Albert Einstein

14. 3. 1879–18. 4. 1955

Albert Einstein se narodil 14. března 1879 v německém Ulmu (Württembersko). Jeho otec Hermann Einstein spolu s bratrem Jakobem provozoval mnichovskou firmu Elektrotechnische Fabrik J. Einstein & Cie., která vyráběla elektrická zařízení na stejnosměrný proud – dynama, obloukové lampy, telefonní systémy a měřicí přístroje. Rodina se přestěhovala do Mnichova už v červnu 1880, rok po Albertově narození. Někdy mezi čtvrtým a pátým rokem dostal malý Albert od otce kompas; tento dárek, jak sám později vzpomínal v autobiografických poznámkách, v něm vzbudil trvalý zájem o povahu fyzikálních polí. V deseti letech začal Albert Einstein se samostudiem přírodních věd. V roce 1894 firma neuspěla v tendru na elektrifikaci Mnichova (neměla kapitál na přechod ze stejnosměrného na střídavý proud) a Einsteinovi se přestěhovali do Itálie – nejprve do Milána, krátce poté do Pavie. Albert zůstal v Mnichově, aby dokončil střední školu.

Einstein a škola

V Mnichově Albert Einstein navštěvoval gymnázium. Studium nedělalo Albertovi problémy, co ale nesnášel byla velká přísnost, která na německých školách panovala. Patnáctiletý Albert Einstein (1894) se vzepřel a odešel za rodinou do Pavie. Nepodařilo se mu složit přijímací zkoušky na švýcarskou polytechniku a tak pokračoval na střední škole ve švýcarském Aarau, která měla velmi dobře vybavenou fyzikální laboratoř.

V roce 1896 vstoupil Albert Einstein na polytechnickou školu v Curychu (ETH), aby se mohl stát učitelem matematiky a fyziky. Zde se Einstein seznámil se svou budoucí manželkou, spolužačkou Milevou Marić, jedinou ženou ve svém ročníku. Einstein se nerad podřizoval školnímu programu a vybíral si jen ty oblasti, které ho zajímaly.

V roce 1901 získal Einstein švýcarské občanství. Nedařilo se mu sehnat místo asistenta na žádné z evropských univerzit. Proto jezdil po Švýcarsku jako suplující učitel. Mileva porodila 27. ledna 1902 v Novém Sadu v Srbsku dceru, kterou rodiče v dopisech nazývali Lieserl. Skandál s nemanželským dítětem by ohrozil Einsteinovo místo na švýcarském patentovém úřadě v Bernu, kde nastoupil v červnu 1902. Lieserl s rodiči nikdy nežila a její další osud zůstává neznámý – jedna hypotéza tvrdí, že byla dána k adopci v Srbsku, druhá (dnes spíše přijímaná), že kolem září 1903 zemřela v dětství na spálu. Existence Lieserl vyšla najevo až v roce 1986 z objevené korespondence. Při své úřednické práci na patentovém úřadu měl Albert Einstein dostatek prostoru k vypracování řady svých pozoruhodných vědeckých prací. Doktorát na curyšské univerzitě obhájil prací O novém určení molekulárních rozměrů v roce 1905.

V lednu 1903 se Albert Einstein oženil s Milevou Marićovou. O rok později se jim narodil syn Hans Albert (pozdější profesor hydraulického inženýrství na Kalifornské univerzitě v Berkeley). V roce 1910 přišel na svět syn Eduard. S Milevou († 1948) se Einstein rozvedl 14. února 1919 a 2. června téhož roku se oženil se svou sestřenicí Elsou Löwenthalovou, rozenou Einsteinovou († 1936).

