Няма никакво съмнение, че пред нас стои безумна теория. Въпросът е, дали е достатъчно безумна, за да бъде правилна.
Нилс Бор
Природата и нейните закони били покрити с тъмнина. Бог казал: „Да бъде Нютон!” И се явила светлина. Но не за дълго. Дяволът отвърнал: „Да дойде Айнщайн!” И всичко отново потънало в тъмнина.
И тъй времето вървяло. Когато Айнщайн станал на 15 години,
родителите му се преселили в Италия. Бизнесът на баща му Херман в Мюнхен
не вървял, в Италия като че ли перспективите били по-добри, а и
богатите роднини на майката на Айнщайн от Генуа обещавали подкрепа. И
тъй, в 1894 братята Херман и Якоб Айнщайн открили електротехническа
фабрика в Милано. Бизнесът обаче пак не потръгнал и те се прехвърлили в
Павия. И там – пак същото. И обратно в Милано. Тук нещата се позакрепили
благодарения на богатите германски и италиански роднини на Полина Кох.
Фиг. 8. Айнщайн като студент в Цюрих
Оценките от заключителните изпити на Айнщайн били (по шестобалната система): физика – 5.00, практикум по физика – 5.00, теория на функциите – 5.50, астрономия – 5.00, дипломна работа – 4.50 и обща оценка – 4.91.Както се казва – средна хубост.
Фиг. 9. Милева Марич
Фиг. 11. Патентното бюро в Берн – началото на ХХ век
Най-напред той повикал Милева Марич в Берн и двамата скоро се оженили (въпреки, че майка му и баща му били против
този брак и баща му дал
съгласието си за него чак на смъртния си одър). Сватбата се състояла на 6
януари 1903 г. и след почерпката в ресторант младото семейство с
приятели тръгнали да празнуват в квартирата на Айнщайн. Та като стигнали
до входа се оказало, че Айнщайн е забравил ключа на работното си място.
Та така.
Фиг. 12. Чиновникът от патентното бюро в Берн Алберт Айнщайн
Работата по патентите беше
благодатна за мен – спомня си Айнщайн. Тя ме караше да мисля за
физиката. Академичното поприще принуждава младия човек непрекъснато да
произвежда научна продукция и само много силните натури могат да се
противопоставят на това, да правят повърхностни анализи в името на
количеството на научната продукция. А практическата професия е спасение
за много от останалите.
Тихият и спокоен Берн и работата в патентното бюро, съпроводена с много размисли били важни фактори допринесли за чудодейното превъплъщаване на Айнщайн от младеж неудачник в световноизвестен учен. В Берн Айнщайн създал теорията на брауновото движение, теорията на фотоните и специалната теория на относителността. Разбира се в началото на бернския живот на Айнщайн нещата не тръгнали в тази посока. За да спечели някой франк Айнщайн решил… да дава частни уроци. И ето, съвременниците можели да прочетат в един вестник обява, че господин Алберт Айнщайн, завършил Цюрихската политехника, дава уроци по физика за три франка на час. Много желаещи нямало, но покрай тази обява Айнщайн си намерил нов приятел – Морис Соловин, прясно постъпил в местния университет и желаещ да позадълбочи знанията си по физика. Та този Соловин – фиг. 13 остава един от най-верните приятели на Айнщайн – както се казва – докато смъртта ги разделила.

Фиг. 13. Академия Олимпия – дискусионният клуб в Берн, където Аинщайн обсъжда с приятелите си идеите си брауновото движение, квантовата физика и теорията на относителността. От лява на дясно: Конрад Хабихт, Морис Соловин, Алберт Айнщайн.
Скоро към Айнщайн и Соловин се присъединил и Конрад Хабихт, който пристигнал в Берн, за да довърши образованието си по математика. И тримата учредили академия Олимпия – дискусионен клуб, в който се обсъждали идеите от книгите, които били четени заедно, както и идеите на Айнщайн в областта на физика. Заседанията били в квартирата на Айнщайн и към тройката на фиг. 13 непременно трябва да прибавим и Милева Марич, която също присъствала (ще не ще) на заседанията.
Айнщайн не бил бизнесмен (явно наследствена черта). Уроците не вървели и приходите от тях били малки. Айнщайн се шегувал, че май ще да е по-добре да ходи по дворовете и да свири на цигулка. Животът бил беден, но Айщайн често си спомнял фразата на Епикур – ”Какво може да е по-прекрасно от веселата бедност”. Дискусиите в академия Олимпия обаче вървели добре. Скоро към тримата члена се присъедини и четвърти – италианецът Микеланджело Бессо, които имал остър и практичен ум и често посочвал на Айнщайн къде може да внесе подобрения в разсъжденията си. Тези бележки на Бесо Айнщайн считал за толкава ценни, че ако погледнете края на прочутата статия “Върху електродинамиката на движещите се тела” ще видите благодарност… към ценните указания на Бесо. А Бесо имал практичен и остър ум, защото и той работел в патентното бюро в Берн.
Всичко това продължило да 1905 г. когато и Соловин и Хабихт напуснали Берн следвайки житейския си път. А в това време семейството на Айнщайн растяло. В 1904 г. се родил синът му Ханс-Албрехт, който по-късно станал крупен специалист по хидравлика в САЩ. Семейството било финансово притеснено,
но на Милева се падала задачата да управлява семейните
финанси. Отначало заплатата на Айнщайн била 3000 швейцарски франка (на
година). По едно време го повишили и заплатата му скочила на 4500
франка. “Леле, какво ще правя с толкова пари” – завайкал се Айнщайн. А
Милева се хванала за главата, защото и тази заплата не покривала
разходите на семейството, които били скромни.
И ето че дошла 1905 – годината на Айнщайн. За да разберем как той за кратко време е направил забележителни открития в различни области на физиката, трябва малко да погледнем съдържанието на идейното пространство на младия Айнщайн. А то било доста запълнено от идеи, свързани с принципа на относителността на инерционното движение. И с квантите, които по онова време вече 5 години били последната мода във физиката (след началото на квантовата ера положено от Планк през 1900 г.).
