VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Природа познаваема и ее законы красивы.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность. Физика – одна из величайших и важнейших наук, для человека. Она присутствует в любых сферах жизни. Не редко открытия в физике меняют историю. Поэтому великие ученые и их открытия, по прошествии лет все также значимы для людей. Их работы актуальны и по сей день. Без этих уникальных открытий общество не достигло бы таких высот в развитие науки и изобретения новых, а на данный момент обыденных нам технологий. Без них эволюция человечества могла застрять где-нибудь в древности. Важно знать великих ученых: Исаака Ньютона, Альберта Эйнштейна, Галилео Галилей Макс Планк, Джон Дальтон, Нильса Бора, и множество других ученых давших нам все эти знания.В последние годы, к сожалению, значимость ученых сильно упала, но всё равно без науки человек бы не смог двигаться вперёд, к прогрессу. Без учёных мы бы не видели такого светлого будущего, как сейчас. Мало кто знает о науке: практически никто не может назвать имена известных ученых— хотя они выдающиеся.
Цель работы: познакомиться и проанализировать работы и открытия Эйнштейна.
Для достижения поставленной цели выдвинуть следующие задачи:
Изучить источники информации по данной теме
Познакомиться с биографией и с открытиями учёного А. Эйнштейна
2.1.Теория относительности
2.2.Специальная теория относительности
2.3. Общая теория относительности
2.4.Квантовая теория
3.Изучить влияние открытий Эйнштейна на развитие наук
1.Биография Альберта Эйнштейна
Р исунок 1. Альберт Эйнштейн.
Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года. В южно-германском городе Ульме, в небогатой еврейской семье. Одно из исторических совпадений: если Ньютон родился в год смерти Галилея, как бы перенимая у него научную эстафету, то Эйнштейн родился в год смерти Максвелла.
Альберт Эйнштейн хорошо занимался в школе, а по некоторым предметам значительно опережал сверстников. В то время очень развитый ум Альберта в немецкой школе были слишком вызывающими, и поэтому если быть откровенным, то многие учителя не любили его.Учёный Эйнштейн укреплял уверенность в себе каждой, даже маленькой победой, которая преподносилась им, как огромная. Он хотел, чтобы близкие в нем не сомневались. Человеком он был оптимистичным. Физик часто держал в голове свой будущий блестящий образ. Он верил, в то что получит Нобелевскую премию, что сейчас является одной из престижнейших премий в области науки и искусства. При разводе с первой женой, ученый пообещал отдать ей всю шведскую награду в качестве отступного. А получил он ее только через десять добрых лет. Но жена ни на минуту не усомнилась и согласилась на развод.
В 1905 в журнале «Annalen der Physik» вышли работы Эйнштейна, принесшие ему мировую славу. С этого исторического момента пространство и время навсегда перестали быть тем, чем были прежде (специальная теория относительности), квант и атом обрели реальность (фотоэффект и броуновское движение), масса стала одной из форм энергии.
В 1921 ему присудили Нобелевскую премию за открытие закона фотоэлектрического эффекта. Но самое важное достижение величайшего ученого в истории — теория относительности, которая наряду с квантовой механикой формирует базис современной физики. Он также сформулировал отношение эквивалентности массовой энергии E=m, который назван как самое известное уравнение в мире.
Эйнштейн сам по себе физик выдающийся, он старался не ограничивать себя одной лишь наукой. Он активно воспринимал мир в других областях. В результате, он стал одним из основателей движения учёных, выступающих за разоружение во всём мире. Альберт также любил проявлять себя в искусстве: играть на скрипке, читать Достоевского. Альберт Эйнштейн стал известен благодаря своей теории относительности. В ней говорится, что всё в нашей вселенной двигается и все движения связаны и сопоставимы. Учёный сам разработал метод, как измерения скорости движения объектов, используя три измерения пространства - длину, высоту, ширину, ко всему этому он добавил четвертое измерение - время.[2]
2.Теория относительности.
Рисунок 2. Формула теории относительности Эйнштейна.
Теория относительности Эйнштейна (в соответствии с рисунком 2) внесла большой вклад в философию.
