совету и осенью следующего года поступил в Политехникум.

Аттестат Альберта Эйнштейна, выданный в 1896 году кантональной школой Арау в Швейцарии, подтверждает успешное завершение обучения. Оценки ставились по шестибалльной шкале. У Эйнштейна стоит тройка по французскому языку и шестёрки по истории, алгебре, геометрии, начертательной геометрии и физике
Изображение: The authorities of the Canton of Aargau, Switzerland / Wikimedia Commons

В институте Эйнштейн углублённо изучал теоретическую физику, но по-прежнему пренебрегал гуманитарными предметами. Он увлекался трудами известных физиков, был в курсе всех значимых экспериментов того времени и занялся самостоятельной исследовательской работой.

В лаборатории Политехникума Альберт изучал эфир — гипотетическое вещество, в котором, по предположению учёных, могла перемещаться Земля. В то время проводилось множество попыток подтвердить существование эфира, но эксперименты оказались неубедительными.

Эйнштейну не удалось подтвердить существование эфира, однако многие его исследования стали основой для будущих революционных работ. Более того, позднее он разработает теорию относительности, которая опровергла существование эфира в пользу пространственно-временного континуума:

«Выучить факты — не так уж важно. Для этого необязательно становиться студентом. Факты можно узнать и из книг. Ценность высшего учебного заведения не в том, что там человек узнаёт множество фактов, а в тренировке ума, позволяющей понять нечто такое, что невозможно узнать из книг».

Ответ Альберта Эйнштейна на мнение Томаса Эдисона о пользе высшего образования, 1921 год

В 1900 году Эйнштейн окончил Политехникум и стал дипломированным учителем математики и физики. Спустя год он сменил гражданство, чтобы избежать военной службы в Германии, закрепиться в Швейцарии и построить академическую карьеру. Однако всё оказалось не так просто.

Первый год после выпуска из университета Альберт Эйнштейн не мог найти постоянную академическую работу и жил с родителями в Милане. Несмотря на трудности, в 1901 году он завершил работу над своей первой научной статьёй «Следствия теории капиллярности» и отправил её в журнал «Анналы физики». Впоследствии за свою карьеру Эйнштейн опубликует более 300 статей, 49 из которых выйдут в этом журнале.

Эйнштейн подрабатывал репетитором, пока в 1902 году не получил должность технического эксперта в Швейцарском патентном бюро в Берне. Эта работа дала ему стабильный доход и позволяла заниматься научными исследованиями. Он проработал в бюро до 1909 года и называл его своей «мирской обителью, где я вынашивал свои самые замечательные идеи».

Фотография Альберта Эйнштейна, сделанная в 1905 году во время его работы в патентном бюро
Фото: Lucien Chavan / ETH Zürich

Во время работы в бюро Альберт Эйнштейн ежегодно выпускал статьи в журнале «Анналы физики». В 1905 году он подготовил три ключевые публикации, которые стали основой для новых направлений в физике и принесли ему международное признание в научном сообществе.

В первой статье Эйнштейн впервые изложил специальную теорию относительности, которая изменила представления о пространстве и времени. До этого учёные полагались на уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные поля, и считали, что скорость света зависит от движения источника и наблюдателя. Эйнштейн доказал, что скорость света постоянна. В этой работе он также вывел уравнение E = mc2, которое связывает энергию E и массу m объекта со скоростью света c.

Во второй статье учёный вводит концепцию фотоэлектрического эффекта, объясняя, что свет можно рассматривать как поток квантов. Это означает, что свет состоит из единиц энергии (фотонов), которые взаимодействуют с различными веществами, такими как металлы. До этой работы свет рассматривался только как волна, и многие явления оставались непонятными. Например, было неясно, почему свет определённой частоты выбивает электроны из металлов, а свет с меньшей частотой этого не делает. Открытие фотоэффекта стало основой для квантовой теории.

