www.projektsako.cz
Fyzika Pracovní list č. 11 Téma: Za Albertem Prahou
Lektor:
Mgr. Libor Lepík
Projekt: Reg. číslo:
Student a konkurenceschopnost CZ.1.07/1.1.07/03.0075
Za Albertem Prahou Naše putování začalo na Vyšehradě prohlídkou společného místa posledního odpočinku vynikajících českých osobností (František Křižík, Jaroslav Heyrovský, ad.).
Ve vestibulu budovy Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, se nachází jedna ze tří pamětních desek v Praze věnovaná Albertu Einsteinovi (ulice Viniční) V této budově sídlil od roku 1911 Ústav teoretické fyziky a pamětní deska připomíná, že zde Albert Einstein působil v letech 1911-1912 jako univerzitní profesor.
-2-
Na Karlově náměstí jsme našli pamětní desku
věnovanou
matematikovi
a
fyzikovi
rakouskému Christianu
Dopplerovi.
Na Staroměstském náměstí jsme obdivovali Orloj a našli pamětní desku na stěně domu U jednorožce, která připomíná pobyt Alberta Einsteina. V tomto domě, v salonu Berty Fantové, hrával Albert Einstein na housle a setkával se se svými přáteli Maxem Brodem, Francem Kafkou ad.
-3-
Úkol č.1: Test o Albertu Einsteinovi:
Albert Einstein Co je významného na vlastní existenci, je si člověk sám sotva vědom, a někomu jinému by to jistě starost dělat nemělo. Co ví ryba o vodě, v níž plave po celý svůj život? To hořké i sladké přichází zvenčí, těžkosti zevnitř, z vlastního usilování. Většinou dělám věci, které mě nutí dělat vlastní přirozenost. Uvádí mě do rozpaků, že se za to člověku dostává tolik úcty a lásky. Šípy nenávisti byly na mne vystřelovány také: ale nikdy mě nezasáhly, protože jaksi patřily do jiného světa, se kterým nemám vůbec žádný kontakt. Žiji v oné samotě, jež je bolestná v mládí, ale lahodná v letech zralosti.
Koncem 19. století se ve fyzice objevilo několik problémů, které nebylo možno vysvětlit na základě klasických fyzikálních představ. Šlo zejména o otázky kinetické teorie tepla, fotoelektrický jev a o problém šíření světla ve vakuu. V roce 1905 se v rozmezí několika měsíců objevily v německém odborném časopise Annalen der Physik čtyři teoretické články, podepsané do té doby zcela neznámým Albertem Einsteinem. Každý z těchto článků měl zásadní význam pro vznik a rozvoj moderní fyziky 20. století. 1. Einstein se kinetickou teorií tepla zabýval už ve své disertační práci z roku 1904. V článku Űber die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte ...(O povaze pohybu částic v tekutině z hlediska molekulárně-kinetické teorie tepla zveřejněno 18. 7. 1905) téma rozšířil a podařilo se mu vytvořit exaktní matematický výklad: a) Brownova pohybu, b) Blackova pohybu, c) Greenova pohybu, jednoho z důkazů existence neustálého pohybu molekul. Rozhodujícím způsobem tak podpořil Boltzmannovu nauku o částicové stavbě látek. 2. Űber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden ... (O vzniku a šíření světla z heuristického hlediska, zveřejněno 9. 6. 1905). Klasická fyzika nebyla schopna vysvětlit paradoxní vlastnosti fotoelektrického jevu, při kterém se dopadem záření na povrch kovu uvolňují elektrony. V rozporu s Maxwellovou teorií elektromagnetického pole není energie uvolněných elektronů závislá na intenzitě dopadajícího záření, ale na jeho vlnové délce. Maxwellova teorie, do té doby téměř bez kazu, v tomto případě zklamala na celé čáře.
