Άλμπερτ Αϊνστάιν: Ο Φυσικός που άλλαξε την αντίληψη μας για τον χώρο και τον χρόνο

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν (γερμανική γλώσσα: Albert Einstein, ορθός τονισμός Άινσταϊν, Ουλμ, 14 Μαρτίου 1879 – Πρίνστον, 18 Απριλίου 1955) ήταν Γερμανός φυσικός εβραϊκής καταγωγής, ο οποίος βραβεύτηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1921 για τις υπηρεσίες του στον κόσμο της φυσικής. Είναι ο θεμελιωτής της Θεωρίας της Σχετικότητας και από πολλούς θεωρείται ο σημαντικότερος επιστήμονας του 20ού αιώνα και ένας απ’τους μεγαλύτερους όλων των εποχών. Εξέδωσε πάνω από 300 επιστημονικές δημοσιεύσεις, καθώς και 151 συγγράμματα για το ευρύ κοινό.

Είναι πιο γνωστός στο ευρύ κοινό ιδιαίτερα για τον τύπο του E=mc² που αναφέρεται από πολλούς ως «η πιο διάσημη εξίσωση στη φυσική».

Η επίδραση των ανακαλύψεων του Αϊνστάιν σχετικά με την φύση του χώρου και του χρόνου, εξακολουθεί να αποτελεί κεντρικό αντικείμενο της επιστημονικής έρευνας σε φυσική, κοσμολογία, και μαθηματικά, ενώ το επώνυμο του χρησιμοποιείται συχνά ως χαρακτηρισμός για να δηλώσει πως κάποιος έχει υψηλή ευφυΐα.

Βιογραφικά στοιχεία
Γεννήθηκε στο Ουλμ (Ulm) της Γερμανίας. Σπούδασε στo ETH Ζυρίχης (Πολυτεχνική Ακαδημία της Ζυρίχης) στην Ελβετία όπου ολοκλήρωσε με επιτυχία τέσσερα χρόνια σπουδών στη Φυσική. Μετά την αποφοίτησή του, το 1900, πήρε την ελβετική υπηκοότητα, εργάστηκε για δύο μήνες ως καθηγητής μαθηματικών και τελικά προσλήφθηκε ως εξεταστής στο Ελβετικό Γραφείο Ευρεσιτεχνιών στη Βέρνη. Το 1921 τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ «για τη συμβολή του  στη θεωρητική φυσική, και για την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου». Το 1940 πολιτογραφήθηκε Αμερικανός.

Το 1952 του προτάθηκε η προεδρία του νεοσύστατου τότε κράτους του Ισραήλ, την οποία αρνήθηκε για διάφορους λόγους.

Απεβίωσε στο Πρίνστον του Νιού Τζέρσεϊ στις 18 Απριλίου του 1955.

Έργο
Στα πρώτα 15 χρόνια του 20ού αιώνα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ανέπτυξε μια σειρά από θεωρίες που διακήρυξαν, για πρώτη φορά, την ισοδυναμία της μάζας προς την ενέργεια ενώ ταυτόχρονα έδωσαν εντελώς νέο περιεχόμενο στις έννοιες του χώρου, του χρόνου και της βαρύτητας. Οι θεωρίες αυτές ήταν κατ’ ουσίαν μια βαθιά αναθεώρηση της παλαιάς Νευτώνειας Φυσικής και αποτέλεσαν επανάσταση για την επιστημονική αλλά και φιλοσοφική έρευνα.

Το 1905 δημοσίευσε τέσσερα άρθρα στο γερμανικό επιστημονικό περιοδικό Χρονικά της Φυσικής (Annalen der Physik) (τόμος 17) καθώς και τη διατριβή με την οποία απέκτησε το διδακτορικό του δίπλωμα από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης. Στο πρώτο από τα τέσσερα άρθρα έδωσε την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, για την οποία του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ το 1921.

Στηρίχθηκε στην υπόθεση της κβάντωσης η οποία είχε εισαχθεί μερικά χρόνια νωρίτερα από τον Μαξ Πλανκ για τη ερμηνεία της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος.