В третьей статье Альберт Эйнштейн описал броуновское движение частиц в жидкости и подтвердил молекулярно-кинетическую теорию. Согласно этой теории, вещества состоят из мельчайших частиц (молекул и атомов), которые постоянно движутся и сталкиваются друг с другом. До публикации Эйнштейна физики имели лишь теоретические представления о молекулярной структуре веществ, но не могли это доказать. Поэтому его открытие не только подтвердило существование молекул, но и стало основой для новых исследований в статистической физике и химии.

Помимо научных публикаций, в 1905 году Альберт Эйнштейн направил в Цюрихский университет свою докторскую диссертацию и через год получил степень доктора наук по физике. В этой работе он предложил метод для точного определения размеров молекул и их числа на основе анализа вязкости жидкостей. Этот метод заложил фундамент для дальнейших исследований в области молекулярной физики и статистической механики.

Благодаря перечисленным публикациям 1905 год учёные часто называют annus mirabilis, или годом чудес, а также годом Альберта Эйнштейна.

При этом статьи Эйнштейна 1905 года не сразу получили признание. Однако всё изменилось благодаря поддержке физика Макса Планка, который в то время был редактором журнала «Анналы физики» и считается одним из основоположников квантовой теории. После этого Эйнштейна начали приглашать на международные конференции, а также ему стали поступать многочисленные предложения от различных университетов. Он несколько раз менял место работы, и в 1914 году принял предложение стать профессором Берлинского университета и директором Института физики.

Самым известным достижением Эйнштейна является его теория относительности, которая состоит из двух частей: специальной и общей.

Специальная теория относительности показала, что скорость света является максимальной скоростью, с которой может двигаться материя или энергия. Она остаётся постоянной и не зависит от движения источника света или наблюдателя. Это означает, что, даже если вы будете двигаться навстречу или убегать от светового луча, его скорость для вас не изменится.

А вот время изменчиво: оно течёт по-разному для объектов, движущихся с разными скоростями относительно друг друга, а также для тех, кто находится в покое. Представьте космический корабль, летящий со скоростью, близкой к скорости света. Для человека внутри корабля время будет идти медленнее по сравнению с тем, как оно течёт для человека на Земле. После многолетнего путешествия астронавт обнаружит, что на планете прошло больше времени, чем он ощущал за время своего полёта.

Общая теория относительности появилась через десять лет после специальной теории и расширила её идеи. Она предложила новую концепцию гравитации, представляющую собой искривление пространства-времени под действием массивных тел. Например, можно представить двумерную резиновую поверхность, натянутую как полотенце. Если на эту поверхность положить тяжёлый мяч, она искривится под его весом. Вследствие этого меньшие предметы, размещённые на поверхности, будут двигаться к центру искривления, следуя кривизне поверхности.

Аналогичный эффект происходит и в трёхмерном пространстве, где планеты и звёзды искажают пространство-время вокруг себя. Это искривление мы ощущаем как гравитацию: так Земля заставляет Луну двигаться по орбите вокруг неё, а нас — оставаться на её поверхности.

Путь света вокруг массивного объекта, искривляющего пространство-время
Анимация: K. Jackson / Goddard Space Flight Center / NASA

Для подтверждения общей теории относительности астрономам нужно было зафиксировать, как гравитация Солнца искажает свет звёзд, проходящих рядом с ним. Однако в то время не было высокочувствительных камер и телескопов с хорошей контрастностью, способных проводить наблюдения на ярком свете. Поэтому пришлось ждать затмения.

29 мая 1919 года двум британским экспедициям под руководством Артура Эддингтона удалось сфотографировать звёзды вблизи Солнца. Они сравнили снимки с фотографиями того же участка неба, сделанными в другое время, когда Солнце не заслоняло звёзды. Астрономы обнаружили, что свет звёзд действительно отклоняется под воздействием гравитации.