Zázračný rok 1905

Rok 1905 bývá označován jako Annus mirabilis (zázračný rok). Albert Einstein během několika měsíců napsal jako úředník patentového úřadu čtyři zásadní vědecké práce, z nichž každá změnila jednu oblast fyziky. Všechny vyšly v německém časopise Annalen der Physik:

• Fotoelektrický jev – práce O heuristickém pohledu týkajícím se vzniku a přeměny světla (přijata redakcí 18. 3. 1905). Einstein zde zavedl pojem světelného kvanta (později nazvaného foton) a vysvětlil, proč závisí kinetická energie vyražených elektronů na frekvenci, nikoliv na intenzitě dopadajícího světla. Právě za tuto práci dostal v roce 1921 Nobelovu cenu.
• Doktorská dizertace – Nové určení molekulárních rozměrů (dokončena 30. 4. 1905). Práce poskytla metodu určení velikosti molekul z difuze v kapalině a stala se jednou z nejvíce citovaných vědeckých prací 20. století.
• Brownův pohyb – práce O pohybu malých částic suspendovaných v kapalině v klidu, požadovaném molekulárně-kinetickou teorií tepla (přijata 11. 5. 1905) podala kvantitativní vysvětlení náhodného pohybu pylových zrnek a poskytla jeden z rozhodujících důkazů reálné existence atomů.
• Speciální teorie relativity – O elektrodynamice pohybujících se těles, rukopis přijala redakce Annalen der Physik 30. června 1905 (vyšlo v září). Práce zavádí dva postuláty: princip relativity (zákony fyziky mají stejný tvar ve všech inerciálních soustavách) a konstantnost rychlosti světla ve vakuu pro každého pozorovatele. Z toho plyne dilatace času, kontrakce délek a relativita současnosti.

Krátce poté, v září 1905, Einstein připojil pětistránkový doplněk Závisí setrvačnost tělesa na jeho energetickém obsahu?, ve kterém z rovnic speciální relativity odvodil ekvivalenci hmotnosti a energie – dnes zapisovanou ve známé podobě E = mc².

Einstein a Praha

Do Prahy přijel Albert Einstein 3. dubna 1911 (jmenování platilo od 1. dubna). Působil jako řádný profesor teoretické fyziky na německé části Karlo-Ferdinandovy univerzity (Deutsche Universität in Prag) a byl jmenován přednostou jejího Ústavu teoretické fyziky v dnešní Viničné ulici. Funkci na pražskou stolici teoretické fyziky schválil osobně císař František Josef I.; pro nábožensky nezařazeného Einsteina to znamenalo zapsat se na úředním formuláři jako „mosaického“ vyznání, aby mohl složit přísahu. S rodinou bydlel ve Smíchově (dnešní Lesnická ulice 7), kam se denně vracel přes Vltavu z Viničné. V Praze žil Einstein 16 měsíců a napsal zde 11 vědeckých prací. Manželku Milevu Praha mnoho neoslovila; Einstein sám si Prahu oblíbil postupně, zvláště při pozdější návštěvě.

V pražských letech se Einstein začal soustavně zabývat principem ekvivalence – myšlenkou, že gravitace a zrychlení jsou v dostatečně malé oblasti nerozlišitelné. Zde formuloval předpověď, že paprsek světla se v gravitačním poli Slunce ohne, a objevil i jev gravitačního rudého posunu spektrálních čar. Obě předpovědi se později potvrdily a představovaly mezistupně k obecné teorii relativity, kterou dokončil čtyři roky po odchodu z Prahy.

Do Prahy se Einstein vrátil v lednu 1921. Přednášel na svém někdejším pracovišti i v salonu Berty Fanty na Staroměstském náměstí, kde se setkával s Maxem Brodem, Franzem Kafkou a dalšími. V předmluvě k českému vydání své knihy o relativitě (1923) napsal, že právě v Praze nalezl „klid potřebný k tomu, aby základní myšlenka obecné teorie relativity dostala postupně určitější tvar“.

V roce 1912 Albert Einstein opouští Prahu a vrací se do Curychu, kde je jmenován profesorem teoretické fyziky na ETH. V roce 1914 se Einstein stal členem Pruské akademie věd v Berlíně a profesorem berlínské univerzity (dnes Humboldtova univerzita) bez vyučovacích povinností. Plánované místo ředitele Institutu císaře Viléma pro fyziku (Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik) reálně převzal po jeho založení 1. října 1917; ústav v prvních letech existoval jen na papíře a úřadovalo se z Einsteinova bytu ve čtvrti Schöneberg. V roce 1921 byl Einstein zvolen zahraničním členem londýnské Královské společnosti.

