i i “368-Strnad-naslov” — 2009/6/10 — 10:26 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 6 (1978/1979) Številka 3 Strani 134–144 Janez Strnad: OB STOLETNICI EINSTEINOVEGA ROJSTVA Ključne besede: fizika. Elektronska verzija: http://www.presek.si/6/368-Strnad.pdf c© 1979 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2009 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno. FIZIKA 11__- OB STOLETNICI EINSTEINOVEGA ROJSTVA 14. marca bi bil star sto let A l- bert Eins t e i n , ki velja za najuspe šnejšega teoreti čnega fizika. Znanstvenik i nimaj o tekm o vanj, na katerih bi zmagova l c i dobili nasl ove svetovnih prva - kov , zato j e t ežk o govor iti o na j uspešnejšem matemati ku, f iz i- ku, kemiku . Na j brž pa si je ve či n a fizi kov ed i na , da je Ein- s tein iz jema. Ob tej prili ki si oglejmo v s kopih obrisih Einstein ovo življenj s ko pot i n nje gov prispeve k fi ziki. Ro jen je bil 14 . marca 187 9 v Ulmu v j už ni N e m č i j i . St ar š i so bili poto mci ž ido vskih pri s e- l jen cev iz 16. s t o l etj a , a so s e popolnoma prila god ili nemškim razmeram. Oče Hermann je imel trgovinico z elektrotehniškimi potrebščinami . Pripovedu jejo, da je bil nadarjen za matematiko, a te spos obnos ti ni mogel ra zvit i . Mati Pauli ne je bila h či pre mož ne j š ega trgovca z ž i t om in je imela ve l i k smisel za glasbo. Kma l u po Albertovem rojstvu se je druž ina preselila v MUnchen . Tam je o če nadaljeval s trgovino in je pozneje odprl še maj hno ele ktrotehniš ko delavnico . Po osnovni šoli j e šel Albert na gimnazi jo. Ni bil dober učenec. V zadnjem letniku je imel teža - ve z g r ščino in la tinščino in profesor mu je napov edal, da iz njega ne bo nič. Očetu posl i niso uspevali in dru ži na se je pre seli la v Milan . Al bert pa je ostal v MUnchnu, da bi končal zad - nji letni k gimnazije i n maturir al . Vendar je zapustil š ol o in s e odpravi l v Mila n, pr eden je k o n č a l letnik . Pos kus il se je vpisati na znano zUriš ko tehnično visoko šolo ETH. Ma t em at i ko in fiziko je dobro znal ; za ta pr edme t a se j e zanimal in se ju sam učil i z knj i g . Zar adi slabe ga znanja bo- 134 tanike, zoologije in jezikov pa pri izpitu ni uspel. Nato je še enkrat obiskoval zadnji letnik srednje šole - v Aarauu - in maturiral. To pot se je vpisal na ETH brez sprejemnega izpita. Studiral je matematiko in fiziko - danes bi rekli na pedagoški smeri. čeprav se je že prej odločil za delo v teoretični fizi- ki, se je zavedal omejenih možnosti za zaposlitev. Hislil si je pač, da bo imel ob učiteljevanju še dovolj časa za t eor e t i č no delo. študij je končal z diplomo leta 1900, ne da bi zbudil pozornost učiteljev. Na izpite se ni pripravljal posebno vest- no, zagnano pa je študiral tiste dele matematike in posebno fi zike, ki so zbudili nje90vo zanimanje. Po diplomi je ostal dve leti brez stalne zaposlitve. Začel je sicer učiti na privatni srednji šoli, a lastnik ga je zaradi nasprotij, do katerih je prišlo, kmalu odslovil. S posredova- njem prijateljevega očeta je leta 1902 vendarle dobil mesto tehničnega izvedenca na švicarskem patentnem uradu v Bernu . V naslednjih letih je dosegel svoje največje znanstvene uspehe . Leta 1905 je bil promoviran za doktorja fizike na zUriški uni- verzi in leta 1909 so ga poklicali za profesorja na to univer- zo. Po poldrugem letu je šel za profesorja na nemško univerzo v Pragi, že leta 1912 pa se je vrnil na zUriško univerzo. Naslednje leto so ga izvolili za člana pruske akademije znano- sti v Berlinu in mu ponudili zelo ugodno