Айнщайн доста се замислял върху движенията на телата и по някое време тези му размисли стигнали и до брауновото движение на малките частици. Преди да продължим, нека кажем, че Айнщайн се отнасял с дълбоко уважение към термодинамиката. За него тя била единствената теория, която в рамките на приложимост на основните и понятия, никога нямало да бъде опровергана.
Около 1905 г. Айнщайн започва да търси универсалната теория – теорията, която описва най-основните процеси в природата. Айнщайн смятал, че тези процеси били процесите на движение на материалните тела и на състоящите се от тях материални системи. За него в основата на процесите и явленията в природата стояло относителното движение на телата една спрямо друго.

Фиг. 14. Брауново движение на частица
Ако погледнем термодинамиката, то най-близа до идеята на Айнщайн за основата на процесите е кинетичната теория на газовете – молекулите се движат и се удрят и това е основата на топлинните явления. Обаче обяснението е непълно, защото трябват допълнителни предположения, за да се обясни ходът на процесите, а в тези допълнителни предположения отделните молекули и техните движения вече не се отчитат. Та макроскопичните закони на термодинамиката тръгват от вероятността за една или друга съдба на молекулите, но детерминизмът се проявява само тогава, когато пред нас е голямо количество индивидуални съдби (т.е. когато имаме макроскопична система, състояща се от много молекули). И когато се говори за топлината и нейното движение, никога не трябва да се забравя, че това колективно движение има в основата си материален носител и това са молекулите.
Брауновото движение е един интересен вид движение, което ни позволява да надникнем в света на движението на молекулите. То е открито от английския учен (шотландец) Роберт Браун, който в 1827 г. наблюдавал движението на цветен прашец във вода. Браун забелязал, че прашинките през цялото време се намират в безпорядъчно движение. Това движение се характеризирало с почти непрекъсната смяна на посоката на движение – прашинката всеки път се премествала на много малко разстояние и това преместване се извършвало за нищожен интервал от време. Айнщайн обяснил това движение, изхождайки от представите за кинетичната теория на топлината – за безпорядъчно движещите се и блъскащи се молекули. Тези движещи се молекули удряли прашинките, предизвиквайки флуктуации в тяхното движение. Ако към тези микроскопични флуктуации се прибави и макроскопично движение (вследствие например на нагряване на течността отдолу) то човек може да забележи несиметричност на брауновите отмествания, по което може да се съди за това, че освен безпорядъчното движение, под действие на температурната разлика, молекулите извършват и движение в определена (от температурната разлика) посока. И тъй закономерностите на термодинамиката са неотделими от механиката на молекулите, а самата термодинамика е област на потвърждение на законите за движение на дискретни части на материята. А пък теорията на брауновото движение разбила илюзията за независимост на макроскопичните закони от кинетичните модели, свързани с движението на молекулите.
Както вече сме споменавали в петата хроника, в 1900 година Планк успял да разреши някои тежки противоречия в теорията на излъчването, като предположил, че енергията на електромагнитните вълни (светлината) се излъчва и поглъща на дискретни и неделими порции, наречени кванти. В 1905 г.
Айнщайн доразвил тази идея, като предположил, че светлината не
само се излъчва и се поглъща на кванти, ами и между излъчването и
поглъщането съществува под формата на дискретни и неделими по-нататък
порции, които били наречени фотони. И ето ви я пак идеята за движението
на дискретните части на материята – фотоните имат свойства на частици,
движещи се в пространството със скоростта на светлината – около 300
хиляди километра в секунда.

Фиг. 16. Някои си представят обмена на фотони между атомите ей така. Та виждате на картинката порцийката енергия – хем вълна, хем частица. Пък и молекулите изглеждат даста интересно с тез електронни орбити и ядра като пчелни пити.
Тая работа със светлината щяла да има дълбоки последствия за механиката, но за това по-долу в текста.
Та нека се върнем към електромагнитните вълни и напълним някое затворено пространство с тях – например кутийка от бира или от швепс. Какво става в кутийката – можем ли да разделим енергията на вълните на колкото си искаме малки порции или пък ще се натъкнем на някакви порции, които вече няма да можем да разделим на по-малки? И ако има най-малки порции електромагнитна енергия, то какъв е размерът им?За да отговорим на този въпрос, делим обема на кутийката на малки подкутийки и мерим отклонението на енергията на всяка подкутийка от средната стойност на енергията която се получава като разделим енергията на електромагнитните вълни в цялата кутийка на броя на малките подкутийки. Ако минималните порцийки са големи, то и отклоненията от средната стойност на енергията за в подкутийките ще са големи. Ако минималните порцийки са малки, то и отклоненията на енергията в подкутийките спрямо средната стойност на енергията ще са малки.Тъй – такъв експеримент бил проведен. И се оказало, че при висока честота на електромагнитната вълна (например в случая на виолетова светлина) отклоненията на енергията на подкутийките от средната стойност на енергията били по-значителни от колкото съответните отклонения в случай на червена светлина (тоест електромагнитна вълна с по-малка честота). Та значи, имаме най-малки порцийки на енергията на елекромагнитната вълна – кванти, а пък енергията на тези кванти зависи от честотата на вълната – „червените” кванти са с по-ниска енергия от „виолетовете” кванти – фиг. 17. Досущ както си го е представял Айнщайн. Той и затова Нобелова награда е взел де, ама тая работа ще я пишем във втората част на нашия разказ.