Οι δύο αυτές εργασίες των Πλανκ και Αϊνστάιν αποτέλεσαν την αρχή της κβαντικής μηχανικής.

Αργότερα ο Αϊνστάιν εναντιώθηκε στη θεωρία των κβάντων, γιατί δεν μπορούσε να πιστέψει ότι οι νόμοι της φυσικής μπορούν να εμπεριέχουν τυχαιότητα. Με τα δικά του λόγια: «Δεν μπορώ να πιστέψω ότι ο Θεός παίζει ζάρια με τον κόσμο».

Στο δεύτερο άρθρο του ασχολήθηκε με την κίνηση Μπράουν. Η κίνηση Μπράουν είναι η τυχαία κίνηση μικροσκοπικών κόκκων στερεού σε ένα σώμα υγρού (π.χ. γύρη σε νερό). Ο Αϊνστάιν υποστήριξε ερμηνεύοντας από στατιστικής πλευράς τα πειραματικά δεδομένα ότι αυτή η κίνηση οφείλεται σε συγκρούσεις των κόκκων με τα μόρια του υγρού.

Στο τρίτο από τα άρθρα που δημοσίευσε το 1905 διατύπωσε την θεωρία του για την κίνηση του φωτός. Υποστήριξε ότι η ταχύτητα της κίνησης είναι ανεξάρτητη από την κίνηση του πομπού και του δέκτη και σταθερή για δεδομένο μέσο διάδοσης (π.χ. κενό, νερό, γυαλί). Στο τέταρτο έδειξε ότι από αυτό συνάγεται η ισοδυναμία μάζας και ενέργειας, δίνοντας τον διάσημο τύπο E=mc^2. Τα δύο αυτά άρθρα αποτελούν τον πυρήνα της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας. Από πλευράς φυσικών φαινομένων, η ισοδυναμία μάζας και ενέργειας δηλώνει ότι η μάζα είναι δυνατόν να μετατραπεί σε ενέργεια και το αντίστροφο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα η περίπτωση της πυρηνικής ενέργειας όπου έχουμε μείωση ή αύξηση μάζας στους πυρήνες των ατόμων και ανάλογη έκλυση ή απορρόφηση ενέργειας από αυτούς μέσω των φαινομένων της πυρηνικής διάσπασης και της πυρηνικής σύντηξης.

E=mc2

E=mc2 είναι η διάσημη εξίσωση του Einstein η οποία υποδηλώνει ότι η μάζα (m) είναι ισοδύναμη με την ενέργεια (E). Η αναγνώριση ότι οι δύο αυτές ποσότητες σχετίζονται αποτελεί απόρροια της ευφυίας του Einstein. Το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός έρχεται στην εξίσωση για να μας πει πόση ακριβώς ενέργεια αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ποσότητα μάζας.

Στον κόσμο τον υποατομικών διεργασιών, οι μάζες των σωματιδίων μπορούν να μετασχηματίζονται σε ενέργεια υπό την μορφή φωτός, θερμότητας ή κίνησης. Παρομοίως, η ενέργεια μπορεί επίσης να μετατρέπεται σε μάζα. Οι επιταχυντές σωματιδίων εκμεταλλεύονται αυτήν την ιδέα οθώντας σε σύγκρουση ταχέως κινούμενα σωματίδια. Οι υψηλές ενέργειες αυτών των συγκρούσεων μετατρέπονται σε νέα σωματίδια, τα οποία μπορούν να έχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα από την αντίστοιχη των σωματιδίων που συγκρούστηκαν αρχικά.

Η μετατροπή της μάζα σε ενέργεια είναι ο στόχος των επιστημόνων στην διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης. Κατά τη σύντηξη πρωτονίων και νετρονίων δημιουργείται πυρήνας με μάζα μικρότερη από τις μάζες των συστατικών του. Αυτό το έλλειμα μάζας εμφανίζεται ως ενέργεια, η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί — κατ’ αρχήν — ως ωφέλιμη ισχύ: E=mc2!