mesto na inštitutu v Berlinu. Einstein je sprejel to mesto, na katerem ni imel nobe- nih drugih obveznosti; ves čas je lahko posvetil znanstvenemu delu. Kmalu po Einsteinovem prihodu v Berlin se je začela prva svetovna vojna. Njegovo delo pa zaradi tega ni trpelo. Vendar ga je prizadelo naraščanje antisemitizma . Krogi, ki niso mara- li židov, so si prizadevali, da bi ga pregnali iz Nemčije. S tem pa so dosegli, da se je začel zanimati za cionistično giba nje in se je vanj aktivno vk1juti1. Zavzemal se je za to, da bi dobili židje v Palestini lastno državo. Da ne bi razočara 1 fi zikov, ki so ga povabil i, ni hotel trajno zapustiti Berlina. Sprejel pa je še mesto profesorja na univer zi v Leydnu na Nizozemskem, kamor se je od časa do časa vozil 135 Pri malem Albertu vsekakor ni bilo mogoče spoznati genialnih potez. Razvil se je razmeroma pozno. Dolgo je trajalo, preden se je naučil govoriti, tako da so se njegovi starši že bali, da ni normalen. V resnlCl Je Albert sam ostal v MUnchnu. Kot dijak je stanoval v majhni podnajemniški sobi. Ker ni sprevidel, čemu bi se moral še dalje mučiti s šolo, saj ga je v resnici zanimala samo še matematika, je izdelal premišljen načrt, da bi izsilil svoj od- hod iz MUnchna in izstop iz šole. Njegov malo starejši prija- telj, sin nekega zdravnika, mu je priskrbel zdravniško spriče­ valo, ki je potrjevalo, da zaradi živčne razrvanosti potrebuje pol leta okrevanja pri svojih starših v Italiji . . . G. Prause, Genij i v šoli, Ljubljana, DZS 1977, str. 13,15 ... Einstein je velik del svojega premoženja razdal prijate- ljem, znancem, pogosto pa tudi tujcem, ki so iz kakršnega kol i razloga potrebovali denar ali pa so se samo pretvarjali, da ga potrebujejo. Njegova žena · se je včasih pritoževala: "Temu lopo- vu si spet dal denar, ko te je vendar že nekajkrat opetnajstil~ Einstein je odgovoril: "To dobro vem, ampak denar najbrž resnič­ no potrebuje. Clovek ne prosjači v svoje zadovoljstvo" .... Nekoč kasneje je napisal: "Ugotovil sem, da je mogoče obuti čevlje na boso nogo. Nogavice tako kmalu dobijo luknje. Moja žena jih kar naprej krpa. Zdaj, ko vidim, da je mogoče shajati brez nogavic, jih nikoli več ne bom obul!" . oo G. Prause, Geniji na samem, Ljubljana, DZS 1976, str.20 136 pr edavat. Začel je potovati. Leta 1921 je obiskal Prago, Dunaj in ·ZDA. Leta 1922 je potov al v Anglijo in Franci jo ter na Ki- tajsko in Japonsko. Na povratku se je ustavil v Palestini, ki je bila tedaj pod angle ško upravo, in na španskem. Leta 1932 so mu ponud i l i mesto na i nštitutu za višji študij v Princetonu blizu New Yor ka. Mesto je sprejel samo za nekaj mesecev. Med- tem pa je prišel v Nemčiji leta 1933 na oblast Hitler in Ein- ste in j e os t a l v ZDA . Do smrti 18 . april a 1955 j e delal na princetonskem i nš t i t u t u . Kma l u po nastopu službe na patentnem uradu se je Einstein poro č i l s Sr bk i njo Milev o Mari cevo, ki je tudi diplomirala iz mate ma tike in f izi ke. Prej sta skupaj obis kovala predavanja in Einstein j i je pomagal, ko se je pripravljala na diplomo. V nasledn j ih letih sta bila ro jena sinova Hans Albe rt in Eduard. Mil eva pa z ot ro koma ni hotela v Berlin. Ostala je v š vi ci in Einstein se je od nje ločil leta 1919. Vendar ga je s sinovoma ve č krat obis kala v Berl inu in tudi on je odpotoval včasih na obis k v š vi c o . Drugi č s e je poročil s svojo sestri čno Elso, ki ga je že prej negovala v Berlinu , ko je huje zbolel. Elsa je s krbela za Einsteina do svo je smrti leta 1936 v Princetonu. Mnog o bolj kot Einstei nov ž i vl j e nj e