Особенно это было сказано в теории восприятия мира и вселенной. Создание теории относительности даже вне деления на ОТО- общая теория относительности, СТО- специальная теория относительности, развернули развитие физики и науки на совершенно другой путь. Эйнштейн принципиально изменил восприятие времени и пространства, создавая новый взгляд на время как на элемент системы. ОТО и СТО задали направление развитию современной физики, в том числе и астрофизики, сделав на основе сегодняшней науки. Принципиально новый взгляд на создание мира не только объединил несколько основополагающих и противоречащих друг другу физических теорий, но также он применил законы динамики и электромагнетизма. Эйнштейн объединил многие идеи своих предшественников. Достижение учёного спрятаны в перевороте сознания, в принципиально новой идее о восприятии времени, которую он подарил миру. видение времени Эйнштейна предполагалась как философская концепция, которая позволяла изменять мир, его восприятие, мысли о относительности одновременности, в том числе разные точки зрения времени текут по разному, для особых идей эта теория о наличии множества точек зрения может считаться новой и революционной. Иное восприятие мира становится только тогда когда изменяется сама теория, когда она заходит за рамки исключительно физических наук. ТО, это как индивидуальный продукт науки, он косвенно обосновала существование Бога, так как все относительно, все существующие силы, в том числе и человеческий разум, и в определенные моменты могут претендовать на это звание. Скорее всего, ТО она и стала той самой причиной появления религиозной философии и философии исихазма. (Исихазм - проповедует аскетический жизненный путь православного человека).[4]
Специальная теория относительности
Рисунок 3. Специальная теория относительности
В продолжительное время всего XIX века материальным носителем электромагнитных явлений считалась, что эта гипотетическая среда — эфир. Но всё же к началу XX века выяснилось, что некие свойства этой среды трудно согласовать с классической физикой . С одной стороны, аберрация света подталкивала на другие мысли, что эфир абсолютно неподвижен, с другой — опыт Физо свидетельствовал в пользу гипотезы, что эфир частично увлекается движущейся материей. Опыт Майкельсона, однако, показали, что всё таки никакого так называемого «эфирного ветра» не существует.
В 1892 году Лоренц и Джордж Френсис Фицджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Но всё же, оставался один открытый вопрос, почему длина сокращается в точности в такой пропорции, чтобы компенсировать «эфирный ветер» и не дать обнаружить существование эфира.
Рисунок 3. Уравнение Максвелла.
Другим серьёзным затруднением был тот факт, что уравнения Максвелла не соответствовали принципу относительности Галилея, несмотря на то, что электромагнитные эффекты зависят только от относительного движения. Был исследован вопрос, при каких преобразование координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор и Пуанкер. Они предложили назвать преобразования Лоренца.
Пуанкаре также дал обобщённую формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. Тем не менее он продолжал признавать эфир, хотя придерживался мнения, что его никогда не удастся обнаружить. В 1900 году было высказано предположение о предельности скорости света. Таким образом, в начале XX века существовали две несовместимые кинематике : классическая с преобразованиями Галилея, и электромагнитная, с преобразованиями Лоренца.
Эйнштейн, размышляя на эти темы и предположил, что первая (классическая с преобразованиями Галилея) есть приближенный случай. Вторая для малых скоростей, а то, что считалось свойствами эфира, есть на деле проявление объективных свойств пространства и времени. Эйнштейн пришёл к выводу, что нелепо привлекать понятие эфира только для того, чтобы доказать невозможность его наблюдения, и что корень проблемы лежит не в динамике, а глубже — в кинематике. Он предложил два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света; из них без труда выводятся лоренцево сокращение, формулы преобразования Лоренца, относительность одновременности, ненужность эфира, новая формула сложения скоростей, возрастание инерции со скоростью и т. д. В другой его статье, которая вышла в конце года, появилась и формула Е=mc2{\displaystyle E=mc^{2}}, определяющая связь массы и энергии.
Часть учёных сразу приняли эту теорию, которая позднее получила название «специальная теория относительности» (СТО); Планк и сам Эйнштейн построили релятивистскую термодинамику и динамику. Минковский, бывший учитель Эйнштейна, в 1907 году представил математическую модель кинематики теории относительности в виде геометрии четырёхмерного неевклидова мира и разработал теорию инвариантов этого мира.
Однако немало учёных сочли «новую физику» чересчур революционной. Она отменяла эфир, абсолютное пространство и абсолютное время, ревизовала механику Ньютона, которая 200 лет служила опорой физики и неизменно подтверждалась наблюдениями. Время в теории относительности течёт по-разному в разных системах отсчёта, инерция и длина зависят от скорости, движение быстрее света невозможно, возникает «парадокс близнецов» — все эти необычные следствия были неприемлемы для консервативной части научного сообщества. Дело осложнялось также тем, что СТО не предсказывала поначалу никаких новых наблюдаемых эффектов, а опыты Вальтера Кауфмана в 1905-1909 годах многие истолковывали как опровержение краеугольного камня СТО — принципа относительности (этот аспект окончательно прояснился в пользу СТО только в 1914-1916 годах).
