Thời niên thiếu và trường học

Albert Einstein sinh ra trong một gia đình người Do Thái tại thành phố Ulm, bang Baden-Württemberg, nước Đức. Ông sinh ngày 14 tháng 3 năm 1879. Cha ông, Hermann Einstein, là một kỹ sư đồng thời cũng là người bán hàng. Mẹ ông tên là Pauline Einstein. Năm 1880, gia đình Einstein chuyển về sống tại Munich - nơi cha và chú ông thành lập nên một công ty cung cấp thiết bị điện.

Gia đình ông không theo đạo của người Do Thái. Albert Einstein được theo học tại trường tiểu học Công giáo. Mặc dù ông gặp một chút trở ngại trong ngôn ngữ, ông là một trong những học sinh giỏi nhất của trường.

Khi Einstein 5 tuổi, ông được cha tặng một chiếc la bàn và ông đã để ý và nhận ra rằng trong không gian phải có một cái gì đó làm chuyển động cây kim chỉ hướng. Việc này đã để lại cho ông một ấn tượng sâu sắc với khoa học. Sau đó, ông bắt đầu dựng các mô hình và máy đơn giản, chứng tỏ tài năng thiên bẩm của mình.

Đến năm 1894, công ty của cha ông phá sản. Gia đình ông phải chuyển đến sống ở Ý, đầu tiên là ở Milan rồi mới chuyển đến Pavia sau đó vài tháng. Trong thời gian này, Einstein đã viết công trình khoa học đầu tiên của mình về từ trường. Thật ra ông được ở lại Munich để học hết trung học phổ thông nhưng mùa xuân năm 1895 ông đã rời khỏi đây về Pavia sống với gia đình.

Sau đó Einstein quyết định không học hết trung học mà xin học tại Học viện công nghệ liên bang Thụy Sĩ tại Zürich (ETH). Ông đã trượt kỳ kiểm tra đầu vào mặc dù điểm thi môn Toán và Vật Lý rất cao. Do đó ông đã được gửi tới Aarau (Thụy Sĩ) để hoàn thành chương trình học phổ thông. Đến năm 17 tuổi, ông tốt nghiệp và từ bỏ quốc tịch Đức để tránh phải đi nghĩa vụ quân sự và đến học tại khoa toán của trường ETH. Tại đây ông đã gặp người vợ đầu tiên của mình là Mileva Marić, người phụ nữ duy nhất học toán ( hai người cưới nhau vào ngày 6 tháng 1 năm 1903 ). Năm 1900, Albert Einstein tốt nghiệp và sau đó một năm ông đã gia nhập quốc tịch Thụy Sĩ.

Phát triển sự nghiệp

Einstein nhận bằng tiến sĩ từ Đại học Zurich năm 1905 và cùng năm này xuất bản 3 công trình khoa học trong đó có thuyết tương đối hẹp. Sau khi phát kiến ra nguyên lý tương đương của trọng trường năm 1907, Einstein trở thành giảng viên tại Đại học Bern năm 1908, rồi thành giáo sư vật lý tại Đại học Zurich năm 1909 và bắt đầu được biết đến là một nhà khoa học hàng đầu. 1911, trong khi chuyển đến giảng tại Đại học Karl-Ferdinand ở Praha (thủ đô của Tiệp Khắc lúc đó), ông đưa ra tiên đoán đầu tiên của thuyết tương đối rộng là ánh sáng phải đi theo đường cong khi qua gần Mặt Trời. Một năm sau đó trở lại Zurich tiếp tục phát triển lý thuyết về trọng trường bằng tính toán tensor, với sự giúp đỡ của bạn học và cũng là nhà toán học Marcel Grossmann. Năm 1914 ông quay lại Đức, trở thành thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Đức. Năm 1915, lần đầu thuyết tương đối rộng được xuất bản. Năm 1919, đo đạc với ánh sáng mặt trời khi có nhật thực của một đoàn chuyên gia người Anh đã khẳng định tiên đoán của Einstein vào năm 1911.

