Представление о физике у среднестатистического человека в современном мире достаточно полные. Любую информацию как по физике, так и по другим дисциплинам можно найти на просторах Интернета. Но, конечно, так было далеко не всегда. Не говоря уже о Средневековье, когда за любую попытку просвещения следовала смертная казнь, даже в более позднюю эпоху, Новое время, подавляющее большинство людей, в основном крестьян и рабочих, не знали и элементарных принципов устройства вселенной, и верили, что за всеми процессами, происходящими в мире, стоит бог или прочие высшие силы. Единственным лучом просвещения в те времена были люди, имевшие доступ к знаниям, накопленным предками, умевшие эту информацию обрабатывать и на ее основе делать новые открытия и изобретения. Люди с пытливым умом существовали всегда, но учеными смогли зваться только после появления первой государственности. Нельзя сказать, чтобы кто-то из людей науки был менее значим, чем другой, потому что каждое, пусть и самое маленькое открытие, кардинальным образом влияло на дальнейший прогресс. Одним из выдающихся людей был Альберт Эйнштейн, физик-теоретик, философ науки и даже лауреат Нобелевской премии 1921 года. Он смог разработать множество теорий, самой важной из которых была теория относительности, сумевшая заменить классическую механику Ньютона и его закон Всемирного тяготения. По версии журнала «Time», Эйнштейн является персоной XX века.
Специальная теория относительности
Наиболее великое открытие Эйнштейна — Специальная теория относительности.
Как уже было сказано ранее, это – одна из основных работ Эйнштейна, полностью перевернувшая взгляд на механику. Итак, теория относительности – это физическая теория, которая рассматривает пространственно-временные закономерности, применяемые к любым физическим процессам. Начало работы над этой теорией связано с популярной в то время концепцией эфира, предположительным носителем электромагнитных волн, который, к слову, не мог быть совмещен с классической механикой Ньютона. Впервые принцип относительности обобщенно сформулировал не Эйнштейн, а ирландский физик Лармор и французский математик Пуанкаре. Пуанкаре не отрицал существование эфира, хотя и понимал, что обнаружить его не удастся точно. Он же высказал мысль о том, что события не всегда происходят одновременно, а являются конвенцией, а также утверждал, что скорость света конечна. Исходя из этого, в начале XX века существовало две кинематики: ньютоновая и электромагнитная.
Эйнштейн не считал какую-либо версию абсолютно точной, а делал свои наблюдения. Он считал, что эфир – это проявление свойств пространства и времени, а классическая механика – это та же электромагнитная механика, но для малых скоростей. Итогом его работы стала статья «К электродинамике движущихся тел», в которой сформулировал два постулата: постоянство скорости света и принцип относительности. Из них он смог с легкостью вывести еще некоторые важные формулы и аксиомы: лоренцово сокращение и формулы преобразования Лоренца, отсутствие эфира и его ненадобность, формула сложения скоростей и т.д. В конце этого же года была сформулирована его небезызвестная формула E=mc2, которая определяла взаимосвязь массы и энергии. Открытия Эйнштейна в физике были подобны грому среди ясного неба.
теория относительности Эйнштейна
Теория вызвала неоднозначную реакцию у научного общества: часть приняла эту теорию, получившую позже название «специальная теория относительности» сразу же, другая же часть посчитала ее слишком революционной.
Квантовая теория фотоэффекта и теплоемкости
Еще одним важным открытием в научной карьере Эйнштейна стала квантовая теория фотоэффекта. Фотоэффект – это передача любому веществу энергии света/ другого электромагнитного излучения, с последующим выбиванием электронов из вещества. Фотоэффект может быть как внешним, так и внутренним.
Сначала, в 1887 году, был открыт внешний фотоэффект. Он заключается в том, что фотоны выбиваются во внешне пространство. Его открытие пошло с изучения Генрихом Герцом возникновения искры в разрядниках. Но наибольший вклад в изучение этого фотоэффекта внес русский ученый Столетов, которым и были установлены основные законы фотоэффекта. Но с точки зрения электродинамики описать фотоэффект было трудно, хотя над этим работал Максвелл. Фотоэффект не входил в рамки классических представлений физики, что очень затрудняло работу над ним.