Фотография солнечного затмения 29 мая 1919 года. Астрономы наблюдали за тёмным небом в течение шести минут, чтобы зафиксировать изображение далёкой звезды. Согласно предсказаниям Эйнштейна, это изображение должно было немного смещаться, и звезда будет казаться находящейся не в том месте. Ожидался сдвиг в 1/60 миллиметра на фотографии
Изображение: Lick Observatory Contributions, 1889, No. 1

7 ноября 1919 года лондонская газета Times вышла с заголовком: «Революция в науке: новая теория Вселенной, Ньютоновские идеи ниспровергнуты». В этот день Альберт Эйнштейн стал знаменитостью мирового масштаба.

Первая полоса газеты New Yourk Times, сообщающая о сенсационном событии — подтверждении общей теории относительности
Изображение: The New York Times, 1919, №17 / Wikimedia Commons

С 1910 года Альберта Эйнштейна несколько раз номинировали на Нобелевскую премию за теорию относительности. Однако до 1919 года не было экспериментальных данных, подтверждающих её справедливость.

После 1919 года возникли две другие проблемы. Во-первых, в составе комитета не оказалось компетентного учёного, способного в полной мере оценить содержание и значение теории относительности. Во-вторых, несмотря на предоставленные доказательства, у теории было немало критиков. Многие считали, что теория относительности противоречит здравому смыслу и представлениям о пространстве и времени.

Поэтому комитет нашёл дипломатический выход. В 1921 году Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике за объяснение фотоэлектрического эффекта, а также за «другие достижения в области физики». Такая формулировка позволила отметить его вклад в развитие науки и обойтись без конкретного упоминания теории относительности.

В 1922 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике за 1921 год, однако на момент вручения находился в Японии. Поэтому было решено, что свою Нобелевскую лекцию он прочитает 11 июля 1923 года на праздновании 300-летия Гётеборга. Эйнштейн выступил перед переполненным залом, в первом ряду которого находился король Густав V. Лекция представляла собой часовой обзор теории относительности, законов физики и нашего восприятия времени
Фото: The Nobel Prize / X

Примечательно, что даже через десять лет после вручения премии критики не унимались, и в 1931 году была выпущена книга «100 авторов против Эйнштейна». В ней были собраны мнения ста учёных и интеллектуалов, оспаривающих жизнеспособность теории относительности и её принципы. Сам Альберт Эйнштейн прокомментировал эту публикацию так: «Если бы я ошибался, то хватило бы и одного автора». Пожалуй, лучше и не скажешь.

Если бы критики теории относительности жили в наше время, они могли бы убедиться, что она нашла широкое применение в различных областях:

  • Космология: теория относительности лежит в основе современных моделей Вселенной, включая теории Большого взрыва и чёрных дыр, описывая гравитацию как искривление пространства-времени.
  • GPS: системы глобального позиционирования используют эффекты общей и специальной теорий относительности для точного расчёта координат, учитывая влияние гравитации на течение времени.
  • Ядерная физика: теория объясняет процессы в звёздах и ядерных реакциях, таких как превращение энергии в массу и наоборот.
  • Физика элементарных частиц: теория относительности необходима для описания поведения частиц, движущихся с высокими скоростями, близкими к скорости света. Она позволяет правильно рассчитать их массу и энергию, предсказать взаимодействия и рассеяния, а также обеспечивает точность работы ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер.

В 1933 году к власти в Германии пришли нацисты. Альберт Эйнштейн был евреем и активным противником нацизма, поэтому решил эмигрировать в США. Он принял предложение о работе в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. В 1935 году Эйнштейн получил вид на жительство, а через пять лет — гражданство США.

Ходили слухи, что нацисты объявили за голову Альберта Эйнштейна награду. «Никогда не думал, что моя голова стоит так дорого», — шутил сам учёный. Несмотря на это, в Великобритании, где Эйнштейн некоторое время жил, его друзья организовали для него вооружённую охрану.

Альберт Эйнштейн на велосипеде в Санта-Барбаре, 1933 год
Фото: UCSB College of Engineering / Flickr

В США Эйнштейн не только продолжил научную деятельность, но и активно участвовал в общественной жизни. Позже выяснилось, что ФБР следило за ним, подозревая его в связях с пацифистами и социалистами. Однако это не помешало американским военным привлекать великого учёного к оценке проектов вооружения во время Второй мировой войны.