Bức ảnh Einstein thè lưỡi nổi tiếng chụp vào ngày sinh nhật, ngày 14 tháng 3 năm 1951, United Press International

Einstein nhanh chóng trở nên rất nổi tiếng trên thế giới, còn ở Đức ông lại bị một số phần tử bài Do Thái tấn công. Từ năm 1920 đến năm 1927, ông đi khắp thế giới để thuyết trình và hoạt động xã hội (1921 Mỹ, 1922 Pháp và Nhật, 1923 Palestine, rồi 1924 Nam Mỹ). Năm 1921 cũng là năm Einstein được nhận giải thưởng Nobel về vật lý, không phải cho công trình nổi tiếng nhưng vẫn còn gây tranh cãi vào thời điểm này là lý thuyết tương đối, mà cho những giải thích về hiệu ứng quang điện. Bắt đầu từ năm 1927, Einstein tham gia vào một cuộc tranh luận với Niels Bohr về thuyết lượng tử. Ông làm việc quá sức và lâm bệnh năm 1928. Mặc dù bình phục ngay trong năm này, cường độ làm việc của ông buộc phải giãn hơn trước. Năm 1932, Einstein nhận giảng tại Đại học Princeton, tại Mỹ, và không quay trở lại nữa vì chính quyền chống Do Thái Đức quốc xã đã cầm quyền ở Đức. Năm 1933, ông tiếp tục chu du Oxford, Glasgow, Brussels, Zurich và nhận được những vị trí danh dự mà ông đã từng mơ ước vào năm 1901 từ Jerusalem, Leiden, Oxford, Madrid và Paris. Năm 1935 Einstein quyết định ở lại Princeton thực hiện những cố gắng trong việc thống nhất các định luật của vật lý. Năm 1940 ông nhận quốc tịch Mỹ, và vẫn giữ quốc tịch Thụy Sĩ.

Einstein là một người phản đối chiến tranh và đã gây được 6 triệu đô la tiền quỹ bằng việc bán đấu giá bản viết tay về thuyết tương đối hẹp của mình vào năm 1944. Ông bắt đầu lâm bệnh từ năm 1949 và viết di chúc năm 1950. Năm 1952, chính phủ Israel mời Einstein nhận chức tổng thống, nhưng ông từ chối. Một tuần trước khi mất, Einstein ký tên vào một bức thư kêu gọi các nước không xây dựng vũ khí hạt nhân. Ông mất tại Trenton, New Jersey, 4 giờ chiều ngày 18 tháng 4 năm 1955.

Công trình khoa học

Ông là người đã công bố vào năm 1905 ba bài viết gây nên ảnh hưởng có tính cách mạng đến sự phát triển của vật lý hiện đại.

Trong bài viết thứ nhất, ông đã đề xuất thuyết tương đối hẹp mô tả chính xác hơn các hạt vật chất chuyển động với vận tốc cao. Tiên đề cơ bản của thuyết tương đối hẹp là vận tốc ánh sáng cũng như mọi định luật vật lý là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Einstein biết rõ về kết quả thí nghiệm âm tính của Michelson-Morley, nhưng chưa quen biết với công trình của Hendrik Lorentz sau năm 1895, nên ông đã tự sáng tạo ra biến đổi Lorentz cho mình (Pais 1982, p. 133).

Thuyết tương đối hẹp đòi hỏi nhiều sự thay đổi đối với các định luật cơ học, tuy nhiên các phương trình điện từ của James Clerk Maxwell được phát hiện là thoả mãn hoàn toàn thuyết này mà không cần sự thay đổi gì. Sử dụng thuyết tương đối hẹp, Einstein đã tìm ra được sự tương đương giữa khối lượng nghỉ m0 và năng lượng E của vật chất, mô tả bởi E2-p2c2=m02c4, với c là vận tốc ánh sáng và p là động lượng (tương đối tính). Khi khối lượng tổng cộng (tương đối tính) m=γm0 được dùng (ở đây γ=(1-(v/c)2)½), phương trình đơn giản hoá thành phương trình nổi tiếng E=mc2.

