Альберт Эйнштейн: биография, теория относительности и научное наследие

Альберт Эйнштейн считается одним из самых влиятельных физиков современной эпохи. Всемирное признание он получил прежде всего благодаря теории относительности и установлению эквивалентности между массой и энергией, выраженной знаменитым уравнением E = mc², где E — энергия, m — масса, а c — скорость света. В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэффекта». Его ключевые интеллектуальные достижения включают специальную теорию относительности, успешно объединившую механику с электромагнетизмом, и общую теорию относительности, которая создала всеобъемлющую основу для понимания гравитации и неравномерного движения. Помимо этих знаковых теорий, учёный внёс новаторский вклад в космологию, квантовую теорию, теорию света и излучения, а также в единую теорию поля, написав за свою карьеру более 300 научных и 150 ненаучных работ.

Альберт Эйнштейн, изображённый пишущим уравнение для плотности галактики Млечный Путь в Институте Карнеги, штаб-квартира обсерватории Маунт-Уилсон, Пасадена, Калифорния, 14 января 1931 года

Ранние годы жизни и семейное положение. Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в королевстве Вюртемберг (Германская империя) в еврейской семье Германа Эйнштейна и Паулины (Кох) Эйнштейн. Его отец работал инженером и продавцом; в 1880 году семья переехала в Мюнхен, где Герман вместе с братом основал компанию по производству электротоваров. Решающий момент в детстве Эйнштейна наступил в пятилетнем возрасте, когда отец подарил ему компас: юный Альберт пришёл к убеждению, что некая невидимая сила в космосе влияет на движение стрелки, и этот опыт глубоко повлиял на его интеллектуальную любознательность. Он развил страсть к созданию моделей и механических устройств, демонстрируя исключительные математические способности с ранних лет.

В десятилетнем возрасте Макс Талмуд, студент-медик, познакомил Эйнштейна с основополагающими текстами по классической науке, математике и философии, включая «Начала» Евклида, которые Эйнштейн любовно называл «маленькой священной книгой по геометрии». К двенадцати годам он освоил евклидову геометрию и перешёл к изучению бесконечно малого исчисления. В раннем подростковом возрасте Эйнштейн разочаровался в жёсткой учебной программе по электротехнике в гимназии Луитпольда и вместо этого стал искать более творческие интеллектуальные занятия. После краха бизнеса отца в 1894 году семья переехала в Милан, а затем в Павию (Италия). В возрасте пятнадцати лет Эйнштейн написал свою первую научную работу «Исследование состояния эфира в магнитных полях», которую отправил дяде Касару Коху.

Оставив Мюнхен без получения аттестата, Эйнштейн попытался поступить в Швейцарский федеральный технологический институт (ETH) в Цюрихе, но провалил вступительные экзамены. Семья устроила его на обучение в Арау (Швейцария) под руководством профессора Йоста Винтелера, где у Эйнштейна завязались романтические отношения с дочерью профессора Мари Винтелер (1895–1901). Завершив учёбу в семнадцать лет, он отказался от немецкого гражданства, чтобы избежать военной службы, и переехал в Цюрих, где успешно поступил на математический факультет ETH. Там он познакомился с Милевой Марич — сербкой, единственной женщиной, изучавшей математику в этом заведении. Эйнштейн окончил университет в 1900 году со степенью по физике, опубликовал работу о капиллярных силах, а в 1901 году получил швейцарское гражданство.

Эйнштейн женился на Милеве Марич в 1903 году, хотя в 1902 году у них родилась умственно отсталая дочь, судьба которой осталась неизвестной (вероятно, она умерла от скарлатины в 1903 году или была удочерена подругой семьи Марич Хелен Савич). У супругов родилось двое сыновей: Ганс Альберт Эйнштейн (14 мая 1904, Берн) и Эдуард Эйнштейн (28 июля 1910, Мюнхен). Прожив раздельно пять лет, Эйнштейн и Марич развелись 14 февраля 1919 года. 2 июня 1919 года учёный женился на своей двоюродной сестре Эльзе, вместе они воспитывали дочерей Эльзы от предыдущего брака; собственных детей у пары не было.