Фиг. 17. Още малко за това как Айнщайн си представя светлинните кванти
И пак да повторим – светлината (и по-общо казано електромагнитните вълни) се излъчват и поглъщат на порции, наречени кванти – тъй рекъл Планк. Не стига това, ами и във времето между излъчването и поглъщането светлината съществува под формата на кванти – тъй допълнил Айнщайн. И в горните няколко реда са заровени 2 Нобелови награди по физика. Та общо взето науката не е много сложна – човек трябва само да е досетлив. Виж, ако само
“бичи” статии, няма как да е досетлив, тъй като от бичене не му
остава време да мисли.
Тъй – ама представата за светлинните кванти води до известно объркване. Нали светлината беше вълна и това е експериментално доказана? Сега пък тя съществувало под формата на частици, наречени фотони. Та да зададем култовия въпрос – и к'во ша праим сега? Как тъй – хем частица, хем вълна. Че то е същото като – хем шкембелия, подпийващ бира в кръчмата, хем топ-маратонец. Някакво обяснение на това противоречие щяло да се появи 20-на години след 1905 г. и съответната теория – квантовата механика щяла до промени света.
Но да се върнем към 1905 г., че следващото, за което ще ви разкажем, е теория, не по-малко „безумна” от квантовата механика – специалната теория на относителността. Нейните основи били заложени в една статия та Айнщайн в същия том на списанието „Annalen der Physik“, дето била напечатана и статията за светлинните кванти.
Та принципът на постоянството на скоростта на светлината, на който заложил Айнщайн, за да разшири принципа
на относителността и в сферата на електромагнетизма, водел до „безумни”
следствия. Класическата физика казва, че ако едно тяло се движи с
някаква скорост относно инерциална координатна система, то трябва да се
движи с друга скорост спрямо друга инерциално координатна система,
движеща се спрямо първата система. Светлината не щяла и да чуе за този
принцип и за да се съвмести странното поведение на светлината с принципа
за относителността, последният бил пратен да действа в областта на
сравнително малките скорости. За големи скорости – друга история. Та
класическата физика разглеждала света като съвкупност от тела, движещи
се едно спрямо друго. Ами ако всички тези тела се движат спрямо едно и
също нещо? И ако туй нещо си се движи независимо от тях? Няма ли това да
е абсолютното движение? Тъй ще да е, а пък нещото, дето се движи
абсолютно (или пък не се движи абсолютно) било наречено ефир. И доста
хора се опитвали да измерят абсолютното движение на ефира, ако има
такова. Опитал и Майкелсон (преди Аинщайн) и получил странен резултат –
светрината се движи с една и съща скорост независимо от движението на
Земята! Ха! Ей ви го принципът за постоянството на скоростта на
светлината, измерен експеримантално. Чакайте сега, рекъл Лоренц. Та
светлината може и да се движи така, ама ефир има и при движение спрямо
ефира всички тела намаляват размера си в посоката на движението.Опа-а-а!
- появило се това, което днес наричаме Лоренцови трансформации. Та щом
като светлината се движи винаги с една и съща скорост, то май
пространството трябва да се криви! И като се почнало – че то тогава и
времето трябва да се забавя! Леле! Леле! Леле! И още – няма абсолютно
движение, има само относително движение! В представите за света
настъпила каша – класическите се оказали негодни, а новите трудно се
възприемали. Но това, както се казва по рекламите не е всичко. Има и
още.
Като съчетаете уравненията на Максуел с принципа за относителността на Айнщайн излиза, че масата на тялото е пропорционална на съдържаща се в тялото енергия. Демек, като светиш – отслабваш, щото фотоните отнасят енергия и масата ти намалява (оригинална диета за отслабване, а!). И човек тръгва да се пита – абе какво е туй нещо маса? И какво е туй нещо време? В класическата механика в света няма нищо, освен тела, движещи се едно спрямо друго, като под движение се разбира изменение на положението на една тяло спрямо другите тела с течение на времето. Течението на времето се представя като преход от един миг към следващия, като този преход е задължителен. При това се счита за естествено за движещите се тела, че тяло, намиращо се в даден момент на дадено място, не може да бъде на друго място в същия момент.В класическата наука координатите на една материална точка са 4: трите пространствени координати, които указват къде в пространството е точката и четвъртата координата е моментът от време, през които материалната точка се намира в съответното пространствено положение. Имало обаче един проблем в класическата картина – силата, чието действие се разпространява с безкрайна скорост. Постулатът за безкрайната скорост на разпространение на действието на силата не произтичал от по-общите представи на класическата механика, той някак си се явявал едно неестествено, но необходимо допълнение към тях. Та четиримерното описание на движението в класическата механика се разпада на две: самостоятелно време, чийто поток обхваща цялото пространство и не зависи от отправните системи и самостоятелно пространство, в което събитията се случват за миг или както се
казва за нула време. Специалната теория пратила в архива
представата за единния поток на времето, обхващащ цялата Вселена. Също в
архива била пратена и представата за чисто пространствените мигновени
процеси. Вместо това специалната теория на относителността залагала на
представата за четиримерното пространство-време. Обаче тази представа
щяла да доведе до някои затруднения 30 години по-късно, тъй като
положението на частицата не винаги може да има прост физичен смисъл, а
пък и възниквал и въпросът дали моментите от време могат да са безкрайно
малки.
Следващият интересен момент, свързан със специалната теория на относителността бил за връзката между енергията и масата и тръгвал от въпроса – а колко вида маса имат частиците?

Фиг. 19. Промяната на масата при движение на тяло
Както знаем, някои имат маса в покой, а други като фотона нямат такава маса и се движат с около 300 000 километра в секунда. Айнщайн предположил, че масата на покой е пропорционална на вътрешната енергия на частицата. А пък масата на движение на частицата била пропорционална на енергията и на движение. Вътрешната енергия според Айнщайн била равна на масата на покой на частицата, умножена по квадрата на скоростта на светлината. Това е доста голямо число (и наистина е така, спомнете си що за енергия се отделя при взрив на атомна или водородна бомба). Ако частицата се движи с малка скорост, масата и на движение е много малка и може да се пренебрегне. Друга е обаче работата, когато скоростта на движение на частицата започне да доближава скоростта на светлината. Тогава масата на движение може да стане доста съществена и вече не може да се пренебрегва – фиг. 19.