-4-
Einstein dospěl k překvapivému závěru, že vlastnosti fotoelektrického jevu lze pochopit jedině tak, že přijmeme myšlenku německého fyzika Maxe Plancka z roku 1900. Ten při řešení obtížného problému záření černého tělesa vycházel z „neklasického“ předpokladu, že zdroj vysílá záření nespojitě, po kvantech energie. Einstein tuto kvantovou hypotézu převzal do své kvantové teorie světla. Na jejím základě se mu podařilo srozumitelně objasnit fotoelektrický jev a další kvantové vlastnosti světla. Pro hloubku Einsteinových úvah je charakteristická skutečnost, že na základě kvantové teorie již v roce 1917 předpověděl existenci tzv. stimulované emise záření, která se po padesáti letech stala základem jednoho z nejvýznamnějších vynálezů 20. století - laseru. O významu teorie svědčí i to, že Nobelovu cenu za fyziku dostal Einstein: a) v roce 1911, b) v roce 1921, c) v roce 1931, právě za svou průkopnickou práci v oboru kvantové fyziky. Ze základních myšlenek kvantové teorie vyšel dánský fyzik Niels Bohr a vytvořil v roce 1913 první model atomu, založený na kvantování jeho energie. Podařilo se mu objasnit, jak vzniká světlo a proč se světla z různých zdrojů navzájem liší. 3. Zur Elektrodynamik bewegter Körper (K elektrodynamice pohybujících se těles, zveřejněno 26. 9. 1905). Koncem 19. století byla shromážděna řada experimentálních výsledků, které nebylo možno vysvětlit pomocí zákonů klasické fyziky, vycházejících z Newtonovy mechaniky. Zvlášť znepokojivý byl výsledek přesných měření amerických fyziků Michelsona a Morleye. Podle nich rychlost světla ve vakuu nezávisela na rychlosti pohybu zdroje nebo pozorovatele a za všech okolností měla konstantní hodnotu 300 000 km/s. To bylo v rozporu s klasickými představami. O vysvětlení se pokoušela řada fyziků, z nichž byl nejblíže cíli Holanďan H. A. Lorentz, žádný však nenašel odvahu k radikálnímu řešení. Zásadní krok udělal teprve A. Einstein: poznal hluboký fyzikální význam konstantní rychlosti světla a považoval ji za projev základních vlastností prostoru a času. Rozborem těchto pojmů dospěl k závěru, že je nutno opustit Newtonovy představy o absolutním čase a absolutním prostoru a nahradit je novým, relativistickým pojetím. Nová nauka o čase, prostoru, pohybu, hmotnosti a energii dostala název: a) speciální teorie relativity, b) speciální teorie želatiny, c) speciální teorie kulatiny (hranolu),
-5-
Její důsledky se projevují zejména při rychlostech blízkých rychlosti světla - zvláště při studiu elementárních částic a v jaderné fyzice. 4. Čtvrtý článek Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? (Je hmotnost těles závislá na jejich energii?, zveřejněno 21. 11. 1905)se zabýval jedním z nečekaných důsledků speciální teorie relativity. Zatímco o závislosti času a prostoru na rychlosti pohybu měli někteří fyzikové tušení už před Einsteinem, tento důsledek byl zcela nový. Einstein jej vyjádřil slavnou rovnicí: a) E = (hop)2, b) E = mc2, c) E = IQtyQ, každá změna energie tělesa se projeví změnou jeho hmotnosti. Rovnice pro vztah mezi hmotností a energií našla po čtyřiceti letech své tragické potvrzení při výbuchu atomových pum nad japonskými městy Hirošimou a Nagasaki. Naopak jejím pozitivním přínosem byl vznik a celosvětový rozvoj jaderné energetiky. 5. Speciální teorie relativity popisuje chování těles, která se vůči sobě pohybují stálou rychlostí, a uplatňuje se hlavně při velmi vysokých rychlostech. Nedá se však použít u pohybů křivočarých a nerovnoměrných, například v silném gravitačním poli. Einstein proto v práci pokračoval a po několikaletém úsilí se mu v roce 1915 podařilo rozšířit teorii relativity i na pohyby zrychlené. Cesta k řešení však nebyla jednoduchá a vyžádala si kromě brilantního uvažování fyzikálního také hluboké znalosti matematiky. Ukázalo se, že bude třeba vytvořit novou teorii gravitace - a tou je právě obecná teorie relativity. Hmotnost tělesa můžeme měřit dvojím způsobem:
využijeme gravitačního působení na měřené těleso, lidově řečeno těleso zvážíme na vahách a určíme tak jeho gravitační hmotnost
působíme na těleso určitou silou a změříme zrychlení, s jakým se dá těleso do pohybu. Čím větší je hmotnost tělesa, tím menší bude jeho zrychlení. Tímto způsobem zjistíme setrvačnou hmotnost tělesa
a) gravitační i setrvačná hmotnost tělesa je stejná, b) gravitační hmotnost je větší než setrvačná hmotnost, c) gravitační hmotnost je menší než setrvačná hmotnost.