Многие видные физики остались верными классической механике и концепции эфира, среди них Лоренц, Ленард, Лодж, Нерст. Но некоторые физики, например Лоренц, не отвергали результатов специальной теории относительности, а предпочитали смотреть на пространственно-временную концепцию Эйнштейна-Минковского как на чисто математический приём.[1]
Общая теория относительности.
Ещё Декарт объявил, что все процессы во Вселенной объясняются локальным взаимодействием одного вида материи с другим, и с точки зрения науки этот тезис близкодействия был естественным.
Но ньютоновская теория всемирного тяготения резко противоречила тезису близкодействия — в ней сила притяжения передавалась непонятным образом через совершенно пустое пространство, да ещё и бесконечно быстро. По существу ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания. На протяжении двух веков делались попытки исправить положение и избавиться от мистического дальнодействия, наполнить теорию тяготения реальным физическим содержанием, тем более что после Максвелла гравитации осталась единственным в физике пристанищем дальнодействия. Особенно неудовлетворительной стала ситуация после утверждения специальной теории относительности, так как теория Ньютона была несовместима с преобразованием Лоренца. Однако до Эйнштейна исправить положение никому не удалось.
Основная идея Эйнштейна была проста: материальным носителем тяготения является само пространство, а точнее пространство-время. Тот факт, что гравитацию можно рассматривать как проявление свойств геометрии четырёхмерного неевклидова пространства, без привлечения дополнительных понятий, есть следствие того, что все тела в поле тяготения получают одинаковое ускорение. Четырёхмерное пространство-время при таком подходе оказывается не «плоской и безразличной сценой» для материальных процессов, у него имеются физические атрибуты, и в первую очередь — метрика и кривизна, которые влияют на эти процессы и сами зависят от них. Если специальная теория относительности — это теория неискривлённого пространства, то общая теория относительности, по замыслу Эйнштейна, должна была рассмотреть более общий случай, пространство-время с переменной метрикой. Причиной искривления пространства-времени является присутствие материи, и чем больше её энергия, тем искривление сильнее. Ньютоновская же теория тяготения представляет собой приближение новой теории, которое получается, если учитывать только «искривление времени», то есть изменение временно́й компоненты метрики. Изменения метрики при движении тяготеющих масс, происходит с конечной скоростью. Дальнодействие с этого момента исчезает из физики.
Математическое оформление этих идей было достаточно трудоёмким и заняло несколько лет с 1907 по 1915 Эйнштейну пришлось овладеть обобщённым векторным анализом и создать его четырёхмерное псевдориманово обобщение (рисунок 4)
Рисунок 4 Четырёхмерное псевдориманово обобщение.
В этом ему помогли консультации и совместная работа сначала с Марселем Гроссманом, ставшим соавтором первых статей Эйнштейна по тензорной теории гравитации (рисунок 5)
Рисунок 5. Формулы тензорной гравитации.
А затем и с «королём математиков» тех лет, Давидом Гильбертом. В 1915 году уравнения поля общей теории относительности ( рисунок 6) Эйнштейна (ОТО), обобщающие ньютоновские, были опубликованы почти одновременно в статьях Эйнштейна и Гильберта.
Рисунок 6 Уравнения поля общей теории относительности.
После этого теория относительности стала практически общепризнанным фундаментом современной физики. Кроме астрофизики, ОТО нашла практическое применение, в системах глобального позиционирования (Global Positioning Systems, GPS), где расчёты координат производятся с очень существенными релятивистскими поправками.[4]
Квантовая теория.
Эйнштейн выдвинул тезис, что не только излучение, но и распространение и поглощение света дискретны; позднее эти кванты получили название фотонов. Этот тезис позволил ему объяснить две загадки фотоэффекта: почему фототок возникал не при всякой частоте света, а только начиная с определённого порога, зависящего только от вида металла, а энергия и скорость вылетающих электронов зависели не от интенсивности света, а только от его частоты. Теория фотоэффекта Эйнштейна с высокой точностью соответствовала опытным данным, что позднее подтвердили эксперименты Милликена.