Начало карьеры и «Год чудес». После окончания ETH Эйнштейн не смог получить университетскую преподавательскую должность и в 1902 году устроился в патентное бюро в Берне, где оценивал заявки на электромагнитные устройства. В этот период он вместе с друзьями создал дискуссионный кружок для изучения научных и философских тем. Работа в патентном бюро оказалась интеллектуально значимой: многие патенты касались синхронизации электрических и механических сигналов, что породило вопросы о фундаментальной природе света и взаимосвязи пространства и времени.

Работая в патентном бюро, Эйнштейн опубликовал четыре новаторские статьи в журнале Annalen der Physik, которые позже стали известны как «Год чудес» (annus mirabilis) из-за их глубокого значения. Первая статья была посвящена дискретной природе света, где фотоэлектрический эффект объяснялся с помощью концепции, что свет ведёт себя как дискретные кванты энергии. Вторая работа рассматривала броуновское движение, демонстрируя, что случайное перемещение мелких частиц является результатом молекулярных взаимодействий, что подтвердило атомную теорию. В третьей статье Эйнштейн представил специальную теорию относительности, установив, что скорость света остаётся постоянной независимо от движения наблюдателя. Четвёртая работа вывела эквивалентность массы и энергии через уравнение E = mc², предвещая развитие ядерной энергетики. Хотя современная наука считает эти труды монументальными, в то время физическое сообщество в значительной степени игнорировало их. В 26 лет Эйнштейн получил степень доктора философии в ETH под руководством Альфреда Кляйнера, представив диссертацию «Новое определение размеров молекул».

Более поздний научный вклад и общая теория относительности. В 1908 году Эйнштейн получил первую академическую должность в Бернском университете в звании приват-доцента. В работе 1910 года о критической опалесценции он объяснил рассеяние света атмосферными молекулами, что дало ответ на вопрос, почему небо выглядит голубым. Продолжая развивать квантовую теорию, он опубликовал две статьи, в том числе «Развитие наших взглядов на состав и сущность излучения», где установил корпускулярно-волновой дуализм света — фундаментальную концепцию квантовой механики.

В 1911 году Эйнштейн стал адъюнкт-профессором Цюрихского университета, а затем быстро перешёл на должность полного профессора Карлова университета в Праге. Из Праги он опубликовал исследование о влиянии гравитации на свет, включая явление гравитационного красного смещения, позже подтверждённое во время солнечного затмения. Вернувшись в ETH полным профессором в 1912 году, Эйнштейн сосредоточился на теории гравитации, кульминацией которой стала публикация общей теории относительности в 1915 году. Эта теория переосмыслила гравитацию как искажение пространства-времени материей, которое затем влияет на инерционное движение других тел.

Когда в 1914 году разразилась Первая мировая война, Милева Марич переехала в Цюрих, а Эйнштейн — в Берлин. Он вступил в Прусскую академию наук, стал профессором Университета Гумбольдта и с 1914 по 1932 год занимал пост директора Физического института кайзера Вильгельма. Он также получил должность экстраординарного профессора в Лейденском университете, регулярно читая лекции в Нидерландах в 1920–1930 годах. В 1917 году Эйнштейн ввёл космологическую постоянную в уравнения общей теории относительности для объяснения поведения Вселенной, хотя позже отказался от этой концепции; десятилетия спустя наблюдения 1990-х годов показали, что его первоначальная интуиция могла быть верной. В 1917 году различные астрономические группы пытались опровергнуть его предсказания гравитационного красного смещения, однако в 1919 году британский астроном Артур Эддингтон подтвердил гравитационное отклонение звёздного света Солнцем во время солнечного затмения. Это принесло Эйнштейну всемирную славу, а британский нобелевский лауреат Пол Дирак назвал теорию Эйнштейна «величайшим научным открытием, когда-либо сделанным».

Нобелевская премия и единая теория поля. В 1921 году Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэффекта». В премии была отмечена его работа «Об эвристической точке зрения на возникновение и преобразование света», в то время как теория относительности была названа противоречивой. Ранее в том же году во время визита в Нью-Йорк Эйнштейн сформулировал свою научную философию: научный прогресс достигается путём изучения физической реальности и выявления основополагающих аксиом, которые дают непротиворечивые и универсальные объяснения.