-6-
6. Ve spolupráci s matematikem: a) Holismanem, b) Zidecmanem, c) Grossmannem, podal Einstein zcela originální interpretaci obecné teorie relativity. Podle ní je gravitační pole projevem zakřivení časoprostoru - v prostoru, v němž působí gravitační pole, neplatí zákony euklidovské geometrie, kterou známe už ze školních lavic. Zakřivení časoprostoru je tím větší, čím silnější je gravitační pole. Tak je tomu v blízkosti velmi hmotných těles, například hvězd. K extrémnímu zakřivení dochází v okolí tzv. „černých děr“.
Zemské gravitační pole je poměrně slabé a k jeho popisu můžeme bez problémů a s dostatečnou přesností použít jednodušší Newtonovu gravitační teorii. Einsteinova teorie se uplatní až v případě silných gravitačních polí hvězd. Jedním z důsledků obecné teorie relativity je zakřivení dráhy světelných paprsků v gravitačním poli hvězd: světlo má energii a podle speciální teorie také hmotnost. Proto je jeho dráha v blízkosti hvězd zakřivována. Tento efekt předpověděl Einstein už v roce 1913, ale ověřit se ho podařilo teprve v roce 1919 při zatmění Slunce. Jiný efekt - relativistický rudý posuv ve spektru hvězd a galaxií - se stal neocenitelným pomocníkem astronomů, zkoumajících stavbu vesmíru.
7.
1879 Ve starobylém bavorském městě Ulm an der Donau, domě na Bahnhofstraße č. 20,
se židovským manželům Hermannovi a Paulíně Einsteinovým narodilo a) 14. března 1879 první dítě, syn Albert, jednoho chladného, ale slunečného dne před polednem, b) 14. března 1879 první dítě, syn Albert, jednoho chladného, ale slunečného dne po poledni, c) 14. března 1879 první dítě, syn Albert, jedné chladné noci, před půlnocí. Rodný dům budoucího génia už nestojí - byl zničen při těžkém náletu v prosinci 1944.
-7-
8.
1880 - 1895 V roce 1880 se rodina Einsteinových přestěhovala do Mnichova, kde si otec
otevřel instalatérský obchod a později závod na výrobu elektrických přístrojů. V Mnichově začal malý Albert chodit do základní školy. Vyberte ze tří výroků o Albertkovi ten pravdivý: a) Když se mu jednou nelíbilo vyučování, uchopil židli a tloukl jí učitelku, která se tak vyděsila, že utekla a nikdo už ji nespatřil. b) Jednou sestře hodil na hlavu velkou kouli. c) Použil dětskou sekerku, aby sestře udělal díru do hlavy. Naštěstí hněvivé záchvaty v sedmi letech ustoupily a během prvních školních let zmizely docela. V devíti letech přešel na Luitpoldovo gymnázium. Už v této době se začal systematicky připravovat na studium teoretické fyziky a ve škole výrazně vynikal v matematice. Vzhledem ke své svobodomyslné povaze však těžce snášel tehdejší školský dril a pro neshody s učiteli opustil školu ještě před maturitou. Protože nezískal maturitní vysvědčení, nemohl se přihlásit k dalšímu studiu na žádné německé univerzitě.
