Bognár Gergő, BOGQAAI.ELTE
TartalomAlbert Einstein 1879. március 14-én született a németországi Ulm városában, zsidó származású családban. A család Münchenbe költözött, itt kezdte meg tanulmányait a Luitpold Gimnáziumban. Később Olaszországba költöztek, majd a svájci Aarauban folytatta a tanulást. 1896-ba felvételt nyert a zürichi Svájci Szövetségi Műszaki Egyetemre. 1901-ben matematika- és fizikatanári diplomát kapott, majd miután tanárként nem tudott elhelyezkedni, a Svájci Szabadalmi Hivatalban helyezkedett el szabadalmi biztosként. 1905-ben írta doktori disszertációját, majd több egyetemen tanított professzorként és kutatott. Tudományos munkája, és elsősorban a fotoelektromos jelenség megmagyarázásának elismeréseként 1921-ben fizikai Nobel-díjjal jutalmazzák. 1933-ban a II. világháború során zsidó származása miatt Németországból az Egyesült Államokba menekült, itt élt 1955. április 18-án, Princetonban bekövetkezett haláláig.
Einstein 1905-ben kapta meg doktori címét „A molekuladimenziók újfajta meghatározásáról” című szakdolgozatára. Még ebben az évben négy további cikke is megjelent, amelyek megalapozták a modern fizikát: leírta a Brown-mozgást, megmagyarázta a fényelektromos jelenséget, speciális relativitáselméletében egy újfajta téridőszemléletet alkot meg, módosítva ezzel a klasszikus newtoni mechanikát.
1916-ban az általános relativitáselméletben a relativitás elvét kiterjesztette a gravitációs mezőre ill. a gyorsuló koordinátarendszerekre is.
Jelentős eredmény az 1924-ben Bose indiai fizikussal közösen publikált Bose-Einstein-eloszlás, mely a bozonok eloszlását írja le.
Utolsó éveiben kísérletet tett továbbá egy általános térelmélet kidolgozására, amelyben összekapcsolta volna az elektromágneses és a gravitációs mezőt, új értelmezést adva a kvantumelméletnek, de e kísérlete végül kudarcba fulladt.
A Brown-mozgás Robert Brown angol botanikus által 1828-ban felfedezett jelenség: a gázok, folyadékok atomjainak, molekuláinak rendezetlen, véletlenszerű mozgása.
Einstein 1905-ben megjelent első cikkében („Az álló folyadékbeli kis részecskék mozgásáról, melyet a hő molekulamozgásának elmélete megkövetel” c.) ad magyarázatot a jelenségre.
Einstein valószínűségszámítási eszközökkel, a kinetikus gáz- és folyadékelmélet felhasználásával írja le a jelenséget, értelmezi a mozgást és leírja statisztikus ingadozásainak törvényeit is. Magyarázata szerint a Brown-mozgás a folyadékot (vagy gázt) alkotó molekulák hőmozgásával kapcsolatos, a moleku¬láknak a Brown-részecskékkel való sorozatos és véletlenszerű ütközéseinek következménye. A kinetikus gázelmélet alapján a részecske is felveszi a molekulák átlagos hőmérsékleti energiáját, és a részecske átlagos elmoz¬dulása az idő négyzetgyökével lesz arányos. Einstein elméletéből az is következik, hogy szoros kapcsolat áll fenn a Brown-mozgás és a diffúzió között. A diffúzió egy kiegyenlítődési folyamat. Irreverzibilis, azaz időben megfordíthatatlan: egy diffúzióval kiegyenlítődött eloszlás visszaalakulása önmagától elenyészően kis valószínűséggel következhet be. A termé¬szetben lejátszódó folyamatok irreverzibilisek.
A fotoeffektus jelenségét a német Wilhelm Hallwachs és az orosz Alexandr Sztolev fedezte fel egymástól függetlenül 1888-ban, majd 1905-ben Albert Einstein talált rá magyarázatot „Egy a fény keletkezésével és átalakulásával kapcsolatos heurisztikus nézőpontról” c. cikkében. A jelenség a következő: fémekből megvilágítás hatására elektronok lépnek ki. A kísérletek alapján levonható tanulságok: a fotoeffektus csak egy adott határfrekvencia felett megy végbe; a kilépő elektronok maximális mozgási energiája a fény frekvenciájának függvénye; a kilépő elektronok száma a megvilágítás erősségétől függ; a jelenség mindig pillanatszerűen megy végbe. E tapasztalt összefüggések ellentmondanak a fény hullámmodelljének. Ezt az ellentmondást Einstein úgy oldotta meg elméletével, hogy Max Planck kvantumhipotézisét alkalmazta a fotoeffektusra. Feltette, hogy a fény adott energiájú kvantumokból, fotonokból áll. A fotoeffektusra felírt egyenlete úgy értelmezhető, hogy a fénysebességgel haladó fotonok teljes energiájukat átadják az elektronoknak, azok a fotonenergia egy részét a kilépési munkára fordítják, a fennmaradó rész pedig mozgási energia formájában marad meg. Ezzel az értelmezéssel a jelenség ellentmondásai megszűnnek.
