Albert Einstein – urodził się w 1879 roku – zmarł w 1955 roku.
Teorie Alberta Einsteina są źródłem dwudziestowiecznej fizyki. Jego szczególna i ogólna teoria względności stanowią podstawę zrozumienia praw natury i takich pojęć, jak przestrzeń, czas, masa i energia. Szczególna teoria względności, sformułowana w 1905 r., jest nieodzowna, aby zrozumieć oddziaływania cząstek elementarnych. Ogólna teoria względności, która powstała dziesięć lat później, otworzyła drogę do nowoczesnej kosmologii.
„Wpływ prac Einsteina na różne dziedziny fizyki jest tak ogromny i różnorodny – napisał ostatnio Gerald Holton – że naukowiec, który starałby się to prześledzić, miałby duże trudności z ustaleniem, od czego zacząć”. Prace Einsteina stanowią podstawę odkryć naukowych XX w. i, podobnie jak odkrycia Izaaka Newtona, znalazły zastosowanie w technice, co pozwoliło manipulować zjawiskami przyrody. Tranzystory, mikroskopy elektronowe, komputery, komórki fotoelektryczne – to zaledwie kilka przykładów olbrzymiego skoku w dziedzinie informatyki i komunikacji, który nastąpił dzięki einsteinowskiej rewolucji.
Albert Einstein urodził się w Ulm, w Niemczech, 14 marca 1879 r. Był synem Hermanna i Pauliny z domu Koch. W rok po jego urodzeniu rodzina przeniosła się do Monachium. Einstein był milczącym chłopcem; uważano go raczej- za dziecko dziwne niż utalentowane. Od dziesiątego roku życia uczył się w Leopold Gymnasium. Nie znosił sztywnej, niemieckiej dyscypliny szkolnej i bez entuzjazmu uczył się łaciny i greki. Jego droga do nauki rozpoczęła się od matematyki, do której zachęcił go wuj, inżynier Jakub Einstein. W wieku około 12 lat Einstein samodzielnie nauczył się geometrii i postanowił, że pewnego dnia rozwiąże zagadki świata. Jego historia to raczej niecodzienny przypadek realizacji młodzieńczych marzeń.
Dalsza kariera szkolna Einsteina była równie powikłana, jak jego edukacja w szkole podstawowej. W 1894 r. rodzina Einsteinów przeniosła się do Mediolanu, gdzie po wcześniejszych niepowodzeniach w interesach osiadł jego ojciec. Albert pozostał w Monachium, by ukończyć naukę w gimnazjum, ale porzucił je, nie uzyskawszy końcowego świadectwa, by dołączyć do rodziny. Mając 17 lat, został przyjęty na politechnikę w Zurychu; rok wcześniej nie zdał egzaminu wstępnego. W szkole nabrał przekonania, że jego dziedziną będzie nie matematyka, lecz fizyka, dlatego studiował prace Hermana von Helmholtza, Jamesa Clerka Maxwella i innych. Nie był wybitnym studentem, miał poczucie, że uczelnia krępuje go. Później pisał, iż ,,to cud, że współczesne metody kształcenia nie zdusiły całkowicie świętego zapału i dociekliwości”. W 1900 r. otrzymał dyplom.
Na początku 1902 r. Einstein uzyskał stanowisko młodszego inspektora w szwajcarskim urzędzie patentowym. Przypuszczano, że właśnie ta praca – szczegółowe badania i wyjaśnianie zastosowania różnego rodzaju wynalazków – rozbudziła jego zainteresowanie czasem i przestrzenią. Z pewnością był to jedyny okres, kiedy Einstein pozostawał w izolacji od środowiska fizyków, ale śledził najnowsze osiągnięcia fizyki.
W roku 1905 – zwanym często annus mirabilis Einsteina – opublikował w XVII tomie Annalen der Physik trzy bardzo ważne prace, w których, jak pisze Emilio Segre: „jego geniusz zapłonął z niedościgłą jasnością”. Każda praca była poświęcona odrębnemu zagadnieniu:
1. W artykule na temat ruchów Browna Einstein wykazał, że zygzakowaty taniec cząsteczek zawieszonych w cieczy jest wymiernym i przewidywalnym skutkiem kinetyki cząsteczek. Stwierdzenie to było niepodważalnym dowodem istnienia cząsteczek, nadal jeszcze kwestionowanych w pewnych kręgach naukowych; kilka lat później słuszność obliczeń Einsteina potwierdziły doświadczenia.