pi s zbudi pozornost njegovo delo v fiziki. Najbolj je zna n po po sebni in splošni t e orij i relativnosti . S prvo j e r azr eš i l zadrego , v ka t e r i so se znaš- li fizi ki, ko so postavili Ma xwellovo teorijo električnega in magnetnega polja nasproti Newtonovi mehaniki. Pot sta mu pri- pravila s svojimi te oreti čnimi ra zglabljanji nizozemski fizi k Hendrik Ant oon Lorentz in francoski ma tematik in fizik Henri Poincard na osnovi merjenj ameriškega ·f i z i ka Alberta Adama Michelson a . Venda r je bil Einstein prvi , ki je kritično pomis- lil, kaj l ah ko zares me ri mo, ka j je dogovor in kaj zgolj pred- sode k. Privzel je, da imajo za koni mehanike in elektrodinamike za vse opazoval ce, ki nis o pospešeni, enako obliko in da je svet l obna hi t ros t v pra zn em pr ostoru neodvisna od gibanja sve- tila. Pri tem se je moral odpovedati absolutnemu času, na ka t e rem je gradil Is aa c Newton. Ugotovil je, da dva dogodka nista 137 sočasna za opa zova lca, ki se giblje glede na prveg a op azovalca, čeprav sta sočasna za prvega opazovalca. To je popolnoma spre menilo pogled na prostor in č as: čas ni v e č ne odvi sni pa rame t e r , am pak i ma podobn o vlogo kot krajevne koor- dinate . Skup aj s trirazse žnim pr os to r om se zlij e v štirirazsež- ni p rosto r- čas. Svetlobna hitr ost je zgornja meja za hitrost de lcev, ene rgije in prena šanje sporočil. Mas a n i več od energi - je neodvisna količina; vsaki energiji ustrez a masa in obr atno . Sl. 1: Ei nste in z jadrn i co , ki mu jo je ob pe tdeset letnici pokl onil a ne ka ber l in s ka banka . Rad j e jadra l in v mla j ših l et ih hodi 1 na iz le te v naravo, posebno s sinovoma. 138 Sploš na t eor ij a re lati vnosti i z l e t a 1916 je nasta la kot razši - rite v poseb ne teo rije r e la tivn osti i n je zaje l a gravi tac i jo . Pri tem se je pokaza lo, da je štirirazsež ni pr ost or v bli ž i n i te les z ve l i ko maso u k r iv l j e n. Od po javov, ki j i h je napoveda la t eor i j a , so bili t ed a j merljivi ali na meji merljivosti l e tri- je: p remik s pe k t r a l n i h črt proti rdečemu de l u s pe k t ra , č e je s vetilo bli že te lesu z ve l iko mas o kot sprejem nik , odkl on s ve - tlobne ga c u rka z zvezde pri prehodu mimo Sonca in s u kanje Mer -, kurj e ve ga per ihe lija , to j e točke, v ka te ri j e planet pr i g iba- nju po e l ipsi naj bl i že Sonc u. Te pojav e s o zar es opa z i l i, če­ prav merjenja niso bila zelo natančna . (Danes je mogoče opa zo- vati več pojavo v z mnogo boljšo nata nčnostjo.) Drug i pojav s t a opazova l i an gleš ki eksped ic iji v Bra z i l i jo i n Afriko l e t a 1919 . Ob poroč il u o tem je postal Ei nst e i n zar es sla ven . Venda r Einsteinovi usp ehi nikakor niso omejeni samo na teor iji re la t iv nost i . Eden iz med l e t ni kov 1905 r ev i je An n a le n d er Phy- s i k je prinesel kar t r i njegova temeljna de la. Poleg posebne teorije relativnost i je ob ra vnaval š e teorijo Brownoveg a giba- nja , t o j e gibanja d ro bn i h de l cev , ki j i h razp ršimo v pl in u a li v kap l jev ini, da lebd ijo v njem, in ki jih vid imo pod mikrosko- pom. De lci se neu rejeno gibljej o zaradi naključnih trko v z mol~ kulam i; pogosto na mreč t rč i v delec več mol e kul na e ni stra ni kot na dr ugi . Eins tein je izračunal povprečno vrednost kvadrata razdal je od začetne leg e za množico enakih de lcev . Francos ki f i z i k Jean Bapt iste Perri n je kmalu nato potrd i l Ei nsteinovo enačbo z merjenje m. S t em je doka zal, da sestavljajo ka pl j e vi ne in pl i ne mole