Някой от читателите може би се поизмъчиха от представата на Айнщан за движението, пространството и времето. Затова, нека да спрем дотук. Ще отбележим, че специалната теория на относителността от 1905 г. ни казва, че вътрешните процеси в телата протичат еднообразно, независимо от праволинейното и равномерното движение на тези тела. Вътрешни за тялото ефекти от движението по инерция не се наблюдават. Да, ама специалната теория на относителността е приложима при липса на гравитационни полета или много слаби такива. При наличие на достатъчно силни гравитационни полета имало нужда от друга теория и тя се появила през 1916 г. когато Айнщайн разпространил принципа на относителност на движението и върху движенията с ускорение. За тази теория ще поговорим във втората част на нашата хроника за Айнщайн. Също ще поговорим и за опитите на Айнщайн да създаде единна теория на полето, тоест такава теория, която би съдържала като частни случаи теорията на гравитационната поле и теорията на електромагнитното поле.
По нашите земи е разпространено схващането, че гений е този който знае много – и-и-и-й, колко много знае туй момче или момиче, много чело, голям гений. Ами, ами. Гений не е този, който знае много. Гений е този, който добавя много към знанието, известно преди него. Та Айнщайн е гений. А тези, дето знаят много, са отличници.
Нилс Бор
Природата и нейните закони били покрити с тъмнина. Бог казал: „Да бъде Нютон!” И се явила светлина. Но не за дълго. Дяволът отвърнал: „Да дойде Айнщайн!” И всичко отново потънало в тъмнина.
Фиг. 1. Старият Улм
И тъй, пътешествието ни този път тръгва от южна Германия в средата
на втората половина на 19-ти век. Там, в Швабия, се намира едно тихо
германско градче, наречено Улм (фиг.1). От време на време тишината била
нарушавана от кървави сблъсъци. Например, през 16-ти век Улм бил
значителна по размери крепост и жителите му участвали в борбата на
протестантските князе против католическата църква и властта на
императора. В 1805 г. по време на наполеоновите войни (фиг. 2).
Фиг. 2. Наполеон, който бил доста начетен (а и доста разбирал от математика, тъй като бил артилерист)
Край Улм се провела голяма битка, в която била разбита австрийската армия на фелдмаршал Мак – фиг. 3.
Как свършили тези войни, можете и да прочете сами, но ето ви една подсказка (фиг. 4).
Фигура 3. Карл Мак фон Лайберих
Фиг. 4. Герхард Леберехт фон Блюхер
Резултатът от войните през
19-ти век имал значителен отпечатък върху живота в Улм. Там в
съприкосновение дошли две линии на поведение. От една страна (Швабия си е
Швабия) била рационалната линия на поведение, а другата линия била
свързана с вярата в непогрешимостта на пруската държава, свързана с
пруските чиновници, които градели германската имперска държавност в южна
Германия. Айнщайн бил типичен представител на първата линия на
поведение и хич не обичал втората линия. Та там, в градчето с огромната
160-метрова кула на катедралата, с къщичките с островърхи покриви и
откъдето се виждали полята на Бавария и долините на Швейцария, се родил
Алберт Айнщайн на 14 март 1879 година. Родил се, както се казва, в
дребнобуржоазно еврейско семейство. Евреите в Улм били добре интегрирани
в градския живот. Градът бил пълен с търговци и занаятчии и прочее
дребни буржоа, които, следвайки рационалната линия на поведение, били
известни с широчината на възгледите си и с религиозната си търпимост.
Фиг. 5. Алберт Айнщайн (на твърде млади години)
Бащата
на Айнщайн – Херман, завършил гимназия в Щутгарт и мечтаел да постъпи в
университет, но вместо това трябвало да се захване с бизнес, както е
модерно да се нарича това сега. С течение на времето Херман се задомил
за Полина Кох – дъщеря на богат търговец на хляб. От 1878 г. семейството
живеело в Улм, където имали роднини и Херман отворил магазин за
електротехника. Много хора днес смятат Херман Айнщайн за неудачник, тъй
като той не бил много добър бизнесмен. Но Херман разбирал от математика,
а се занимавал и с електротехника. Всичко това оставило отпичатък върху
живато и развитието на сина му Алберт.
След
появата на Алберт на билия свят, през 1880 г. семейството се преселило в
Мюнхен, където Херман и брат му Якоб открили електротехническа
работилница. В 1884 г. (след като в 1881 г. се родила и сестрата на
Алберт – Мая) семейството се преместило в предградието на Мюнхен
Зендлиг, където си построили къща и малка фабрика за електротехника
(включително и за измервателни прибори). Тая работа била финансирана с
парите от зестрата на майката на Айнщайн. В Зендлинг имало доста
зеленина и
малките Алберт и Мая дружно си играели из градината на къщата
и по околните поляни.
За да не се чудите, защо на
Айнщайн му се наложило да изучава свиренето на цигулка, нека да
отбележим, че майката много обичала да свири на пиано, особено
композициите на Бетховен. Както споменахме по-горе, Херман не бил
особено добър в бизнеса и семейството не можело да си позволи да живее
нашироко.
И тъй, годинките се
търкаляли. Алберт пораснал и трябвало да тръгва на училище. По принцип,
трябвало да го запишат в еврейското училище. Но то било далече, а и
образованието в него не било евтино. Затова Алберт бил записан в
намиращото се наблизо католическо училище. Та както се казва, още от
ранна детска възраст, Алберт Айнщайн започнал (ще, не ще) да изучава
различни религиозни учения. Това също имало отпечатък върху живота му,
пък и кой ли не е чувал остроумните му мисли затова, какво казва и прави
Бог (и какво не прави – например, че не играе на зарове). На
10-годишна възраст Айнщайн постъпил в гимназията. Гимназиите по онова
време съчетавали казармена дисциплина със зубрене на гръцка и латинска
граматика. На Айнщайн не му било много интересно, а учителите едва
изтърпявали говорещия бавно ученик. Мирното съвместно съществуване между
Айнщайн и учителите се поддържало все пак от естествените науки и
математиката, които били интересни за момчето.