V Německu zůstal Einstein až do roku 1933. Po nástupu Adolfa Hitlera v lednu 1933 se z cesty do USA do nacistického Německa nevrátil, vzdal se německého občanství a přijal pozici na nově založeném Institute for Advanced Study v Princetonu (New Jersey), kde působil až do svého odchodu na odpočinek v roce 1945. Americké občanství získal v roce 1940 (přitom si ponechal i švýcarské).

Speciální teorie relativity

Již v počátcích své vědecké práce Albert Einstein rozpoznal nedostatky newtonovské fyziky. Speciální teorie relativity (SRT, 1905) sjednotila Maxwellovu elektrodynamiku s mechanikou: prostor a čas přestaly být oddělenými absolutními rámci a staly se navzájem provázanými složkami časoprostoru. Z toho plyne dilatace času (pohybující se hodiny jdou pomaleji), kontrakce délek (pohybující se těleso je ve směru pohybu kratší) a relativita současnosti (události současné pro jednoho pozorovatele nejsou současné pro druhého).

Mezi širokou veřejností Einstein nejvíc proslul rovnicí E = mc², která říká, že hmotnost a energie jsou dvě formy téže fyzikální veličiny: malá hmotnost odpovídá velmi velké energii, protože rychlost světla ve vakuu vstupuje do vztahu ve druhé mocnině. Tato ekvivalence stojí za uvolňováním jaderné energie při štěpení i termonukleární syntéze.

Fotoelektrický jev a kvantová teorie

V práci z roku 1905 Einstein navrhl, že světlo se ve vzájemném působení s hmotou chová jako proud diskrétních balíčků energie – světelných kvant, dnes známých jako fotony. Energie kvanta je úměrná frekvenci světla podle vztahu E = hf, kde h je Planckova konstanta. Tím vysvětlil fotoelektrický jev: existenci prahové frekvence, pod kterou se z kovu žádné elektrony neuvolňují, a nezávislost energie vyražených elektronů na intenzitě světla. Za tuto práci obdržel v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku.

Einstein přispěl ke kvantové fyzice i později: v letech 1916–1917 zavedl pojmy spontánní a stimulované emise záření (teoretický základ laseru), v roce 1924 rozvinul práci indického fyzika Satyendry Náth Boseho do Boseho-Einsteinovy statistiky a předpověděl existenci nového stavu hmoty – Boseho-Einsteinova kondenzátu, který byl experimentálně vyroben až v roce 1995 (Cornell, Wieman a Ketterle za to dostali Nobelovu cenu v roce 2001). Paradoxně sám Einstein zůstal vůči pravděpodobnostnímu výkladu kvantové mechaniky kritický – ve známém dopise Maxi Bornovi z prosince 1926 napsal: Teorie přináší mnoho, ale stěží nás přibližuje k tajemství Toho Starého. V každém případě jsem přesvědčen, že nehraje v kostky.

Obecná teorie relativity

Mezi roky 1907 a 1915 Einstein rozvíjel zobecnění speciální teorie relativity, které by zahrnovalo i gravitaci. Východiskem byl princip ekvivalence – pozorovatel zavřený v uzavřené kabině nemůže žádným místním experimentem rozlišit, zda stojí v gravitačním poli, nebo zda se nachází v rovnoměrně zrychlené raketě v prázdném prostoru. Einstein později označil tuto myšlenku za nejšťastnější nápad svého života. Klíčovou matematickou aparát mu pomohl zvládnout jeho dlouholetý přítel a spolužák z ETH Marcel Grossmann.

Finální podobu rovnic gravitačního pole Einstein přednesl 25. listopadu 1915 na zasedání Pruské akademie věd v Berlíně. Obecná teorie relativity popisuje gravitaci nikoliv jako sílu, ale jako projev zakřivení časoprostoru, který způsobuje rozložení hmoty a energie. Teorie zároveň objasnila do té doby záhadný stáčení perihelu Merkura o 43 úhlových vteřin za století.