kule , v kar so tedaj ne ka t e r i še dvo mi l i . V tretjem članku iz l e t a 1905 je obde la l Ei ns t e i n še fo toelek - tr i čni p o j av (fo t o e f e k t) . Le nekaj l e t j e b i lo znano, da i zbija sv et loba elek trone iz kov i n i n da je š t ev i l o izbitih ele ktronov odvisno od gostote svet lobnega toka, med t em ko je za svetlo bo z da no va lovno dolžino njiho va največja kinetič na e nergi ja ne - odvisna od gostote svetlobnega t o ka. Tega ni bilo mogoče pojas- niti s starimi enačbami za električno i~ magnetno pol je . Nemš ki fizik Max Planck je že prej dobi l pravo e nač bo za s evanje črne ­ ga telesa - t ako imenujemo telo, ki vso vpadajočo svet lobo ab - 139 SI. 2: Eins t e in na kolesu . 140 sorbira - le če je privzel, da se njegova energija spremeni lah ko s amo v s kokih . Einstein je to misel uporab il tudi za sve - tlobo in vzel , da jo se stavl j a j o obroki energije - kv anti eLek- t r omagnetne ga pol ja , ki se j ih je kas ne j e prijelo ime f ot on i . Tako j e poj asnil, za ka j je največja k i n e t ič n a ene rg i ja izb itih ele ktronov pri določeni kov ini odvisna samo od valovne dolžine sve tlob e . S tem je postavil en ega i zmed temeljn ih kamnov nove kvantne f i z i k e. Za to delo je dobi l leta 1922 Nobelovo nagrado . (P o pravilih Nobelove ustan ove na j bi prineslo nag rajeno delo ljud em kor i s t , zato je bilo tedaj teže zagovarjati nagrado za kat e ro od obeh te orij relativn os ti.) Od poznejših Einstei nav ih del omen imo samo nekatera. Leta 1907 je upo rabi l kva nt ne ena čbe za nihanje atomav v kr i s t a l ih in ugotovil , da gre s p e c i f i č n a toplota kr i s t a l ov proti nič, ko gre pr oti ni č absolutna temperatu ra . To teorijo je izpopolnil Peter Debye . Skupaj z nizozem skim fizikom J.V. de Haasom je leta 1915 napo- vedal i n pot em tudi opa zoval pojav, da se valj i z meh kega žele- za za male nkost zavrti, ko obr nemo smer mag netneg a polja, vzpo- rednega z njegov o osjo. Leta 1917 j e računal verje tnost za sevanje vzbujenih atomov i n od kril s t imu l ir an o s ev an je, ki je postal o 43 let pozneje osn ova za izdelavo Laserjev . Istega leta si je zamislil prvi mod e L ve s olja v okviru splošne t eor i j e r e l a t i vnos t i . Priv zel je, da s o vsi del i vesolja ena ko- vredni in da se razmere ne spreminjajo s ča som. Od čas a neodvi - sno rešitev je dobil iz svojih ena čb , ko je vpeljal va nje poseb no ko z mo l ošk o konstanto. Ce je ne bi vpeljal, bi ugotovil, da se ves olje razširja (ali krči) in bi prišel do modela razširja - jočega se vesolja. Ta model , ki ga danes sp rejema večina ast ro- fizikov , so zahtevala opazovanja am eriškeg a astronoma Edwina Hubbla iz leta 1929. Leta 1924 je pri obravnavanju sistema i z množice kvantnih del- cev, od ka t er i h ji h je lah ko več v istem stanju, napovedal k on - 141 d e n z a c i j o ( zgost itev) pose bne vrs te . S podo bnimi računi se je ukvarjal tu d i i ndi jsk i f iz ik Sha te ndra Nat hBo se . S to Einstein - Bo se jevo k on d e n z acij o so poj asnili s up e r tekočn os t h e Lij a . (Okol i l e t a 1928 so odkri l i, da preide kap ljev inski he lij pod temperaturo 2,1 7 K ali približno -2 710 C v s up e r t e koče stanje , v katerem brez upora t e č e po ce ve h in i ma še dr uge nenava dne l a s t nos t i . ) Cepr av je Ei ns t e i n s am odp r l vrata kvantni mehan ik i, se pozneje ni kak or ni mogel s pr ijazni ti s spo znan jem, da izi da pos kusa s kvantnim de lcem ni mogoče z go tovost jo na povedat i, ampak se je tre ba zado vo ljiti