Дом Альберта Эйнштейна в Принстоне, Нью-Джерси
Фото: Dmadeo / Wikimedia Commons

В 1939 году Альберт Эйнштейн вместе с физиком Лео Силардом написал письмо президенту США Франклину Рузвельту. В нём они предупреждали о возможности создания атомной бомбы нацистской Германией и подчёркивали необходимость разработки ядерного оружия в ответ. Это письмо сыграло ключевую роль в запуске Манхэттенского проекта. В сентябре 2024 года это письмо продано на аукционе за 4 миллиона долларов.

Однако Эйнштейн выступал против использования атомной энергии в военных целях. Он активно поддерживал мирное применение атомной энергии и призывал к международному сотрудничеству в этой области. Этические взгляды Эйнштейна на использование атомного оружия и его призывы к разоружению оказали значительное влияние на послевоенную политику и усилили движение за контроль над ядерным оружием.

В 1947 году Эйнштейн заявил, что, если бы знал, что нацистам не удастся создать атомную бомбу, он ничего бы не сделал для Манхэттенского проекта. В 1952 году в письме редактору японского журнала он отметил: «Нам поможет только радикальное устранение войны и угрозы войны». Эйнштейн также поддерживал призывы Роберта Оппенгеймера, создателя американского ядерного оружия, к запрету разработки водородной бомбы.

Двухстраничное письмо Альберта Эйнштейна, написанное 2 августа 1939 года перед началом Второй мировой войны. Это письмо сыграло решающую роль в инициировании гонки ядерных вооружений между США и нацистской Германией
Изображение: Albert Einstein / Franklin D. Roosevelt Presidential Library & Museum

Альберт Эйнштейн был дважды женат. В 1903 году он женился на сербке Милеве Марич, с которой познакомился во время учёбы в Цюрихе. У них было трое детей: дочь Лизерль, а также сыновья Ганс Альберт и Эдуард. Лизерль, вероятно, умерла в младенчестве или была отдана на усыновление. Брак с Милевой был непростым, и в 1919 году они развелись.

Сразу после развода с Милевой Марич Альберт Эйнштейн женился на своей двоюродной сестре Эльзе Эйнштейн в 1919 году. Эльза поддерживала его в научной и общественной деятельности, а их брак продлился до её смерти в 1936 году. Несмотря на сложные личные отношения с первой женой, Эйнштейн всегда оставался преданным детям и поддерживал с ними связь.

Альберт Эйнштейн со второй женой Эльзой
Фото: Library of Congress / Wikimedia Commons

Эдуард Эйнштейн страдал от психического расстройства и провёл большую часть своей жизни в психиатрических учреждениях. У него не было детей.

Ханс Альберт Эйнштейн стал философом и социологом. У него было четверо детей: приёмная дочь Эвелина, обстоятельства рождения которой остаются нераскрытыми; сын Дэвид, умерший в месячном возрасте; сын Клаус Мартин, скончавшийся в шесть лет; и сын Бернард Сизар Эйнштейн — последний внук Альберта Эйнштейна, который родился в 1931 году, стал инженером, получил множество технических патентов и умер в 2008 году.

Бернард Эйнштейн в 2003 году — последний внук Альберта Эйнштейна
Фото: Thomaseinstein / Wikimedia Commons

С 1925 года и до самой смерти Альберт Эйнштейн работал над созданием единой теории поля, стремясь объединить все законы физики в единую модель. Квантовая теория поля, с которой он пытался интегрировать свою теорию гравитации, утверждает, что частицы представляют собой волны в невидимых полях, и эти волны могут иметь только определённые уровни энергии. Каждая частица имеет «близнеца» с противоположным зарядом, а взаимодействия между ними происходят через обмен другими частицами.