9.
1895 - 1900 Albert se jako šestnáctiletý pokusil složit přísné přijímací zkoušky na
Technologickém institutu curyšské univerzity (ETH), kde nebylo maturitní vysvědčení podmínkou přijetí. Měl sice vynikající výsledky v matematice a fyzice, ale neuspěl v jazycích a historii. Proto si nejprve doplnil vzdělání na kantonální škole v Aarau. Poté byl přijat na ETH a po osmi semestrech získal v roce 1900 učitelský diplom se zaměřením na matematiku a fyziku. Albert Einstein vyrostl v nápadně hezkého mladého muže s lehce zvlněnými černými vlasy, se rty s náznakem smyslnosti, s lehce svěšenými koutky úst, které jako by naznačovaly skepsi a s velkýma a) modrýma, b) hnědýma, c) zelenýma, očima, jejichž pohled byl vyzývavě sebevědomý a často zasněný.
10.
V matematické sekci VI A, do níž byly sloučeny matematika, fyzika a astronomie,
studoval roku 1896 Albert Einstein a jako jediná studentka Mileva Maričová, která pocházela z Vojvodiny, byla o tři roky starší než Albert,v dopisech jí vždy vykal, rozuměli si tak dobře při pití kávy, pojídání párků. Milovali se. Z dopisu z Nového Sadu, který mu Mileva poslala do Bernu, se dvacetiletý Albert dozvěděl o narození prvního dítěte, holčičky Lízinky. Mileva přijela do Švýcarska teprve koncem roku, ovšem bez dítěte.
-8-
Einsteinův otec dal souhlas ke sňatku až na smrtelném loži (zemřel 10. října 1902, je pochován v Miláně). 6. ledna 1903 se konala svatba, nezúčastnili se jí ani rodiče Milevy, ani Einsteinova matka. Mileva zjišťuje, že je opět těhotná. Dcera Lízinka byla s největší pravděpodobností v Bělehradě předána do cizích rukou. Své první dítě Einstein už nikdy nespatřil. 14. května 1904 se narodil první syn Hans Albert. Mileva měla na první pohled jeden drobný nedostatek: a) chybělo jí pravé oko, b) chyběl jí prostředníček na levé ruce, c) kulhala. 11. 1900 - 1905 Po absolvování ETH, už jako švýcarský občan, krátce vyučoval na střední škole a napsal několik teoretických prací. 23. června 1902 nastoupil jako technický expert III. třídy do a) patentového úřadu v Lucernu s ročním platem 3500 švýcarských franků, b) patentového úřadu v Bernu s ročním platem 3500 švýcarských franků, c) patentového úřadu v Berlíně s ročním platem 3500 švýcarských franků.
12.
1905 - 1910 Mladý fyzik stále pracuje v patentovém úřadu, již jako expert II. třídy s
ročním platem 4500 franků. Současně publikoval další vědecké práce a v lednu 1905 získal doktorát na curyšské univerzitě. Začátkem roku 1908 se úspěšně habilitoval na univerzitě v Bernu jako soukromý docent a v příštím roce poprvé vystoupil na vědeckém setkání v Salcburku a seznámil se zde s významnými fyziky: a) M. Planckem, b) A. Sommerfeldem, c) M. Bornem a dalšími. Současně odchází z patentového úřadu a působí jako mimořádný profesor na univerzitě v Curychu. Rodina se rozrostla o dalšího syna, Eduarda (28. červenec 1910).