Фиг.
6. Алберт Айнщайн – 1895 г. Обърнете внимание на непропорционално
големия възел на вратовръзката – типично изпълнение за хора без много
опит в направата на възли за вратовръзки. Но след 10 години този младеж
ще напише специалната теория на относителността.
За интереса на младия Алберт към математиката доста допринесъл и
чичо му Якоб – съдружник на баща му в бизнеса. Един път той му казал:
“Алгебрата е весела наука. Когато не можем за хванем животното, което
ловим, временно го наричаме хикс и продължаваме лова, докато не го
хванем в чувала”.
Та както казахме по-горе, младежът трябвало и да свири на цигулка.
Противно на това, което са ви разказвали, 7 години работата със
свиренето на цигулка вървяла много зле – композициите, които младежът
трябвало да изпълнява, му били скучни. Докато… не се запознал с
произведенията на Моцарт. Тогава нещата се променили и Айнщайн станал
наистина добър цигулар. По-късно той казвал, че за него Моцарт в
музиката изиграл същата ролята, която имала геометрията на Евклид за
науката.
Алберт останал в Мюнхен, за да завърши гимназия, но така и не я
завършил. Зубренето на езици не му се удавало, а и приятели много нямал.
Затова оставил ученето и отишъл в Италия при родителите си в Милано. И
като пристигнал там, се отказал от германското си гражданство. Баща му
обаче го предупредил, че няма да има средства да го издържа и затова
Алберт трябвало да си намери някаква работа. И тъй като го влечяла
математиката, решили, че той ще стане инженер. Семейният съвет решил да
го изпрати във висше техническо училище. Където се преподавало на
немски език. Не трябвало да бъде в Германия, а извън нея най-доброто
било Цюрихската политехника (ETH Zűrich). И тъй Айнщайн опитал да вземе
приемните изпити там. По математика се представил отлично, но по чужди
езици, ботаника и зоология не се представил особено добре. Пък и не бил
завършил и гимназия – та нямало как да стане студент. Но му дали добър
съвет – да завърши гимназия в Швейцария и да кандидатства за студент на
следващата година. От политехниката му препоръчали гимназията в Арау,
която тогава била много добре окомплектована с преподаватели и имала
доста съвременна за времето си система на обучение. И тъй в 1896 г.
Айнщайн завършил гимназията в Арау и бил приет в педагогическия факултет
на Цюрихската политехника. И там Айнщайн се обучавал до август 1900
година.
А обучението в Цюрихската политехника и тогава било на много високо
ниво. Математиката се четяла от Адолф Хурвиц (същият оня от критерия на
Рут-Хурвиц) и от Херман Минковски (същия оня, дето е допринесъл доста
за създаване на математическия апарат на теорията на относителността). А
пък Айнщайн се сприятелил с Марсел Гросман, който имал навика редовно
да ходи на лекции и после давал записките си на Айнщайн (който не ходел
чак тъй редовно на лекциите).
Фиг. 7. Главната сграда на ETH в Цюрих
Впоследствие Айнщайн ще привлече Гросман за създаване на
математическия апарат на специалната теория на отсносителността.
Състудентка на Айнщайн била и бъдещата му жена – Милева Марич, която с
удоволствие и без коментари слушала разказите на Айнщайн за това, което е
прочел.
Айнщайн бил твърде доволен от това. И тъй до есента на 1900 г.
когато Айнщайн издържал и последния изпит, получил диплома и трябвало
да си търси работа.
Фиг. 8. Айнщайн като студент в Цюрих
Оценките от заключителните изпити на Айнщайн били (по шестобалната система): физика – 5.00, практикум по физика – 5.00, теория на функциите – 5.50, астрономия – 5.00, дипломна работа – 4.50 и обща оценка – 4.91.Както се казва – средна хубост.
Фиг. 9. Милева Марич
Приятелите на Айнщайн били оставени за асистенти в политехниката,
но Айнщайн – не. Сметнали го за непригоден за преподавателска дейност,
пък и той не посещавал лекциите по теоретична физика (тъй че професорът
нямал особена представа на какво е способен този младеж). Шансовете му
по експериментална физика били още по-малки – там професорът добре
познавал своенравния студент, който никак не спазвал инструкциите за
провеждане на експериментите, а ги правел по свой си начин. Трябвало да
си търси работа вън от сферата на висшето образование. Отначало Айнщайн
заработвал по някой франк в Цюрихската федерална обсерватория и се
оглеждал за намиране на постоянна работа. Обаче в ония времена нямало
как да я получи без да бъде гражданин на Швайцария. А това струвало
пари. И Айнщайн събрал последните си спестявания, попълнил формулярите,
уверил интервюиращите го чиновници, че не е алкохолик и че дядо му е в
сравнително добро здраве и с кротък нрав и ето ви го във февруари 1901
г. новоизпеченият швейцарски поданик Алберт Айнщайн. Ама пак без работа.
И в армията не го взели, че бил дюстабан и имал разширени вени. Такива
ти ми работи.
Работа си намирал непостоянна – месец тук, месец там. През лятото
на 1901 г. му предложили място за преподавател по математика в
професионалното техническо училище във Винтертур докато титулярът на
позицията отбие военната си служба. И на есен Айнщайн бил отново
безработен. Следващата временна работа била в градчето Шафхаузен – в
частен пансион, където Айнщайн трябвало да подготвя учениците за
зрелостния им изпит. Тая работа му я намерил един от приятелите му
студенти – Конрад Хабихт. Семейството му било от Шафхаузен и помогнало
на приятеля на сина им да спечели някой франк. След някое време Айнщайн
бил отново безработен. И тук в действие влезли връзките на приятеля му
Марсел Гросман. Семейството на Марсел имало добри познати в патентното
бюро в Берн – директорът Фридрих Халер бил добър приятел на бащата на
Марсел. И тъй в 1902 г. Айнщайн се преселил в Берн и започнал работа в
патентното бюро.