2. W swojej pierwszej pracy na temat teorii kwantów Einstein wykazał, że założenie matematyczne, które pozwoliło rozwiązać problem promieniowania „ciała doskonale czarnego”, odpowiada pewnemu fundamentalnemu zjawisku fizycznemu. Udowodnił, że światło to strumień cząstek, których energię można obliczyć, korzystając z liczby znanej jako stała Plancka („foton” jako określenie cząstki światła powstało później). Doświadczalne uzasadnienie tego twierdzenia w zakresie światła widzialnego uzyskano w ciągu następnej dekady. Hipoteza kwantów pozwoliła Einsteinowi wyjaśnić zjawisko fotoelektryczne, za co w 1921 r. otrzymał Nagrodę Nobla.
3. Obie wspomniane prace, szczególnie druga, miały rewolucyjny charakter, ale pod tym względem przewyższyła je trzecia Zur Elektrodynamik bewegter Korper (O elektrodynamice ciał w ruchu). W pracy tej po raz pierwszy została sformułowana teoria, znana później jako szczególna teoria względności.
Szczególna teoria względności odnosi się do całej fizyki, ale pod pewnymi względami stoi w poważnej sprzeczności z intuicyjnym rozumieniem czasu i przestrzeni. Krótko mówiąc, Einstein, rozważając ruch w przestrzeni, sformułował postulat, że prędkość światła ma stałą wartość we wszystkich układach odniesienia – niezależnie od ruchu źródła światła lub jego detektora. Czyli inaczej – obliczona już wcześniej prędkość światła nie zależy od prędkości ruchu obserwatora. Jeżeli jednak tak jest, to dla dwóch obserwatorów poruszających się z różną prędkością równoczesne są różne zdarzenia. Jeśli przyjmujemy, że prędkość światła ma taką samą wartość w każdym układzie odniesienia, to czas i przestrzeń łączą się i razem tworzą arenę zdarzeń fizycznych.
Łatwo zrozumieć, dlaczego teoria Einsteina stanowiła rewolucję. Prowadzi ona do sytuacji, w której zwykły rozsądek i koncepcje filozoficzne ustępują przed nowymi pojęciami naukowymi – to jest takimi, które można potwierdzić doświadczalnie. Być może trudniej zrozumieć, dlaczego teoria ta stosunkowo łatwo zyskała uznanie fizyków.
Gdy Einstein ogłosił szczególną teorię względności, jego celem było rozwikłanie poważnych zagadnień, z jakimi borykała się szybko rozwijająca się elektrodynamika. James Maxwell, fizyk należący do poprzedniego pokolenia, odkrył równania, z których wynikało, że fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła. W celu mechanicznego wyjaśnienia tego zjawiska – rozchodzenia się fal w przestrzeni ze stałą, określoną prędkością – wysunięto teorię niewidzialnego eteru. Jednak eteru nigdy nie udało się wykryć, a tym samym ta niezwykle popularna teoria fizyczna pozostawała niepokojąco niekompletna. Szczególna teoria względności pozwoliła zrezygnować z eteru, co było istotnym uproszczeniem. Teoria Einsteina wyjaśniała również pewne wyniki doświadczalne, jak na przykład przyrost masy obiektów poruszających się z dużą prędkością, co już wcześniej sugerował holenderski fizyk Hendrik Lorentz.
Inną przyczyną akceptacji szczególnej teorii względności było pojawienie się w 1900 r. teorii kwantów. Pewne zjawiska zachodzące w jądrze atomu dawało się wyjaśnić za pomocą teorii względności, fizyka newtonowska natomiast nie mogła ich wytłumaczyć. Max Planck, jeden z twórców teorii kwantów, natychmiast docenił znaczenie szczególnej teorii względności – porównał ją do rewolucji kopernikańskiej. Podobną ocenę wyraził później Niels Bohr. Zgodnie z teorią względności – jak stwierdził Einstein – „Masa ciała jest miarą jego energii”. Wkrótce potem Einstein opublikował bardziej szczegółową pracę, w której podał swoje słynne równanie: energia E jest równa masie ciała m, pomnożonej przez kwadrat prędkości światła (E = mc²).