Первоначально взгляды большинства физиков, встретили непонимание. Но постепенно, накопились опытные данные, убедившие скептиков в дискретности электромагнитной энергии. Последнюю точку в споре поставил эффект Комптона.
В 1907 году Эйнштейн опубликовал квантовую теорию теплоёмкости . (рисунок 7)
Рисунок 7 Формула квантовой теории теплоёмкости.
Позже в 1912 году Карман, Дебай и Борн уточнили теорию теплоёмкости Эйнштейна, и было достигнуто отличное согласие с опытом.
Броуновское движение
Хронологически первыми были исследования Эйнштейна по молекулярной физике (начало им было положено в 1902), посвященные проблеме статистического описания движения атомов и молекул и взаимосвязи движения и теплоты. В этих работах Эйнштейн пришел к выводам, существенно расширяющим результаты, которые были получены австрийским физиком Л.Больцманом и американским физиком Дж.Гиббсом. В центре внимания Эйнштейна в его исследованиях по теории теплоты находилось броуновское движение.
В1827 году Роберт Броун наблюдал под микроскопом и впоследствии описал хаотическое движение цветочной пыльцы, плававшей в воде. Эйнштейн, на основе молекулярной теории, разработал статистико-математическую модель подобного движения. На основании его модели диффузии можно было, помимо прочего, с хорошей точностью оценить размер молекул и их количество в единице объёма. Одновременно к аналогичным выводам пришёл Смолуховский, чья статья была опубликована на несколько месяцев позже статьи Эйнштейна. В 1905 году в статье,, О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты” он с помощью статистических методов показал, что между скоростью движения взвешенных частиц, их размерами и коэффициентами вязкости жидкостей существует количественное соотношение, которое можно проверить экспериментально и в этом же году Эйнштейн получил звание доктора философии по физике.[3]
Макс Брон писал: «Я думаю, что эти исследования Эйнштейна больше, чем все другие работы, убеждают физиков в реальности атомов и молекул, в справедливости теории теплоты и фундаментальной роли вероятности в законах природы». Выведенная им формула для коэффициента диффузии ( рисунок 9) и его связи с диспресией координат оказалась применимой в самом общем классе задач: марковские процессы диффузии, электродинамика и т. п.
Рисунок 9 Формула для коэффициента диффузии.
Закон броуновского движения Эйнштейна был полностью подтвержден в 1908 опытами французского физика Ж. Перрена. Работы по молекулярной физике доказывали правильность представлений о том, что теплота есть форма энергии неупорядоченного движения молекул. Одновременно они подтверждали атомистическую гипотезу, а предложенный Эйнштейном метод определения размеров молекул и его формула для броуновского движения позволяли определить число молекул.[5]
Заключение.
Я считаю, что Альберт Эйнштейн сделал очень большой вклад в развитие физики. Его имя вошло в перечень самых выдающихся людей XX столетия и одного из величайших учёных всех времён.
Эйнштейн обогатил физику. Он вывел множество формул таких как: формула мощности гравитационного излучения, формулу специальной теории относительности Е=mc2 .Он В 1909 году впервые рассмотрел корпускулярно-волновой дуализм для излучения, а также флуктуации энергии равновесного излучения. В 1912 году установил основной закон фотохимии: каждый поглощенный фотон вызывает одну элементарную фотореакцию (закон Эйнштейна). В статистической физике развил в 1905 году молекулярно-статистическую теорию броуновского движения, в 1924-25 годах создал квантовую статистику частиц с целым спином (статистика Бозе-Эйнштейна). В 1915 году завершил создание общей теории относительности, или современной релятивистской теории тяготения, установившей связь между пространством-временем и материей. Величие, сделанного Эйнштейном в науке, трудно переоценить. Сейчас нет практически ни одной ветви современной физики, где, так или иначе, не присутствовали бы фундаментальные понятия квантовой механики или теории относительности.
Но, пожалуй, еще важнее уверенность, которую своими трудами вселил в ученых Эйнштейн, что природа познаваема и ее законы красивы. Стремление к этой красоте и составляло смысл жизни великого ученого
Список использованной литературы и источников:
1. Теория относительности http://sdamzavas.net
2. Биография https://www.imena.ua/blog/einstein/
3. Квантовая теория, Броуновское движение
https://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
4. Общая теория относительности https://www.ronl.ru/nauchnyye- raboty/fizika/839581/
5. Квантовая теория - http://nenuda.ru/о-многомерности-и-квантовом-характере-пространства-времени.html