10. Берн
Доста хора днес смятат, че на Айнщайн не му било добре в патентното бюро. Айнщайн обаче не мислел така.
Най-напред той повикал Милева Марич в Берн и двамата скоро се оженили (въпреки, че майка му и баща му били против
Фиг. 12. Чиновникът от патентното бюро в Берн Алберт Айнщайн
Тихият и спокоен Берн и работата в патентното бюро, съпроводена с много размисли били важни фактори допринесли за чудодейното превъплъщаване на Айнщайн от младеж неудачник в световноизвестен учен. В Берн Айнщайн създал теорията на брауновото движение, теорията на фотоните и специалната теория на относителността. Разбира се в началото на бернския живот на Айнщайн нещата не тръгнали в тази посока. За да спечели някой франк Айнщайн решил… да дава частни уроци. И ето, съвременниците можели да прочетат в един вестник обява, че господин Алберт Айнщайн, завършил Цюрихската политехника, дава уроци по физика за три франка на час. Много желаещи нямало, но покрай тази обява Айнщайн си намерил нов приятел – Морис Соловин, прясно постъпил в местния университет и желаещ да позадълбочи знанията си по физика. Та този Соловин – фиг. 13 остава един от най-верните приятели на Айнщайн – както се казва – докато смъртта ги разделила.
Фиг. 13. Академия Олимпия – дискусионният клуб в Берн, където Аинщайн обсъжда с приятелите си идеите си брауновото движение, квантовата физика и теорията на относителността. От лява на дясно: Конрад Хабихт, Морис Соловин, Алберт Айнщайн.
Скоро към Айнщайн и Соловин се присъединил и Конрад Хабихт, който пристигнал в Берн, за да довърши образованието си по математика. И тримата учредили академия Олимпия – дискусионен клуб, в който се обсъждали идеите от книгите, които били четени заедно, както и идеите на Айнщайн в областта на физика. Заседанията били в квартирата на Айнщайн и към тройката на фиг. 13 непременно трябва да прибавим и Милева Марич, която също присъствала (ще не ще) на заседанията.
Айнщайн не бил бизнесмен (явно наследствена черта). Уроците не вървели и приходите от тях били малки. Айнщайн се шегувал, че май ще да е по-добре да ходи по дворовете и да свири на цигулка. Животът бил беден, но Айщайн често си спомнял фразата на Епикур – ”Какво може да е по-прекрасно от веселата бедност”. Дискусиите в академия Олимпия обаче вървели добре. Скоро към тримата члена се присъедини и четвърти – италианецът Микеланджело Бессо, които имал остър и практичен ум и често посочвал на Айнщайн къде може да внесе подобрения в разсъжденията си. Тези бележки на Бесо Айнщайн считал за толкава ценни, че ако погледнете края на прочутата статия “Върху електродинамиката на движещите се тела” ще видите благодарност… към ценните указания на Бесо. А Бесо имал практичен и остър ум, защото и той работел в патентното бюро в Берн.
Всичко това продължило да 1905 г. когато и Соловин и Хабихт напуснали Берн следвайки житейския си път. А в това време семейството на Айнщайн растяло. В 1904 г. се родил синът му Ханс-Албрехт, който по-късно станал крупен специалист по хидравлика в САЩ. Семейството било финансово притеснено,
И ето че дошла 1905 – годината на Айнщайн. За да разберем как той за кратко време е направил забележителни открития в различни области на физиката, трябва малко да погледнем съдържанието на идейното пространство на младия Айнщайн. А то било доста запълнено от идеи, свързани с принципа на относителността на инерционното движение. И с квантите, които по онова време вече 5 години били последната мода във физиката (след началото на квантовата ера положено от Планк през 1900 г.).
Айнщайн доста се замислял върху движенията на телата и по някое време тези му размисли стигнали и до брауновото движение на малките частици. Преди да продължим, нека кажем, че Айнщайн се отнасял с дълбоко уважение към термодинамиката. За него тя била единствената теория, която в рамките на приложимост на основните и понятия, никога нямало да бъде опровергана.
Около 1905 г. Айнщайн започва да търси универсалната теория – теорията, която описва най-основните процеси в природата. Айнщайн смятал, че тези процеси били процесите на движение на материалните тела и на състоящите се от тях материални системи. За него в основата на процесите и явленията в природата стояло относителното движение на телата една спрямо друго.
Фиг. 14. Брауново движение на частица
Ако погледнем термодинамиката, то най-близа до идеята на Айнщайн за основата на процесите е кинетичната теория на газовете – молекулите се движат и се удрят и това е основата на топлинните явления. Обаче обяснението е непълно, защото трябват допълнителни предположения, за да се обясни ходът на процесите, а в тези допълнителни предположения отделните молекули и техните движения вече не се отчитат. Та макроскопичните закони на термодинамиката тръгват от вероятността за една или друга съдба на молекулите, но детерминизмът се проявява само тогава, когато пред нас е голямо количество индивидуални съдби (т.е. когато имаме макроскопична система, състояща се от много молекули). И когато се говори за топлината и нейното движение, никога не трябва да се забравя, че това колективно движение има в основата си материален носител и това са молекулите.