Η δυνατότητα μετατροπής Μάζας-Ενέργειας έχει εκτεταμένες συνέπειες.Η μηχανή του αυτοκινήτου σας τροφοδοτείται από ορυκτά καύσιμα,τα οποία προέρχονται από προϊστορικά φυτά. Τα φυτά πήραν την ενέργεια τους από το ηλιακό φως, το οποίο παρήχθει από πυρηνική σύντηξη στον ήλιο. Έτσι, το αυτοκίνητο σας και σχεδόν όλες οι άλλες δραστηριότητες στην Γη τελικώς τροφοδοτούνται από την E=mc2

Γενική Θεωρία της Σχετικότητας

Τον Νοέμβριο του 1915, ο Αϊνστάιν παρουσίασε τη γενική θεωρία της σχετικότητας σε μία σειρά διαλέξεων ενώπιον της Πρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. Σύμφωνα με αυτήν η ελκτική δύναμη της βαρύτητας διαδίδεται στο χώρο με την ταχύτητα του φωτός και επηρεάζει οτιδήποτε υπάρχει στο χώρο, ακόμα και τις ακτινοβολίες. Το τελευταίο καθιστά δυνατή την ύπαρξη μελανών οπών, φαινόμενο που παρατηρήθηκε πολύ αργότερα. Το 1919, κατά τη διάρκεια μίας ηλιακής έκλειψης, ο σερ Άρθουρ Έντινγκτον (Eddington) παρακολούθησε το φως αστέρων καθώς αυτοί περνούσαν κοντά από τον ήλιο. Αυτό ήταν βεβαίως δυνατό γιατί η σελήνη κάλυπτε το φως του ήλιου, με αποτέλεσμα ο ουρανός να είναι αρκετά σκοτεινός. Οι μετρήσεις του έδειχναν απόκλιση της θέσης των αστεριών όταν βρισκόταν κοντά στον ήλιο, σε σχέση με τη θέση που είχαν τη νύχτα. Η απόκλιση αυτή συμφωνούσε με την προβλεπόμενη από τη γενική θεωρία της σχετικότητας απόκλιση λόγω καμπύλωσης του φωτός των αστεριών από το ισχυρό βαρυτικό πεδίο του ήλιου. Αυτό απετέλεσε την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της καινούργιας θεωρίας για τη βαρύτητα και έκανε τον Αϊνστάιν παγκοσμίως γνωστό.

Το 2016 επιβεβαιώθηκε επιτυχώς μέσω επιστημονικών πειραμάτων η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων τα οποία προβλέπονται από τη θεωρία της σχετικότητας.

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έδωσε μία συσχέτιση της Καμπύλωσης του χώρου και στην πραγματικότητα.

Στη Φυσική, ο χωροχρόνος ή χωροχρονικό συνεχές είναι το μαθηματικό μοντέλο που ενώνει τον χώρο και τον χρόνο σε μία συνέχεια. Ο χωροχρόνος συνήθως ερμηνεύεται ως συνδυασμός του ευκλείδειου χώρου τριών διαστάσεων με τον χρόνο ως μια επιπρόσθετη διάσταση, οπότε προκύπτει ένα πολύπτυχο μόρφωμα (manifold) τεσσάρων διαστάσεων. Η τέταρτη διάσταση, αυτή του χρόνου, είναι διαφορετική από τις άλλες τρεις που αφορούν μήκος στον ευκλείδειο χώρο.