Công thức nổi tiếng tại Berlin

Trong bài viết thứ hai, cùng xuất bản vào năm 1905, Einstein đã giải thích được hiệu ứng quang điện bằng cách giả thiết rằng ánh sáng là các hạt chuyển động (gọi là photon) với năng lượng E=hν, ở đây h là hằng số Planck (gọi tên theo nhà vật lý Max Planck) và ν là tần số của hạt photon. Đây là một mở rộng của lý thuyết lượng tử ánh sáng của Planck. Phương trình mà Einstein tiên đoán từ lý thuyết này đã được kiểm chứng bằng thí nghiệm của Robert Millikan vào năm 1916.

Cũng vào năm 1905 ấy, trong bài viết thứ ba, Einstein đã giải thích chuyển động Brown bằng lý thuyết động học, với lập luận cơ bản là chuyển động của các hạt Brown là do sự va đập hỗn loạn của các phân tử. Einstein đã tiếp tục phát triển lý thuyết này đến một phương trình cho thấy các hạt lơ lửng trong không trung trên mặt đất sẽ dần dần tự sắp xếp theo mật độ giảm dần theo hàm mũ tự nhiên từ thấp lên cao. Sử dụng phương trình của Einstein cho chuyển động Brown và phân bố của các hạt, Jean Perrin đã đo được hằng số Boltzmann bằng thí nghiệm.

Einstein sau đó tiếp tục phát triển thuyết tương đối rộng, dựa trên tiên đề là gia tốc đều tương đương với trọng trường hấp dẫn. Tiên đề này thường được biết đến với tên gọi nguyên lý tương đương của trọng trường. Nó mô tả trọng trường như là độ cong của không thời gian. Lý thuyết tương đối rộng sử dụng rất nhiều tính toán tensor Ricci-Curbastro. Einstein cũng đã nghiên cứu mô hình vũ trụ, và thấy là lý thuyết tương đối rộng không thỏa mãn điều kiện đồng nhất, đẳng hướng và cân bằng của vũ trụ, trừ phi thêm vào lý thuyết này một hằng số gọi là hằng số vũ trụ.

Trong phần lớn cuộc đời còn lại của mình, Einstein đã có những cố gắng không thành công trong việc tạo ra một lý thuyết thống nhất có thể mô tả tất cả mọi loại lực của tự nhiên như là các dạng khác nhau của một lực cơ bản nhất. Các lý thuyết của Einstein thường gây nhiều tranh cãi, ngay cả rất nhiều năm sau khi ông công bố chúng. Trong một bản tiến cử Einstein vào Viện Hàn lâm Khoa học Đức, người ta đã viết "Tóm lại, ta có thể nói là hầu như không có một vấn đề lớn nào của vật lý hiện đại mà Einstein không thực hiện những đóng góp quan trọng. Một vài dự đoán nhầm của ông, ví dụ như giả thuyết về các hạt ánh sáng, cũng không thể đem ra để phản bác lại ông được, vì rằng sẽ không thể đưa ra những ý tưởng mới, ngay cả với những môn khoa học chính xác nhất, mà không thỉnh thoảng sẵn sàng đương đầu với may rủi" (Pais 1982, p. 382).

Một nghiên cứu gần đây về bộ não của Einstein, đã được bảo quản cho đến nay (chi tiết có thể xem Regis 1991), người ta thấy khu vực bên trong của não, phần liên quan đến tư duy toán học, rộng hơn bình thường đến 15% (Witelson và các tác giả khác 1999). Ngoài ra, các đường viền não, bình thường chạy từ sau ra trước, không phát triển đối với não của Einstein. Tuy nhiên, chưa thể khẳng định được sự ảnh hưởng của các yếu tố sinh lý bất thường này đến sự sáng tạo khoa học của Einstein.