A Nobel-díjat 1921-ben kiemelten a fényelektromos jelenség megmagyarázásáért ítélték oda Einsteinnek.
Einstein 1905-ben írt további cikkei („A mozgó testek elektrodinamikájáról”, „Függ-e a test tehetetlensége az energiájától?” c.) a speciális relativitáselméletet fogalmazzák meg, amely Einstein legközismertebb, és legtöbbet vitatott eredménye.
Már Galilei megállapította, hogy az egymáshoz képest egyenletesen mozgó megfigyelők számára a természet törvényei azonosak. Azt állította, hogy semmilyen mechanikai kísérlettel nem lehet különbséget tenni a két rendszer között. Azt állította, hogy csak a valamihez viszonyított mozgásoknak van jelentése, nem létezik egy kitüntetett vonatkoztatási rendszer, amelyhez minden mást mérnünk kell. Ezek alapján megállapította két egymáshoz képest egyenes vonalú egyenletes mozgást végző vonatkoztatási rendszer közötti transzformáció törvényeit, melyeket ma Galilei-transzformációnak nevezünk.
A Galilei-féle relativitási elv egyik általános megfogalmazása, hogy a mechanika számára az összes inerciarendszer egyenértékű, azaz semmilyen mechanikai kísérlettel nem lehet a különböző inerciarendszerek mozgásállapotára vonatkozóan információt nyerni. A relativitási elv fenti megfogalmazásából adódik, hogy amennyiben a klasszikus mechanika önmagában helyes, akkor a Galilei-féle relativitási elvnek igaznak kell lennie. A klasszikus mechanika megalapozása és kísérleti tapasztalatok arra utaltak, hogy zárt rendszerben a rendszer mozgására vonatkozóan nemcsak mechanikai, hanem másfajta kísérletekkel sem nyerhetünk információt. Ez a tapsztalat vezetett az általános relativitási elvhez, mely szerint az inerciarendszerek a fizika számára egyenértékűek.
Az általános relativitási elvnek, amennyiben igaz, van egy fontos következménye: nem létezik abszolút nyugvó vonatkoztatási rendszer, azaz abszolút tér. Az abszolút tér fogalma az emberi szemlélet számára kényelmes kategória, amelynek feladása nem könnyű. Ez magánál Newtonnál is érdekes kettősségre vezetett. Ő – valószínűleg főként filozófiai okokból – posztulálta az abszolút tér létezését, de fizikusi zsenialitása megakadályozta abban, hogy ezt valójában ki is használja. Így eredményei helyesek annak ellenére, hogy feltevései között hibás is volt.
A fényt, az elektromosságot és a mágnesességet leíró egységes elmélet, a Maxwell-elmélet is az abszolút térben létező, a világmindenséget kitöltő éter fogalmán alapul. Az éterben a fény sebessége nem változik, ha a forrás mozog hozzá képest. Ezzel ellentétben, ha a megfigyelő mozog az éterhez képest, akkor a fény sebességének változnia kell a számára. Ugyanakkor a Michelson-Morley-kísérlet kimutatta, hogy a fény sebessége invariáns minden megfigyelő számára. Így a fénysebesség állandóságának elve az éterfogalommal összekapcsolva ellentmondani látszik az általános relativitás elvének.
Einstein feltételezte, hogy a fénysebesség állandóságának elve és az általános relativitás elve egyszerre érvényes, és megvizsgálta, az ebből adódó modell helyesen írja-e le a kísérleti eredményeket. Az általa megfogalmazott axiómák tehát:
Ha a két állítást összevetjük, akkor ez egyenértékű azzal az állítással, hogy a fény terjedéséhez semmilyen közegre (a korábban feltételezett éterre) nincs szükség.
Az egymáshoz képest mozgó inerciarendszerek közötti téridőkoordináták transzformációját a Hendrik Antoon Lorentz holland fizikus által korábban meghatározott Loretz-transzformáció adja meg, amely ezáltal felváltja a klasszikus newtoni mechanikában használatos Galilei-transzformációt.