První dramatické experimentální potvrzení přišlo při úplném zatmění Slunce 29. května 1919. Dvě britské expedice vedené Arthurem Eddingtonem (Princippe v Africe) a Andrewem Crommelinem (Sobral v Brazílii) změřily ohyb světla hvězd procházejícího kolem zatemnělého Slunce a naměřená hodnota odpovídala Einsteinově předpovědi, nikoliv newtonovské. Výsledky byly oznámeny 6. listopadu 1919 na společné schůzi Royal Society a Royal Astronomical Society v Londýně a během několika dní udělaly z Einsteina světovou celebritu.

Obecná teorie relativity zůstává jedním z nejlépe ověřených fyzikálních modelů. Postupně byly potvrzeny všechny její podstatné předpovědi: stáčení perihelu (Merkur, později i binární pulzar), gravitační rudý posun (Pound a Rebka 1959; korekce hodin GPS), zpoždění radiového signálu v gravitačním poli (Shapiro 1964), gravitační čočkování (od 1979), gravitační vlny (LIGO, 14. září 2015, signál ze srážky dvou černých děr) a dokonce přímé zobrazení stínu černé díry v jádře galaxie M87 (Event Horizon Telescope, 2019) i v centru naší Galaxie (Sgr A*, 2022). Díky Einsteinově teorii dokážeme dnes popsat vesmír jako celek, modelovat jeho rozpínání i chování v okolí černých děr.

Politické postoje a poslední roky

V srpnu 1939 podepsal Einstein dopis prezidentu Franklinu D. Rooseveltovi, který spolu s ním sestavili Leó Szilárd a Eugene Wigner. Dopis varoval, že nově objevené jaderné štěpení uranu lze využít k sestrojení mimořádně ničivé bomby a že na ní podle všeho pracuje nacistické Německo. Tento dopis se stal jedním z impulzů ke spuštění amerického Manhattan Projectu. Sám Einstein se na projektu nepodílel (nedostal bezpečnostní prověrku) a po Hirošimě a Nagasaki podepsání dopisu označil za jedinou velkou chybu svého života.

V květnu 1946 Einstein spolu s Leó Szilárdem založil Mimořádný výbor atomových vědců (Emergency Committee of Atomic Scientists). Cílem výboru bylo upozornit veřejnost na nebezpečí jaderných zbraní a prosazovat mezinárodní kontrolu jaderné energie. Einstein byl předsedou výboru až do jeho útlumu na přelomu let 1948–1950 a stal se jednou z nejviditelnějších tváří mírového hnutí vědců. Krátce před smrtí podepsal také Russellův-Einsteinův manifest (9. července 1955), který vyzýval k hledání mírových cest řešení mezinárodních konfliktů; manifest dal podnět ke vzniku Pugwashských konferencí.

V listopadu 1952, krátce po smrti prvního izraelského prezidenta Chaima Weizmanna, nabídl izraelský velvyslanec v USA Abba Eban jménem premiéra Davida Ben-Guriona Einsteinovi úřad prezidenta Státu Izrael. Einstein nabídku zdvořile odmítl s odůvodněním, že po celý život pracoval s „objektivními věcmi“ a chybí mu vrozená schopnost i zkušenost s jednáním s lidmi v oficiálních funkcích. S Weizmannem v roce 1921 spolupracoval na sbírkách pro založení Hebrejské univerzity v Jeruzalémě, jíž později odkázal i své písemnosti a autorská práva.

Ke konci života Einstein pracoval na jednotné teorii pole – pokusu o společný geometrický popis gravitace a elektromagnetismu. Tento cíl se mu nepodařilo dovést k úspěchu a i moderní teorie všeho (kvantová gravitace, teorie strun) zůstávají dodnes otevřeným problémem fyziky.

Albert Einstein zemřel 18. dubna 1955 v Princetonu na následky prasknutí výdutě břišní aorty. Jeho zpopelněné ostatky byly podle jeho přání rozptýleny na neznámém místě.

Použity materiály ze serveru Nobel e-Mueum, stránky www.mujweb.cz/www/nobelfyzika (Robert Weinlich) a Time Line of Einstein's Life

Související odkazy

• Albert Einstein – Wikipedie
• Albert Einstein Online – S. Morgan Friedman
• Einstein Archives Online
• Albert Einstein Archives
• Albert Einstein – University of St. Andrews
• Albert Einstein – Biographical – NobelPrize.org
• Einstein Website – mezinárodní biografický portál