Объяснить закономерности впервые удалось Эйнштейну в 1905 году. Он выяснил, что Максвелл в корне неправильно рассматривал эффект, так как представлял свет как непрерывную волну. Эйнштейн же развивал гипотезу Планка о том, что свет излучается квантами. Квант света (фотон) – это мельчайшая неделимая частица света, а потому он поглощается или выпускается целиком. Фотон обладает двумя свойствами: он движется со скоростью света и является частью электромагнитного поля. Интересным является то, что фотон либо находится в постоянном движении со скоростью света, либо не существует, то есть остановить квант нельзя. Все это позволяет объяснить законы фотоэффекта. Для выбивания из атома электрона необходимо сообщить тому некоторое количество энергии. Фотоэффект не случится, если фотоны не обладают достаточной энергией. Также фотоэффект возможен только для излучения с большой частотой, так как часть энергии будет затрачена на отделение электрона, а остаток будет превращен в кинетическую энергию. Известные открытия Эйнштейна в физике до сих пор является опорными пунктами для изучения этой науки.
Холодильник Эйнштейна
Научные открытия и достижения Эйнштейна играли большую роль не только в теории физики, но и на практике. Так, например, в 1926 году Эйнштейн и другой физик, Лео Сцилард, создали абсорбционный холодильник. Патент на изобретение они получили только спустя четыре года, 11 ноября 1930-го года.
холодильник Эйнштейна
Толчком к началу работы над этим устройством послужило прочтение Эйнштейном в газете новости о том, что одна берлинская семья погибла в результате отравления диоксидом серы, который оказался выброшен в воздух из-за неисправности холодильника. Чтобы предотвратить возможность повторения подобных случаев, в новом холодильнике использовался спиртовой хладогент. Начало работы было очень плодотворным, и за достаточно короткий промежуток времени ученым удалось спроектировать устройство, которое включало в себя все необходимые качества: простоту в использовании, безопасность и небольшую цену. Финансированием проекта занималась компания «Citogel».
Изобретения Эйнштейна были весьма интересны. Устройство холодильника было таковым: внутри объемного цилиндра располагалась небольшая холодильная камера для продуктов, а за охлаждение устройства отвечал испаряющийся метиловый спирт. Спирт по трубке переходил в другой цилиндр, наполненный водой. Растворяясь в ней, спирт удалялся из устройства. Преимуществом перед предшествующими моделями холодильников в этом было то, что пары метилового спирта не несут для человека практически никакой опасности, а вот недостатком была одноразовость хладогента; тем не менее спирт стоил не очень много, а потому быть существенной проблемой это не могло. В 1928 году такой холодильник был выставлен на продажу под названием «народный». Стоимость акций финансирующей компании значительно выросли, однако сам холодильник не утвердился в быту людей, в связи с тем, что он требовал постоянного напора воды и давления в кране. Но он пополнил список открытий Эйнштейна.
Статистика Бозе–Эйнштейна
Статистика Бозе–Эйнштейна — это квантовая статистика, которая используется для систем равных частиц с нулевым (или целым) импульсом. К таковым относятся фотоны и некоторые атомы гелия. Такая статистика применяется для определения среднего числа таких частиц в состояниях с определенной энергией. Впервые ее в 1924-м году предложил Шатьендранат Бозэ, и применялась она первоначально для световых квантов, а Эйнштейн в том же году начал заниматься ее обобщением для систем атомов с целым импульсом и для молекул идеальных газов. Важные открытия Эйнштейна изучаются до сих пор.
Статистика Бозе–Эйнштейна
Отличительная особенность статистики в том, что она предполагает нахождение в одинаковом положении множества частиц, в то время как другие, например статистика Ферми – Дирака, допускают занятие одного положения только одной частицей. Функция обладает некоторыми свойствами: она безразмерна, но вещественные значения принимает от 0 до бесконечности, убывает пропорционально энергии, при пониженной температуре убывание становится более резким, а вот при повышенной меняется и переходит в статистику Максвелла-Больцмана. Такой же переход происходит и в сильно разреженных газах.
Главные открытия Эйнштейна закрепили его имя на мировом научном пьедестале и определили вектор развития физики.
Автор: Ксения Бирюкова