Albert Einstein (14. března 1879 Ulm, Německo – 18. dubna 1955 Princeton, New Jersey, USA) byl teoretický fyzik, jeden z nejvýznamnějších vědců všech dob. Často je označován za největšího vědce 20. století, případně spolu s Newtonem za nejvýznamnějšího fyzika vůbec. Mezi jeho příspěvky fyzice patří speciální teorie relativity (1905), myšlenka kvantování elektromagnetického pole a vysvětlení fotoelektrického jevu (1905), vysvětlení Brownova pohybu (1905) a snad nejvíce obecná teorie relativity (1915), která doposud nejlépe popisuje vesmír ve velkých měřítkách.
Einstein se podílel i na statistické fyzice a kvantové statistice (Boseho–Einsteinovo rozdělení), diskusi o interpretaci kvantové mechaniky (diskuse s Bohrem, EPR paradox). S Leó Szilárdem vynalezli nový typ chladničky.
V roce 1921 byl Einstein oceněn Nobelovou cenou za fyziku za „vysvětlení fotoelektrického jevu a za zásluhy o teoretickou fyziku“. Velmi významné byly ovšem již jeho další tři práce z roku 1905, ale v prvé řadě Einsteinova obecná teorie relativity z roku 1915, v době udělení ceny ještě nedoceněná.
Poté, co zformuloval obecnou teorii relativity, se stal známým po celém světě, což je pro vědce nevídaný úspěch. V pozdějších letech jeho sláva zastínila ostatní vědce a Einstein se stal synonymem pro člověka s velmi vysokou inteligencí nebo zkrátka génia. Jeho tvář se stala jednou z nejznámějších na celém světě. V roce 1999 ho časopis Time vybral jako Osobnost století. Jeho popularita často vedla k používání jeho jména v reklamách a obchodu a dokonce i k registraci obchodní známky Albert Einstein.
Na jeho počest byly po něm pojmenovány fotochemická jednotka einstein, chemický prvek einsteinium a planetka 2001 Einstein.
Raná léta
Mládí a univerzita Einstein se narodil roku 1879 v Ulmu v německém Württembersku, asi 100 km východně od Stuttgartu v židovské rodině. Jeho rodiči byli Hermann Einstein (1847–1902), obchodník, který později pracoval jako elektrochemik, a jeho žena Pauline rozená Kochová (1858–1920). Albert navštěvoval katolickou obecnou školu a na naléhání své matky bral hodiny houslí.
Když bylo Albertovi pět let, jeho otec mu ukázal kapesní kompas a Einstein poznal, že něco v „prázdném“ prostoru musí působit na střelku. Později tuto zkušenost popsal jako jednu z nejdůležitějších ve svém životě, protože podnítila jeho zájem o vědu. Stavěl pro zábavu fyzikální modely a mechanická zařízení.
V roce 1894, poté, co zkrachovala otcova elektrotechnická firma, se Einsteinovi rodiče přestěhovali z Mnichova do Pavie v Itálii. Matka s otcem chtěli, aby dostudoval střední školu, a proto nejprve nějakou dobu zůstával v Mnichově v péči rodinných známých. Škola se mu však protivila svým formalismem, a tak zanedlouho rodiče následoval do Itálie a myšlenkou, že vystuduje tam.
Ve svých 16 letech, 1895, se přihlásil na přijímací zkoušky na Spolkovou vysokou technickou školu (Eidgenössische Technische Hochschule, ETH) ve švýcarském Curychu. Ve zkouškách z fyziky a matematiky sice dopadl na výbornou, ale nezvládl obecnou část zkoušek. Bylo mu doporučeno dokončit střední školu a přihlásit se znovu. Začal proto studovat na Kantonální škole v Aarau a odmaturoval zde v roce 1896 s výborným prospěchem.Pavel Kasík: Měl Einstein opravdu pětku z matematiky? Ne, odmaturoval s šestkami, technet.idnes.cz, 1. března 2013. Ve Švýcarsku jsou pětky a šestky nejvyššími známkami. Při druhém pokusu již byl na curyšskou Polytechniku přijat. Téhož roku se zřekl německého občanství a zůstal bez státní příslušnosti.
ETH dokončil o čtyři roky později. V roce 1901 se Einstein stal švýcarským občanem.