Разработка подобной концепции сравнима с попыткой собрать огромный пазл, где каждый кусочек представляет собой отдельную физическую теорию. Хотя Альберту Эйнштейну не удалось создать «теорию всего» при жизни, эта идея продолжает вдохновлять современных физиков. Благодаря его работе, у них есть прочная основа для дальнейших исследований.

Альберт Эйнштейн скончался 18 апреля 1955 года в Принстоне от разрыва аневризмы аорты. По его желанию, тело было кремировано в тот же день на скромной церемонии без широкой огласки. Он не хотел становиться объектом поклонения. Прах великого учёного развеян в неизвестном месте.

В последние годы жизни по совету врача Альберт Эйнштейн бросил курить. Однако часто по привычке он держал пустую трубку во рту и просто жевал её
Фото: National Photo Collection of Israel / Wikimedia CommonsФотография рабочего стола Альберта Эйнштейна в Принстоне после его кончины
Фото: Princeton University

Перед кремацией патолог Томас Харви без разрешения семьи извлёк мозг Альберта Эйнштейна, надеясь разгадать тайны его гениальности. Он разрезал мозг на 240 частей и выяснил, что его структура не имела явных аномалий, которые могли бы объяснить его выдающиеся способности.

Также при жизни не удалось определить коэффициент интеллекта Альберта Эйнштейна, поскольку в его время такие тесты не были распространены. Считается, что его IQ был выше среднего, примерно 160.

Если и существует секрет гениальности, то, вероятно, он связан с мысленными экспериментами, которые проводил Эйнштейн. Например, в его эпоху было невозможно наблюдать отдельные атомы или электроны, но он мог вообразить такие эксперименты в своём уме и проанализировать их.

Сайты

  • alberteinstein.com. На сайте приведена краткая биография учёного, список его публикаций, наград и небольшая подборка его фотографий.
  • alberteinsteinsite.com. Здесь можно найти подборку цитат, интересных фактов о физике, ссылки на книги и фильмы и раздел с объяснениями его открытий.
  • einstein-website.de. Огромный ресурс про Эйнштейна: здесь вы найдёте биографию, генеалогическое дерево, его работы и даже список любимых блюд.
  • einsteinpapers.press.princeton.edu. Здесь находится письменное наследие учёного, собранное усилиями сотрудников нескольких университетов. Архив из более чем 30 тысяч заметок и писем Эйнштейна.
  • Биография А. Эйнштейна, написанная известным физиком и популяризатором науки Митио Каку.
  • albert-einstein.huji.ac.il. Ещё один архив с оцифрованными письмами, статьями и газетными вырезками.
  • Einstein Haus Bern. Ресурс, посвящённый жизни Эйнштейна в Берне. На сайте описываются музей-квартира учёного, Университет Берна и другие места, связанные с периодом его жизни в городе.

Книги

  • «Мир, каким я его вижу» — собрание эссе и писем Альберта Эйнштейна, раскрывающее его личные взгляды и принципы. В этом сборнике описаны его представления о социальных процессах, науке и образовании, религии и этике, а также проблемы войны и мира.
  • «Путевой дневник» — это дневник Альберта Эйнштейна, который он вёл во время путешествия по Дальнему и Ближнему Востоку в 1922 году. В книге отражены его размышления о проблемах науки, философских вопросах, искусстве и политике, а также впечатления, полученные во время поездки.

Документальные фильмы

  • «Свет и тени» — это выпуск авторской программы об Альберте Эйнштейне, в котором исследуются его личность и жизненный путь.
  • Albert Einstein — Greatest Brain of the 20th Century Documentary — документальный фильм от сообщества The People Profiles, создавшего сотни биографий исторических личностей.
  • Inside Einsteins Mind — фильм от PBS America, британского телеканала, известного передачами по истории и культуре.

Интересное

Бесплатный курс по Python ➞
Мини-курс для новичков и для опытных кодеров. 4 крутых проекта в портфолио, живое общение со спикером. Кликните и узнайте, чему можно научиться на курсе. Смотреть программу