Брауновото движение е един интересен вид движение, което ни позволява да надникнем в света на движението на молекулите. То е открито от английския учен (шотландец) Роберт Браун, който в 1827 г. наблюдавал движението на цветен прашец във вода. Браун забелязал, че прашинките през цялото време се намират в безпорядъчно движение. Това движение се характеризирало с почти непрекъсната смяна на посоката на движение – прашинката всеки път се премествала на много малко разстояние и това преместване се извършвало за нищожен интервал от време. Айнщайн обяснил това движение, изхождайки от представите за кинетичната теория на топлината – за безпорядъчно движещите се и блъскащи се молекули. Тези движещи се молекули удряли прашинките, предизвиквайки флуктуации в тяхното движение. Ако към тези микроскопични флуктуации се прибави и макроскопично движение (вследствие например на нагряване на течността отдолу) то човек може да забележи несиметричност на брауновите отмествания, по което може да се съди за това, че освен безпорядъчното движение, под действие на температурната разлика, молекулите извършват и движение в определена (от температурната разлика) посока. И тъй закономерностите на термодинамиката са неотделими от механиката на молекулите, а самата термодинамика е област на потвърждение на законите за движение на дискретни части на материята. А пък теорията на брауновото движение разбила илюзията за независимост на макроскопичните закони от кинетичните модели, свързани с движението на молекулите.
Фиг. 15. Статията на Айнщайн за теорията на брауновото движение
Следващата теория, свързана с
движение на дискретни части на материята, била теорията на фотоните. Още
Нютон се запитал: а не се ли явяват лъчите на светлината много малки
тела, изпускани от светещите вещества? Нютоновата механика издържала на
стълкновението с
термодинамиката – детерминистичните закони на механиката на макро телата
не противоречели на статистическите закони за движението на молекулите.
Виж от сблъсъка на механиката с електродинамиката щяло да се роди нещо
ново – специалната теория на относителността. Но всяко нещо по реда си и
сега – обратно към фотоните.Както вече сме споменавали в петата хроника, в 1900 година Планк успял да разреши някои тежки противоречия в теорията на излъчването, като предположил, че енергията на електромагнитните вълни (светлината) се излъчва и поглъща на дискретни и неделими порции, наречени кванти. В 1905 г.
Фиг. 16. Някои си представят обмена на фотони между атомите ей така. Та виждате на картинката порцийката енергия – хем вълна, хем частица. Пък и молекулите изглеждат даста интересно с тез електронни орбити и ядра като пчелни пити.
Тая работа със светлината щяла да има дълбоки последствия за механиката, но за това по-долу в текста.
Та нека се върнем към електромагнитните вълни и напълним някое затворено пространство с тях – например кутийка от бира или от швепс. Какво става в кутийката – можем ли да разделим енергията на вълните на колкото си искаме малки порции или пък ще се натъкнем на някакви порции, които вече няма да можем да разделим на по-малки? И ако има най-малки порции електромагнитна енергия, то какъв е размерът им?За да отговорим на този въпрос, делим обема на кутийката на малки подкутийки и мерим отклонението на енергията на всяка подкутийка от средната стойност на енергията която се получава като разделим енергията на електромагнитните вълни в цялата кутийка на броя на малките подкутийки. Ако минималните порцийки са големи, то и отклоненията от средната стойност на енергията за в подкутийките ще са големи. Ако минималните порцийки са малки, то и отклоненията на енергията в подкутийките спрямо средната стойност на енергията ще са малки.Тъй – такъв експеримент бил проведен. И се оказало, че при висока честота на електромагнитната вълна (например в случая на виолетова светлина) отклоненията на енергията на подкутийките от средната стойност на енергията били по-значителни от колкото съответните отклонения в случай на червена светлина (тоест електромагнитна вълна с по-малка честота). Та значи, имаме най-малки порцийки на енергията на елекромагнитната вълна – кванти, а пък енергията на тези кванти зависи от честотата на вълната – „червените” кванти са с по-ниска енергия от „виолетовете” кванти – фиг. 17. Досущ както си го е представял Айнщайн. Той и затова Нобелова награда е взел де, ама тая работа ще я пишем във втората част на нашия разказ.
Фиг. 17. Още малко за това как Айнщайн си представя светлинните кванти
И пак да повторим – светлината (и по-общо казано електромагнитните вълни) се излъчват и поглъщат на порции, наречени кванти – тъй рекъл Планк. Не стига това, ами и във времето между излъчването и поглъщането светлината съществува под формата на кванти – тъй допълнил Айнщайн. И в горните няколко реда са заровени 2 Нобелови награди по физика. Та общо взето науката не е много сложна – човек трябва само да е досетлив. Виж, ако само
Тъй – ама представата за светлинните кванти води до известно объркване. Нали светлината беше вълна и това е експериментално доказана? Сега пък тя съществувало под формата на частици, наречени фотони. Та да зададем култовия въпрос – и к'во ша праим сега? Как тъй – хем частица, хем вълна. Че то е същото като – хем шкембелия, подпийващ бира в кръчмата, хем топ-маратонец. Някакво обяснение на това противоречие щяло да се появи 20-на години след 1905 г. и съответната теория – квантовата механика щяла до промени света.
Но да се върнем към 1905 г., че следващото, за което ще ви разкажем, е теория, не по-малко „безумна” от квантовата механика – специалната теория на относителността. Нейните основи били заложени в една статия та Айнщайн в същия том на списанието „Annalen der Physik“, дето била напечатана и статията за светлинните кванти.
Фиг. 18. Началото на теорията на относителността – статията на Айнщайн “Към електродинамиката на движещите се тела” - 1905 г.
Та в тая статия – фиг. 18 се описвала една доста безумна ситуация –
светлината трябва да се движи с една и съща скорост спрямо тела, които
се движат едно спрямо друго! Класическият принцип на относителността бил
пратен да живее в областта на малките скорости на движение. В областта
на големите скорости, казвал Айнщайн, ситуацийката е съвсем друга. И
Айнщайн си представял ситуацийката по следния начин.