Po opublikowaniu prac z 1905 r. Einstein stał się znany w środowisku fizyków. W 1909 r. Einstein opuścił szwajcarski urząd patentowy i rozpoczął karierę uniwersytecką. W 1909 r. zaczął pracować na uniwersytecie w Zurychu, a w 1911 r. przez krótki okres wykładał na uniwersytecie w Pradze, ale czuł się tam źle z powodu antysemickich nastrojów panujących w Austrii. W 1912 r. wrócił do Zurychu. W 1914 r. otrzymał nominację na specjalnie dla niego utworzone stanowisko w Pruskiej Akademii Nauk i równocześnie został profesorem Uniwersytetu Berlińskiego. Od tego czasu mógł poświęcić większość swego czasu na badania naukowe.
Teoria, znana dziś jako ogólna teoria względności, jest przede wszystkim teorią grawitacji. Einstein pracował nad nią od roku 1907 do 1916. Teoria ogólna jest rozwinięciem szczególnej teorii i stosuje się do układów poruszających się ruchem przyśpieszonym. Ogólna teoria względności stanowi podstawę całej dwudziestowiecznej kosmologii – między innymi wyjaśnia przesunięcie ku czerwieni widma galaktyk, które dowodzi, iż wszechświat się rozszerza, oraz tłumaczy powstanie czarnych dziur.
Aby zrozumieć ogólną teorię względności, należy zacząć od zasady równoważności. Jak stwierdził Galileusz w swym słynnym doświadczeniu, ciała spadają na Ziemię z jednakowym przyśpieszeniem, niezależnym od ich masy. W tym sensie spadające ciała, duże i małe, są „nieważkie” – ich masa nie wpływa na to, jak reagują na przyciąganie ziemskie. W rzeczywistości astronauci na orbicie nieustannie „spadają” na Ziemię, dzięki czemu są w stanie nieważkości. Gdy jednak ich statek kosmiczny opuszcza orbitę i przyśpiesza w kierunku odległej gwiazdy, astronauci czują ciężar. Przyczyną jest wtedy przyśpieszenie, a nie grawitacja. Zasada równoważności Einsteina mówi, że siły grawitacyjne i inercjalne, związane z przyśpieszeniem układu, są nieodróżnialne.
Z zasady równoważności wynika, że przyciągnie grawitacyjne nie jest po prostu siłą, z jaką przyciągają się wzajemnie wszystkie ciała. Ciążenie należy uważać za skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masę. Masa powoduje, że przestrzeń ma geometrię nieeuklidesową. Wprawdzie w warunkach, z jakimi spotykamy się na co dzień, ogólna teoria względności i prawo powszechnego ciążenia Newtona dają w zasadzie takie same wyniki, ale teoria Einsteina nie tylko opisuje eliptyczne orbity planet, lecz również tłumaczy pewne anomalie, takie jak precesja orbity Merkurego wokół Słońca.
Kilka lat po tym, jak Einstein opublikował ogólną teorię względności, została ona potwierdzona przez obserwacje astronomiczne. Już w 1911 r. Einstein przewidział, że promień światła gwiazdy, przelatując w pobliżu dużej masy – na przykład Słońca – ulega ugięciu. Ugięcie można zaobserwować porównując położenie gwiazdy na niebie, gdy leży z dala od Słońca i gdy jej promienie przelatują tuż obok Słońca. Z ogólnej teorii względności wynika, że kąt ugięcia powinien być dwa razy większy, niż przewiduje teoria klasyczna, w której przestrzeń uważamy za płaską.
Przewidywania Newtona i Einsteina można porównać, obserwując położenie gwiazd podczas zaćmienia Słońca. Pierwsze próby zakończyły się niepowodzeniem, ale w 1919 r. za namową astronoma Arthura Eddingtona wyruszyły dwie ekspedycje angielskie, jedna do Brazylii, a druga na Wyspę Książęcą, u wybrzeży Afryki Zachodniej. Wyniki były jednoznaczne: analiza zdjęć dowiodła, że położenie gwiazd jest zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Einstein uzyskał z dnia na dzień międzynarodową sławę. 7 listopada 1919 r. londyński „Times” ogłosił: „Rewolucja w nauce. Nowa teoria wszechświata. Idee Newtona obalone”. Dwa dni później swoją własną wersję wydarzeń przedstawił „New York Times”.