Στην Κλασική μηχανική σε χαμηλές (μη σχετικιστικές) ταχύτητες, η χρήση της ευκλείδειας γεωμετρίας είναι κατάλληλη καθώς ο χρόνος μπορεί να παραλείπεται από τη μαθηματική περιγραφή των υπό εξέταση συστημάτων, αφού είναι ο ίδιος παντού για τα αντικείμενα και τον παρατηρητή. Όταν όμως μελετούμε σχετικιστικές κινήσεις των σωμάτων, όταν δηλαδή έχουμε ταχύτητες που προσεγγίζουν την ταχύτητα του φωτός, τότε ο χρόνος δεν μπορεί να παραλειφθεί από τη μαθηματική περιγραφή και το σημείο στον χώρο ανάγεται πια σε γεγονός στον χωροχρόνο. Όταν μελετούμε σχετικιστικά φαινόμενα, προσπαθώντας να τα κατανοήσουμε με ευκλείδεια γεωμετρία σε χώρο τριών διαστάσεων, ο χρόνος αλλοιώνεται, καθώς παίζει ρόλο η ταχύτητα του σώματος που μελετάται ως προς τον παρατηρητή και η επίδραση της βαρύτητας φαίνεται να επιβραδύνει το «πέρασμα του χρόνου». Κοιτώντας σε τέσσερις διαστάσεις, απλά λέμε πως ο χωροχρόνος «καμπυλώνει».

Ο χωροχρόνος με τέσσερις διαστάσεις καλύπτει επαρκώς την περιγραφή των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων των σωμάτων στο σύμπαν που παρατηρούμε και βιώνουμε. Μια θεωρία που προσπαθεί να ενοποιήσει όλες τις δυνάμεις όμως χρειάζεται περισσότερες διαστάσεις για να περιγράψει ενοποιημένα και τις δυνάμεις πλέον της βαρύτητας, όπως τις δυνάμεις που κυριαρχούν σε υποατομικό επίπεδο. Έτσι, έχουμε για παράδειγμα τη Θεωρία-M η οποία προσδίδει στο χωροχρονικό συνεχές 11 διαστάσεις.

Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο.

Η προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στα αριστερά εξάγει ηλεκτρόνια από την επιφάνεια του μετάλλου δεξιά.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια κβαντική διεργασία κατά την οποία απελευθερώνονται ηλεκτρόνια από μια επιφάνεια αγωγού όταν προσπέσει σε αυτή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας τέτοιας ώστε τα ηλεκτρόνια να κατορθώσουν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικής ενέργειας που τα συγκρατεί στην επιφάνεια αυτή. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα.

Εφαρμογές του φωτοηλεκτρικού φαινομένου απαντώνται στα φωτοκύτταρα ή φωτοστοιχεία, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, τα ηλιακά στοιχεία κ.ά.

Προσωπική ζωή
Το 1903 παντρεύτηκε την συμφοιτήτριά του Μίλεβα Μάριτς, με την οποία απέκτησε δύο παιδιά, τον Χανς Άλμπερτ και τον Έντουαρτ, ενώ είχε αποκτήσει με την ίδια και μια κόρη τη Λίζερλ, η τύχη της οποίας αγνοείται. Το 1919, μετά το διαζύγιό του με την Μίλεβα, παντρεύτηκε την ξαδέλφη του, Έλσα. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Άλμπερτ Αϊνστάιν στο συμφωνητικό του διαζυγίου είχε υποσχεθεί στην πρώτη σύζυγό του, Μίλεβα Μάριτς, ότι θα της έδινε τα χρήματα που θα εξασφάλιζε από το βραβείο Νόμπελ, προκειμένου να χρησιμοποιηθούν γι’ αυτήν και για την ανατροφή των παιδιών τους.

Εκτός από την αγάπη του για τη φυσική, αγαπούσε επίσης και τη μουσική καθώς έπαιζε βιολί.

Ο Αϊνστάιν υπήρξε υπέρμαχος του σοσιαλισμού και φανατικός επικριτής του καπιταλισμού. Στο βιβλίο του Γιατί Σοσιαλισμός; εκφράζει τις πολιτικές του πεποιθήσεις.

Θάνατος του Αϊνστάιν
Όταν ο Αϊνστάιν πέθανε το 1955, οι επιστήμονες θέλησαν να μάθουν τι ήταν αυτό που τον έκανε τόσο έξυπνο. Επομένως αφαίρεσαν τον εγκέφαλο του, για να τον μελετήσουν και ανακάλυψαν πως το τμήμα του εγκεφάλου που ευθύνεται για τα μαθηματικά ήταν ασυνήθιστα μεγάλο στο δικό του μυαλό.