Patentový úřad Po zakončení studií v Curychu nemohl Einstein najít žádné vysokoškolské učitelské místo, hlavně kvůli tomu, že jeho mladická drzost rozčilovala většinu jeho profesorů. Otec spolužáka Marcela Grossmanna mu však v roce 1902 pomohl získat místo technického asistenta na švýcarském patentovém úřadě. Einstein tam posuzoval význam vynálezů, přihlášených k udělení patentů, při kterých byla nutná znalost fyziky. Také se učil rozeznávat samotnou podstatu přihlášek navzdory jejich občasnému nedostatečnému popisu. Při tomto posuzování někdy i opravoval chyby v návrzích. V roce 1904 získal Einstein na patentovém úřadě stálé místo.
Čtyři články a doktorát (1905) V dubnu 1905 Einstein dokončil doktorskou práci na Spolkové vysoké technické škole v Curychu „O novém určení molekulárních rozměrů.“ Tentýž rok napsal čtyři články, které podstatně přispěly k základům moderní fyziky. Dokázal to, aniž by se odkazoval na odbornou literaturu a aniž by své teorie diskutoval s vědeckými kolegy a před oficiálním získáním doktorského titulu v lednu 1906. Témata těchto článků byla fotoelektrický jev, Brownův pohyb, speciální teorie relativity a ekvivalence hmotnosti a energie. Za vysvětlení fotoelektrického jevu získal Einstein v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku. V tom je kousek ironie osudu, protože Einstein je dnes mnohem známější pro svoji teorii relativity a navíc fotoelektrický jev je záležitost kvantové fyziky, ze které byl později Einstein poněkud rozčarovaný. Tyto články jsou však přesto hodny zaznamenání především proto, že Einstein převzal odvážně myšlenky teoretické fyziky, dovedl je do jejich logických důsledků a z nich dokázal vysvětlit výsledky experimentů, které po desetiletí vědce zneklidňovaly.
Tyto články v roce 1905 publikoval odborný časopis Annalen der Physik. Rok jejich vzniku je často nazýván jako „Einsteinův zázračný rok“ (annus mirabilis, latinsky: zázračný rok). Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou fyziku (IUPAP) proto pro připomenutí jeho stého výročí rok 2005 vyhlásila světovým rokem fyziky.
Fotoelektrický jev První článek z března 1905, pojmenovaný „O heuristickém hledisku týkajícím se vzniku a přeměny světla“, navrhl myšlenku, že elektromagnetické záření je vyzařováno a pohlcováno po kvantech energie (později nazvaných fotony), balíčcích energie o velikosti úměrné frekvenci záření. Myšlenku kvant převzal od Maxe Plancka, který je použil jako matematické řešení popisu křivky záření absolutně černého tělesa. Einstein vyložil kvanta jako fyzikální realitu a vysvětlil jimi fotoelektrický jev, tedy že pro uvolnění elektronu z atomového obalu působením záření je potřeba dostatečná frekvence a tím i energie kvanta – energie fotonu interagujícího s elektronem. Jednotlivé fotony nízkofrekvenčního záření nemají energii potřebnou pro uvolnění elektronu a tím se vysvětlovalo, proč nebylo možné jevu dosáhnout zvyšováním intenzity záření (zvyšováním množství fotonů).
Představa světla jako kvant byla v přímém rozporu s vlnovou teorií světla, která přirozeně vyplývala z Maxwellových rovnic pro elektromagnetismus, a s představou o nekonečné dělitelnosti energie ve fyzikálních systémech obecně. I když experimenty ukázaly, že Einsteinovy rovnice pro fotoelektrický jev byly přesné, jeho vysvětlení nebylo běžně uznáváno. Avšak po roce 1921, kdy dostal Nobelovu cenu za jeho práci o fotoelektrickém jevu, si většina fyziků už myslela, že rovnice (hf = Wv + Ek, kde h je Planckova konstanta, f frekvence dopadajícího fotonu, Wv výstupní práce a Ek kinetická energie vyraženého elektronu) je správná a světelná kvanta existují.
Teorie světelného kvanta byla předzvěstí vlnově-částicové duality, představy, že fyzikální systémy mohou vykazovat jak vlnové, tak částicové vlastnosti, která byla použita jako základní princip tvůrci kvantové mechaniky. Fotoelektrický jev mohl být úplně vysvětlený až po dozrání kvantové mechaniky.
Brownův pohyb Druhý článek, nazvaný „O pohybu – potřebném pro molekulární kinetickou teorii tepla – malých částic umístěných v klidné kapalině,“ se zabýval studiem Brownova pohybu. S použitím tehdy kontroverzní kinetické teorie tekutin ukázal, že jev, který několik desetiletí odolával uspokojujícímu vysvětlení, poskytuje empirický důkaz reality atomů. Dodal také důvěryhodnost statistické mechanice, která byla také kontroverzní.