Имаме значи един кораб с фенер на
единия край и огледало на другия край. Минаваме покрай този кораб
седейки на друг кораб (засега равномерно и праволинейно, че ако правим
друго вместо в специалната теория на относителността ще се набием в
общата теория на относителността, пък за нея имаме да ви разказваме във
втората част на тази хроника). И тъй – равномерно и праволинейно
големият кораб минава-а-а-а. Ако минава-а-а-а бавно, то класическият
принцип на относителността ни казва, че с никакви механични способи не
можем да разберем дали моя кораб се движи равномерно и праволинейно или е
неподвижен спрямо другия (оня с фенера и с огледалото). Чакай – рекъл
Айнщайн – аз с механични способи мога и да не мога да разбера, ама с
оптични мога и да мога. Нека моя кораб е неподвижен – казва Айнщайн.
Пускам фенера на другия. Светлината ще се движи с 300 000 километра в
секунда спрямо мене и аз ще видя отражението и от огледалото в другия
край на другия кораб. Айде сега да юрнем нашия кораб да се движи с 300
000 километра в секунда равномерно и праволинийно спрямо другия кораб.
Съгласно класическия принцип за относителност светлината трябва да е
неподвижна спрямо моя кораб. Пускаме значи фенера на другия и светлината
като не се движи спрямо. Ама що за светлина е това, дето не се движи –
че нали Максуел казва, че светлината е движеща се електромагнитна вълна!
И още – оказва се, че с оптични средства ние може и да можем да
различим движим ли се равномерно праволинейно или стоим на място. Тъй си
мислел Айнщайн. Тъй, рекъл си той – хайде сега да предположим, че и с
оптични средства не мога да позная дали се движа равномерно праволинейно
или стоя на място спрямо другия кораб. И нека предположа още, че
Максуел е прав за светлината. И тука почва специалната теория на
относителността. Ами ако не мога да позная, то значи светлината се движи
спрямо мен с 300 000 километра в секунда, ако и аз да се движа с
някаква скорост. Че то тъй човек лесно може да си измисли тяло, движещо
се по-бързо от светлината. Да, ама ако скоростта на светлината е
най-голямата скорост на света, то скоростите не се събират тъй, както
предписва класическата механика на Нютон. Леле, леле , леле!Та принципът на постоянството на скоростта на светлината, на който заложил Айнщайн, за да разшири принципа
Като съчетаете уравненията на Максуел с принципа за относителността на Айнщайн излиза, че масата на тялото е пропорционална на съдържаща се в тялото енергия. Демек, като светиш – отслабваш, щото фотоните отнасят енергия и масата ти намалява (оригинална диета за отслабване, а!). И човек тръгва да се пита – абе какво е туй нещо маса? И какво е туй нещо време? В класическата механика в света няма нищо, освен тела, движещи се едно спрямо друго, като под движение се разбира изменение на положението на една тяло спрямо другите тела с течение на времето. Течението на времето се представя като преход от един миг към следващия, като този преход е задължителен. При това се счита за естествено за движещите се тела, че тяло, намиращо се в даден момент на дадено място, не може да бъде на друго място в същия момент.В класическата наука координатите на една материална точка са 4: трите пространствени координати, които указват къде в пространството е точката и четвъртата координата е моментът от време, през които материалната точка се намира в съответното пространствено положение. Имало обаче един проблем в класическата картина – силата, чието действие се разпространява с безкрайна скорост. Постулатът за безкрайната скорост на разпространение на действието на силата не произтичал от по-общите представи на класическата механика, той някак си се явявал едно неестествено, но необходимо допълнение към тях. Та четиримерното описание на движението в класическата механика се разпада на две: самостоятелно време, чийто поток обхваща цялото пространство и не зависи от отправните системи и самостоятелно пространство, в което събитията се случват за миг или както се
Следващият интересен момент, свързан със специалната теория на относителността бил за връзката между енергията и масата и тръгвал от въпроса – а колко вида маса имат частиците?
Фиг. 19. Промяната на масата при движение на тяло
Както знаем, някои имат маса в покой, а други като фотона нямат такава маса и се движат с около 300 000 километра в секунда. Айнщайн предположил, че масата на покой е пропорционална на вътрешната енергия на частицата. А пък масата на движение на частицата била пропорционална на енергията и на движение. Вътрешната енергия според Айнщайн била равна на масата на покой на частицата, умножена по квадрата на скоростта на светлината. Това е доста голямо число (и наистина е така, спомнете си що за енергия се отделя при взрив на атомна или водородна бомба). Ако частицата се движи с малка скорост, масата и на движение е много малка и може да се пренебрегне. Друга е обаче работата, когато скоростта на движение на частицата започне да доближава скоростта на светлината. Тогава масата на движение може да стане доста съществена и вече не може да се пренебрегва – фиг. 19.
Някой от читателите може би се поизмъчиха от представата на Айнщан за движението, пространството и времето. Затова, нека да спрем дотук. Ще отбележим, че специалната теория на относителността от 1905 г. ни казва, че вътрешните процеси в телата протичат еднообразно, независимо от праволинейното и равномерното движение на тези тела. Вътрешни за тялото ефекти от движението по инерция не се наблюдават. Да, ама специалната теория на относителността е приложима при липса на гравитационни полета или много слаби такива. При наличие на достатъчно силни гравитационни полета имало нужда от друга теория и тя се появила през 1916 г. когато Айнщайн разпространил принципа на относителност на движението и върху движенията с ускорение. За тази теория ще поговорим във втората част на нашата хроника за Айнщайн. Също ще поговорим и за опитите на Айнщайн да създаде единна теория на полето, тоест такава теория, която би съдържала като частни случаи теорията на гравитационната поле и теорията на електромагнитното поле.
По нашите земи е разпространено схващането, че гений е този който знае много – и-и-и-й, колко много знае туй момче или момиче, много чело, голям гений. Ами, ами. Гений не е този, който знае много. Гений е този, който добавя много към знанието, известно преди него. Та Айнщайн е гений. А тези, дето знаят много, са отличници.