Późniejsze badania Einsteina – poszukiwanie jednolitej teorii pola, która łączyłaby teorię ciążenia z teorią elektromagnetyzmu – nie doprowadziły do jasnych wyników. Wydaje się, że zachował przekonanie o istnieniu jakiejś ostatecznej rzeczywistości, czemu zaprzeczała teoria kwantów, do której powstania wniósł poważny wkład swymi pracami, m.in. na temat fotonów i zjawiska fotoelektrycznego. Prowadził wieloletnią dyskusję z Nielsem Bohrem, kiedy to napisał: „Nadal wierzę w możliwość [opracowania] modelu rzeczywistości – to znaczy teorii, która opisuje rzeczy, a nie jedynie prawdopodobieństwo ich występowania”. Mniej więcej po 1928 r., w szczytowym okresie rozwoju teorii kwantów, czas dominacji Einsteina w jej rozwoju dobiegł końca.
W 1933 r. książki Einsteina znalazły się wśród książek palonych w Berlinie przez hitlerowców. Jego osobisty majątek skonfiskowano, a wkrótce potem Einstein opuścił Niemcy i wyemigrował do Stanów Zjednoczonych. Otrzymał dożywotnie stanowisko w Instytucie Studiów Zaawansowanych w Princeton. W obliczu narastającego zagrożenia zarzucił swoje pacyfistyczne przekonania i w 1939 r., jakkolwiek ociągając się, napisał list do Franklina Roosevelta, w którym zalecał podjęcie prac nad budową bomby atomowej. Nie uczestniczył w pracach przy projekcie bomby również dlatego, że uważano, iż jego lewicowe sympatie mogą zagrażać bezpieczeństwu prac. Po wojnie Einstein był rzecznikiem rozbrojenia nuklearnego. Nie stał się patriotą amerykańskim, był przeciwny prowadzonym w latach pięćdziesiątych przesłuchaniom w Kongresie na temat tzw. działalności antyamerykańskiej. W 1952 r. nie zgodził się objąć stanowiska prezydenta Izraela, choć była to jedynie funkcja honorowa.
Późniejsza kariera Einsteina wiąże się z jego ogromnym prestiżem. Stał się osobą publiczną, był pożądany jako mówca na publicznych zgromadzeniach. Out of My Later Years, jedna z jego popularnych, często wznawianych książek zawiera artykuły na najrozmaitsze tematy, takie jak socjalizm, stosunki między białymi a czarnymi czy upadek moralny. Einstein podobnie jak Freud, z którym korespondował, głosił polityczne i społeczne poglądy zgodne z liberalnym duchem tego okresu. Jego eseje nadal godne są uwagi. Często cytuje się powiedzenie Einsteina: „Bóg nie gra w kości”. Odnosi się ono do statystyki kwantowej. Einstein był agnostykiem. Na pytanie, czy wierzy w Boga, odpowiedział: „Nie można o to pytać kogoś, kto z coraz większym zadziwieniem próbuje zbadać i zrozumieć nadrzędny porządek wszechświata”.
Trudno scharakteryzować osobowość Einsteina, zwłaszcza z lat późniejszych, gdy prowadził na ogół życie samotnicze. Nie wypowiadał swoich uczuć w stosunku do innych ludzi, choć skłonny był do wyrażania swego głębokiego oddania ludzkości. W okresie największej sławy ciężkim przeżyciem stał się dla niego rozwód z pierwszą żoną, Milevą Marić z którą miał dwóch synów. Jeden z nich cierpiał na schizofrenię. Jego córeczka, która urodziła się jeszcze przed małżeństwem, została oddana do adopcji. Ożenił się po raz drugi z Elsą Lowenthal, daleką kuzynką, która zmarła w 1936 r.
11 kwietnia 1953 r., w proteście przeciw zbrojeniom jądrowym, Albert Einstein podpisał pacyfistyczny manifest rozpowszechniany przez Bertranda Russella. Kilka dni później doznał pęknięcia tętniaka aorty, ale mimo to jego życie nie było bezpośrednio zagrożone. Nie zgodził się na operację, mówiąc: „Chcę odejść wtedy, kiedy sam zechcę. Sztuczne przedłużanie życia jest niesmaczne”. Zmarł spokojnie 18 kwietnia 1955 r.