После получения Нобелевской премии и создания общей теории относительности Эйнштейн посвятил себя разработке единой теории поля, которая объединила бы электромагнетизм и гравитацию в единую согласованную структуру. Несмотря на постоянные усилия, он не достиг успеха в этом начинании — проблема остаётся нерешённой в современной физике. Со временем Эйнштейн становился всё более изолированным в научном сообществе, вступая в публичные дебаты с датским физиком Нильсом Бором о научном детерминизме и вероятностной природе квантовых явлений. Он игнорировал такие важные открытия, как сильные и слабые ядерные взаимодействия, однако его стремление к унификации продолжает влиять на современную физику через поиски великой объединяющей теории.

Последующие годы, изгнание и наследие. После назначения Адольфа Гитлера канцлером Германии в 1933 году нацистский режим уволил евреев и политически неблагонадёжных лиц с государственных должностей, включая профессорские посты. Эйнштейн, который активно участвовал в дискуссиях о науке, религии и создании государства Израиль, благоразумно покинул Германию в 1932 году и поселился в Соединённых Штатах. Он некоторое время работал в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, а затем поступил в Институт перспективных исследований в Принстоне (Нью-Джерси). После смерти жены Эльзы в 1936 году Эйнштейн продолжил работу в институте, одновременно помогая европейским евреям получать визы для бегства от нацистских преследований и содействуя созданию Международного комитета спасения.

В Германии физики Филипп Ленард и Йоханнес Штарк возглавили кампанию по дискредитации работ Эйнштейна как «еврейской физики», пытаясь приписать его открытия арийским учёным. Став гражданином США, Эйнштейн совместно с физиком Лео Сцилардом, венгерским евреем-беженцем, убедил президента Франклина Рузвельта разработать атомное оружие раньше, чем это сделает Германия. К 1942 году эта инициатива переросла в Манхэттенский проект, в рамках которого к 1945 году было создано действующее ядерное оружие. После бомбардировок Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 года, унёсших около 220 000 жизней и завершивших Вторую мировую войну, Эйнштейн публично заявил, что непосредственно не работал над проектами атомной бомбы, и выразил сожаление по поводу своего письма Рузвельту.

Эйнштейн был госпитализирован в Принстонскую больницу 17 апреля 1955 года с внутренним кровотечением, вызванным разрывом аневризмы аорты. Он привёз с собой речь, подготовленную к седьмой годовщине основания Израиля, но умер на следующее утро в возрасте 76 лет. Перед кремацией патологоанатом больницы извлёк мозг Эйнштейна без разрешения семьи, что привело к его увольнению. Мозг был законсервирован и разделён на части; образцы розданы исследователям, включая доктора Мэриан Даймонд из Калифорнийского университета в Беркли, а также учёным из Принстонского университета и Университета Макмастера в Гамильтоне (Онтарио, Канада).

Для дальнейшего чтения: Эйнштейн, Альберт. «Выводы, сделанные на основе феномена капиллярности». Annalen der Physik, 4 (1901): 513.
Эйнштейн, Альберт. «Об эвристическом подходе к получению и преобразованию света». Annalen der Physik, 17 (1905): 132–148.

Эйнштейн, Альберт. «Новое определение размеров молекул». Докторская диссертация. ETH Цюрих, 1905.
Эйнштейн, Альберт. «О движении, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты, мелких частиц, взвешенных в неподвижной жидкости». Annalen der Physik, 17 (1905): 549–560.
Эйнштейн, Альберт. «Об электродинамике движущихся тел». Annalen der Physik, 17 (1905): 891–921.

Эйнштейн, Альберт. «Зависит ли инерция тела от содержания в нём энергии?» Annalen der Physik, 18 (1905): 639–641.
Эйнштейн, Альберт. «Космологические аспекты общей теории относительности». Прусская академия наук (1917).
Эйнштейн, Альберт. «Основные идеи и проблемы теории относительности». Нобелевские лекции по физике, 1901–1921. Амстердам: Elsevier, 11 июля 1923. URL: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/einstein-lecture.pdf (дата обращения: 20 ноября 2008).

Эйнштейн, Альберт. «Причина образования извилин речных русел и закон Бэра». Die Naturwissenschaften 14 (1926): 223–224.
Эйнштейн, Альберт. «О науке и религии». Nature 146 (1940): 605.
Эйнштейн, Альберт. «Об общей теории тяготения». Scientific American 182, № 4 (1950): 13–17.
Нобелевский фонд. «Нобелевская премия по физике 1921 года». URL: http://nobelprize.org/physics/laureates/1921/ (дата обращения: 22 ноября 2008).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.