Než byl napsán tento článek, byly atomy uznávány jako užitečná představa, ale fyzikové a chemikové se vášnivě přeli o tom, zda vůbec existují. Einsteinův statistický popis chování atomů a jeho vysvětlení ukázaly experimentátorům cestu, jak spočítat atomy prostým pohledem do obyčejného mikroskopu. Wilhelm Ostwald, jeden z hlavních odpůrců atomů, se později přiznal Arnoldu Sommerfeldovi, že změnil názor právě díky Einsteinově kompletnímu vysvětlení Brownova pohybu.
Speciální teorie relativity
Einsteinův třetí článek se jmenoval „O elektrodynamice pohybujících se těles“. Když Einstein pracoval na tomto článku, napsal Milevě o „naší práci o relativitě pohybu“ a toto vedlo k úvahám, zda Mileva měla na této práci podíl. Tento článek představil speciální teorii relativity, teorii času, vzdáleností, hmoty a energie, která byla konzistentní s elektromagnetismem, ale vynechávala gravitaci. Speciální relativita vyřešila záhadu vynořivší se po provedení Michelsonova–Morleyova experimentu, jenž měl prokázat existenci éteru jakožto látkového prostředí, které v podobě vlnění přenáší světlo. Zjištěná rychlost světla byla stále stejná, ne relativní vzhledem k pozorovateli. Toto bylo v newtonovské fyzice nemožné.
Už v roce 1894 se George Francis FitzGerald domníval, že výsledky Michelsonova-Morleyova experimentu mohou být vysvětleny, pokud jsou pohybující se objekty zkráceny ve směru jejich pohybu. Některé z hlavních rovnic Einsteinova článku – Lorentzovy transformace – byly světu představeny už roku 1903 nizozemským fyzikem Hendrikem Lorentzem, který dal FitzGeraldovým domněnkám matematickou formu. Ale Einstein odhalil podstatu této geometrické podivnosti. Jeho vysvětlení pramenilo ze dvou axiomů. Prvním byla stará Galileova myšlenka, že přírodní zákony mají být stejné pro všechny pozorovatele, kteří se vzájemně pohybují konstantní rychlostí. Druhým byl princip, že rychlost světla je stejná pro všechny pozorovatele. Speciální relativita měla několik revolučních důsledků, protože díky ní padla představa absolutního času a prostoru. Teorie byla později nazvána speciální, aby se odlišila od její následovnice obecné teorie relativity, která považuje za sobě rovné i pozorovatele, kteří vůči sobě zrychlují.
Teorie přinesla řadu paradoxů, které odporovaly běžným lidským zkušenostem, a zdálo se, že dává jen málo smyslu. Mohla Einsteina skutečně zesměšnit, ale on se dokázal vypořádat s jejími zdánlivými protiklady a posléze vyřešit její problémy.
Ekvivalence energie a hmotnosti Čtvrtý článek, nazvaný „Závisí setrvačnost tělesa na jeho energii?“, publikovaný na sklonku v roce 1905, představil další odvození z relativistických axiomů – vztah mezi hmotností a energií, který lze zapsat jako . Když se tato rovnice upraví, vznikne notoricky známá rovnice E = mc² říkající, že energie hmoty je rovna její hmotnosti vynásobené čtvercem rychlosti světla. Einstein považoval tuto rovnici za vrcholně důležitou, protože ukazovala, že těžké částice mají kromě kinetické a potenciální energie ještě klidovou energii. Nicméně, většina vědců toto zjištění prostě odmítala jako kuriozitu až do 30. let.
Vztah mezi hmotností a energií lze využít k objasnění, jak jaderné zbraně mohou produkovat tak ohromné množství energie. Měřením hmotnosti atomových jader a jejím vydělením atomovým číslem se dá snadno spočítat vazebná energie, která je uvězněná v různých atomových jádrech. Rozdíly nám umožňují vypočíst, kolik energie se uvolní při přeměně jednoho jádra v jiné. Například v případě rozštěpení jádra uranu je toto číslo ohromující.
Podle Umberta Bartocciho, historika matematiky z Univerzity v Perugii, byla Einsteinova slavná rovnice poprvé publikována již dva roky před tím Olintem De Prettoem, průmyslníkem z italské Vicenzy. Toto tvrzení není obecně přijímáno jako pravdivé nebo důležité, De Pretto mohl rovnici publikovat již dřív, ale byl to až Einstein, kdo ji spojil s teorií relativity.
Zralá léta