A speciális relativitáselméletnek tehát fontos, a hétköznapi ember számára szokatlan következményei vannak:
Az elmélet fontos eleme a tömeg-energia ekvivalencia, mely szerint a test teljes energiája egyenlő a tömegének és a fénysebesség négyzetének a szorzatával. (E=mc2) Továbbá megkülönbözteti a nyugalmi és a relativisztikus tömeg fogalmát: kimondja, hogy a testek sebességének növekedésekor tömegük is meghatározott mértékben nő. Az ekvivalencia alapján a tömeg az energia egyik formájának tekinthető.
A speciális relativitáselmélet csak akkor pontos, ha a gravitációs hatások figyelmen kívül hagyhatóak, különben az általános relativitáselméletet kell alkalmaznunk. Nagyon kicsiny méretek esetén, a Planck-hossz tartományában és alatta, lehetséges, hogy a speciális relativitáselmélet nem érvényes a kvantumgravitációs jelenségek miatt. Mégis a makroszkópikus jelenségek leírására az erős gravitációs terektől eltekintve a speciális relativitáselméletet a fizikus közösség általánosan elfogadta, és azokat a kísérleti eredményeket, amelyek ellentmondanak neki széles körben megismételhetetlen mérési hibának tartják.
A speciális relativitáselmélet matematikailag önkonzisztens, és összhangban van a modern fizikai elméletekkel, melyek közül a jelentősebbek a kvantumtérelmélet, a húrelmélet és az általános relativitáselmélet (elhanyagolható gravitációs tér esetén). A speciális relativitáselmélet nincs összhangban több korábbi elmélettel, melyek közül legjelentősebb a Newtoni mechanika.
Sok kísérletet végeztek a speciális relativitáselmélet igazolására, és hogy a rivális elméletekkel szemben teszteljék, de a mai napig sem találtak az elméletnek ellentmondó jelenséget.
| Sebességösszegzés klasszikus newtoni és relativisztikus módon | |||
| v1 | v2 |
Klasszikus: ∆v=v1+v2 |
Relativisztikus: ∆v=(v1+v2)/(1+v1v2/c2) |
| 100 km/h | 100 km/h | 200 km/h | ≈ 200 km/h |
| 0,1c ≈ 30 000 km/s | 0,1c | 0,2c | 0,198c |
| 0,5c | 0,5c | c | 0,8c |
| 0,75c | 0,75c | 1,5c | 0,96c |
| c | c | 2c | c |
 |
 |
Einstein 1916-ban tette közzé általános relativitáselméletét, amely lényegileg a speciális relativitáselmélet kiterjesztése gyorsuló és gravitációs mezőben mozgó rendszerekre.
Az elmélet alapja az ekvivalenciaelv, vagyis az a kísérleti megfigyelés, hogy a súlyos és a tehetetlen tömeg egyenértékű, vagyis hogy egyetlen kísérlet sem tud különbséget tenni lokálisan a homogén gravitációs tér és az egyenletes gyorsulás között. Az elvből következik, hogy lesznek olyan vonatkoztatási rendszerek, amelynek nem-euklideszi geometriával rendelkeznek: azaz a téridő meggörbül a tömeg hatására és a gravitáció csupán ennek a geometriának a következménye. Az általános relativitáselmélet egyenletei differenciálgeometria és tenzorok segítségével írja le a gravitációt, helyettesítve ezzel a newtoni gravitációt.
Az elméletnek rengeteg előrejelzése van: a gravitációs vöröseltolódás, a csillagok mellett elhaladó fény meghajlása, a fekete lyukak, az idő lelassulása a gravitációs térben. Az általános relativitáselmélet első nagy elméleti sikere az volt, hogy megmagyarázta a Merkúr pályájának eltérését a newtoni törvények segítségével kiszámított pályától. Sok egyéb mennyiségi előrejelzést is ellenőriztek csillagászati megfigyelésekkel, jóllehet a megfigyelések túl nehezek ahhoz, hogy a hasonló, de eltérő elméleteket kizárják. Jelenleg nincs olyan kísérleti eredmény, mely arra utalna, hogy a gravitáció jelentősen különbözne attól, amit az általános relativitáselmélet állít. Ennek ellenére jó okunk van feltételezni, hogy az általános relativitáselmélet nem teljes. Nem foglalja magába ugyanis a kvantummechanikát, és emiatt elegendően nagy energiákon az elmélet nem használható. A modern fizika régóta megoldatlan kihívása, hogy egyesítse az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát, vagyis kidolgozza a nagy egyesített elméletet (kvantumgravitáció elmélete, a mindenség elmélete), amely a legkisebb idő- és távolságskálán is alkalmazható.