-9-
13. 1911 - 1912 Einstein přijal nabídku německé univerzity v Praze a nastoupil zde jako řádný profesor. Svůj krátký pražský pobyt ukončil v létě 1912, kdy se vrátil do Bernu na ETH, svou „Alma Mater“. Do města na Vltavě přibyl Albert Einstein: a) 1. dubna 1911, b) 22. dubna 1911, c) 1. května 1911. Mileva nebyla příliš atraktivní, scházel jí pocit sebevědomí, který potřebovala, aby si byla Albertem jistá. Ten naopak zájem žen budil. Tento stav u Milevy vyvolával zádumčivost, hraničící s depresí. 25. července 1912 opustili Einsteinovi Prahu. 14. 1911 - 1912 V Praze se Albert Einstein na Staroměstském náměstí v domě „U jednorožce“ setkával: a) se spisovatelem Maxem Brodem, b) se spisovatelem Franzem Kafkou, c) s filosofem a sionistou Hugo Bergmannem. 15. 1913 - 1933 Byl povolán do Berlína, kde se stal řádným členem Pruské akademie věd a byl jmenován ředitelem Výzkumného ústavu fyziky společnosti císaře Viléma. Někdy v červnu 1914 musel přijet do Berlína Michel Besso a odvézt bezmocnou přítelovu ženu spolu s dětmi do Švýcarska. Když doprovodil Milevu, syny a přítele Bessoa na nádraží, doprovázel ho Fritz Haber. „Vracel se z nádraží a plakal.“ Einstein pokračoval v práci na vytvoření obecné teorie relativity a první výsledky zveřejnil v roce 1916. V Berlíně se plně rozvinula jeho vědecká práce (14. února 1919 okresní soud rozvedl manželství s Milevou pro „nevěru, nesnášenlivost povah“ a z dalších závažných důvodů; děti byly předány do péče Milevě, Einstein se zavázal k ročním příspěvkům ve výši osmi tisíc franků, které měly být kryty z úroků z předpokládané Nobelovy ceny, a kromě toho bylo Einsteinovi jako provinilé straně podle tehdejších švýcarských zvyků uloženo, že se nesmí příští dva roky ženit). Vzápětí 2. června 1919 se před občanským úřadem v Berlíně oženil se svou rozvedenou sestřenicí Elsou (o tři roky starší, atraktivní žena plná života, měla dvě děti z předchozího manželství). Koncem února 1920 umírá Puline Einsteinová (matka) na rakovinu. Nastalo období velké popularity A. Einsteina mezi laickou veřejností i mezi nejvýznamnějšími osobnostmi vědy, kultury i politiky. Teorie relativity se stala společenským „hitem“ a Einstein byl zván na přednášky po celém světě. Současně se intenzivně angažoval v pacifistickém hnutí a v boji za lidská práva a za odzbrojení. Roku 1921 obdržel Einstein
- 10 -
a) Nobelovu cenu za fyziku, b) Nobelovu cenu za chemii, c) Nobelovu cenu za mír. Je zajímavé, že mu Nobelova cena byla udělena za přínos v oblasti kvantové fyziky a nikoli za vytvoření teorie relativity. 16. 1933 - 1945 Nástup Hitlera k moci zastihl Einsteina s Elsou při pobytu v Belgii. Vzhledem ke svému odporu k nacistické ideologii a také kvůli svému židovskému původu se rozhodl zůstat v zahraniční emigraci. Vzdal se německého občanství i členství v Pruské akademii věd. V nacistickém Německu byla na Einsteinovu hlavu vypsána odměna 50000 říšských marek a jeho práce byly spolu s jinou „neárijskou“ literaturou veřejně spáleny v parku před berlínskou operou. Charles Chaplin Einsteina pozval 31. ledna 1931 do Los Angeles na premiéru filmu Světla velkoměsta. V říjnu 1933 začal působit jako profesor na americkém Princetonu v Institutu pro pokročilá studia (Institute for Advanced Study) a zůstal zde až do své smrti. 