s s t a t i s t i č n i m opisom . Na 5. in 6. Solvayevem kongr esu v l e t i h 1927 i n 1930 se je zapletel v razpravo z dan - sk im f iz i kom Nie1som Bohrom . Prizadeval si je, da bi si izmis - l il poskus, ki bi pokaz al nezadovol j i vos t kvantne meh an ike. Zna n je eden izmed Ein st ein ovih pred logo v , ki ga j e Bo hr po noč nem r a zmi š l j a nj u dr ug i dan ov rge l . Poz ne j e Einstein ni več trdil, da je kvantn a mehani ka nez adovo 1ji va, še naprej pa je bi l prepr i čan, da j e nepop olna . Se leta 1950 je trdil, da je s tatistična nara va kva nt ne mehan ike s amo pos ledica njene nepo - Sl . 3: Ei ns t e i n ig r a viol i no na konce rtu v Pri ncetonu leta 1941 . Igral jo j e zel o do b- ro in zel o rad in j e več­ krat nastop i 1 v ožjem krog u. 142 polnosti. Poleg drugih člankov je v tej zadevi skupaj z Borisom Podolskim in Nathanom Ro senom leta 1935 napisal članek, ki naj bi do kaz oval nep opol nost kvant ne mehani ke. Mne nj e ni splošno sprejeto, res pa je, da glede osno v kvantn e mehanike , posebno glede teorije merjenja, še ni bila izrečena zadnja be- s eda. Pripomniti je treba, da je Einstein s svojim upiranjem kva nt ni mehani ki v znatni meri prispeval k temu , da so postala osnovna vprašanja jasnejša. Zaradi odklonilnega stališča do kvantne mehanike je Einstein zgubil stik s sodobno fizik o. Posebno zadnja leta je bil do kaj osamljen . Tedaj je nadaljeval delo, ki ga je z a č e l že v Berli- nu. Poskušal je združiti Ma xwellovo elektrodinamiko in svojo splošno teorijo relativnosti. Med večjim številom neuspelih pos kusov velja omenit i poenoteno teor ijo po Zja iz leta 1949 . Vse ka že , da ta združitev ne more uspeti zunaj kvantne fizike. Einstein je napisal več knjig za širšo javnost. Skupaj s polj- s kim fizikom L. Infeldom je avtor knjižice Razvo j f i zi k e od Newto n a do kvan t ne mehanike , ki jo imamo tudi v slovenskem pre- vodu (Ljubljana, Mladinska knj iga 1962). Veliko je predaval in tudi drugače nastopal v javnosti. Pomagal je preganjanim židom in je bil vedno na strani "ponižanih in razžaljenih". Nasproto- val j e nasilju in n i priznaval avtoritet. Leta 1933 je izstopil iz pruske akademije znanosti in tudi po vojni ni hotel obiskati Nemčije. Leta 1939 je na pobudo nekaterih fizikov, ki so emigrirali iz Nemčije, poslal pismo predsedniku ZDA F.D. Rooseveltu. V njem ga je opozoril na možnost atomske bombe in na to, da ne kaže odlašati z raziskovanjem, ker bi Nemci utegnili prehiteti za- vezni ke. Potem ko so Američani vrgli bombi na Japonsko, pa je postal nasprotnik atomskega orožja in pobornik za mednarodni sporazum o tem orožju in mir. V nekaterih stvareh je bil Einstein posebnež. Za britje in umi- vanje je uporabljal isti kos mila, nosil je srajce brez ovrat- nika, hodil brez nogavic in ni imel pižame. Zgodbic o tem je polno v vsaki knjigi o njem . Trdil je pač, da se da brez vsega 143 taga I n p ~ d o b n e g a k f s t o dobro S f v e t i . E fns te in je dosegel svetovno s lavo , kakrZne ni pred njtr in j e r e l o v e r j e t n o ne bo za njSa noben f f x l k . Y kratkem eestavku n i mogoEe o r i s a t i vseh stranf E i n s t e i n ~ w e osebnostt i n d e l a . Ha oreto j e v t u j t h fezikfh ve l iko k n j l g o E inste inu ( v slovenskem prevodu imamo knjifjca F. Hernecka, AZbsrt PC?artrtn, L jub l jana , Mfadinska knjiga 3966). Yendar j e tnogoFe fe pa rapitanem sklepq t S , da b i se f i r I k a brez Eins te fna r a z v i j a l a prece j potasneJe. V e l t k de l sodobne f i z i k e j e taka a l i drugate povezan z njegovim delom.