20. prosince 1936 v domě v Princetonu umírá žena Elsa. Když se podařilo v roce 1938 německým fyzikům F. Strassmannovi a O. Hahnovi poprvé rozštěpit jádra uranu, uvědomil si Einstein nebezpečí, které by představovala uvolněná jaderná energie v Hitlerových rukou. Proto podepsal v srpnu 1939 dopis americkému prezidentovi F. D. Rooseveltovi, ve kterém doporučuje zahájení práce na konstrukci atomové pumy. 1. října 1940 získal Einstein americké občanství. Nejtěžší chvíle svého života zažíval tvůrce teorie relativity po atomovém bombardování japonských měst Hirošima a Nagasaki v srpnu 1945. Einstein nikdy nenavštívil: a) Bermudy, b) Sovětský svaz, c) Japonsko 17. 1945 - 1955 Hned po válce se Einstein aktivně zapojil do boje za zákaz vývoje, výroby a použití atomových zbraní. Své názory a výzvy k odvrácení jaderné války vyjadřoval v mnoha veřejných vystoupeních jako předseda sdružení amerických fyziků, které se postavilo proti zneužití jaderné energie pro válečné účely: „... My vědci, kteří jsme uvolnili tuto strašlivou sílu, máme nyní velkou odpovědnost za to, aby atomová energie sloužila pro blaho lidstva a ne k jeho zkáze ...“.
- 11 -
Problémem zákazu jaderných zbraní se zabýval i ve svém posledním dopise, který napsal 11. dubna 1955 britskému filozofovi B. Russelovi. V roce 1952 byla Einsteinovi nabídnuta kandidatura na prezidenta státu a) Izrael, b) USA, c) Německa, kterou však odmítl. V té době i nadále pracoval - marně - na vytvoření jednotné teorie pole, která by byla zobecněním všech dosavadních teorií. 18. Einsteina přitahovala technická řešení problémů. Mezi jeho vynálezy je: a) kulový kompas, b) dokonale tiše fungující lednička, c) Einsteinovo-Szilardovo čerpadlo. Einsteinova první žena Mileva zemřela v roce 1948 v Curychu a až do úplného konce svého i tak nelehkého života ošetřovala Eduarda trpícího schizofrenií 19. 1955 Albert Einstein zemřel v princetonské nemocnici časně ráno 18. dubna. Téhož dne po kremaci byl jeho popel a) bez jakýchkoli veřejných obřadů rozptýlen, b) uložen do urny na hřbitově, c) uložen do urny a odvezen do rodné země. 20. „Při loučení s tímto zvláštním světem mě smrt trochu předběhla. To nic neznamená. Pro nás věřící fyziky má dělení na minulost, přítomnost a budoucnost jen význam iluze, třebaže se jí tvrdošíjně držíme.“
- 12 -
A naše putování jsme ukončili na MFF UK.
Foto: 06/2012, Praha
- 13 -
Zdroje: FÖLSING, Albrecht. Albert Einstein. Z německého originálu Albert Einstein, Eine Biographie vydaného v nakladatelství Suhrkamp Verlang Frankfurt am Main 1993 přeložil Miroslav Svojše. EINSTEIN, Albert. Jak vidím svět . Z německého originálu Mein Weltbild přeložili Hanuš Karlach. EINSTEIN, Albert. Z mých pozdějších let. Jak vidím svět II. Z anglického originálu Out of My Later Years přeložili Martin Černohorský, Marie Fojtíková a kol. KUZNĚCOV, B. G. Einstein. Z ruského originálu Ejnštejn přeložil Jan Horský. HIGFIELD, Roger. Soukromý život Alberta Einsteina. Z anglického originálu The Private Lives of Albert Einstein přeložil Dušan Provazník
Odkazy: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/einstein/obsah.htm, z 28.5.2012
- 14 -
