Einstein y el movimiento browniano
crédito de la foto: Instituto Americano de Física
Einstein y su primera esposa con su hijo primogénito.
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La Oficina de patentes en Berna.
En marzo de 1905, un joven empleado de patentes en Suiza llamado Albert Einstein presentó un documento innovador extendiendo la noción de cuantos de Planck de 1900 a la naturaleza dual onda/partícula de la luz., Fue publicado en el Annalen der Physik. En mayo, la revista recibió otro artículo de Einstein. Esta vez, su tema fue la teoría cinética de los gases, pero el documento fue igualmente innovador en sus conclusiones.
en el siglo XIX, los físicos habían refinado la teoría cinética de los gases, que describía el calor como un efecto del movimiento agitado incesante de los átomos. Junto con el físico estadounidense J. Willard Gibbs, Ludwig Boltzmann utilizó la teoría cinética para resolver la llamada «paradoja de reversibilidad» en física., Esto surgió de la segunda ley de la termodinámica, que dicta que la mayoría de los procesos naturales son irreversibles, en aparente contradicción con la mecánica newtoniana de los átomos.
Bolztmann reinterpretó la segunda ley como Estadística, en lugar de absoluta. Razonó que hay tantos átomos y moléculas que componen algo tan pequeño como un cubo de hielo, por ejemplo, que es extremadamente improbable—aunque no imposible—que las moléculas en un cubo de hielo derretido regresen del desorden de un líquido a su disposición ordenada original., La improbabilidad estadística de esas moléculas que lo hacen, sin embargo, fue la fuente de la aparente irreversibilidad observada en la naturaleza.
mientras estudiaba en el Instituto Politécnico de Zúrich, Einstein conoció a una joven Serbia, Mileva Maric, la única mujer en su clase de física. La familia de Einstein se opuso a cualquier conversación sobre el matrimonio, incluso después de que Mileva diera a luz a una hija (que aparentemente fue dada en adopción). La pareja finalmente se casó en 1903 después de que Einstein consiguió su trabajo en la Oficina de Patentes. Su primer hijo nació en 1904.,
Einstein supuestamente desconocía el trabajo de Boltzmann cuando comenzó a derivar independientemente la segunda ley de la termodinámica de 1902 a 1904 para desarrollar su propia forma de mecánica estadística. Utilizó la mecánica, los átomos y los argumentos estadísticos para formular una «teoría molecular general del calor.»
Einstein desarrolló esta teoría molecular estadística de líquidos para su tesis doctoral en la Universidad de Zurich. En un artículo separado, aplicó la teoría molecular del calor a los líquidos para explicar el rompecabezas del llamado «movimiento browniano».,
en 1827, el botánico inglés Robert Brown notó que las semillas de polen suspendidas en el agua se movían en un movimiento irregular de» enjambre». Einstein razonó entonces que si partículas diminutas pero visibles se suspendían en un líquido, los átomos invisibles en el líquido bombardearían las partículas suspendidas y las harían sacudirse. Einstein explicó el movimiento en detalle, prediciendo con precisión los movimientos irregulares y aleatorios de las partículas, que podían observarse directamente bajo un microscopio.,
Cuando el artículo de Einstein apareció por primera vez en 1905, la noción de átomos y moléculas era todavía un tema de acalorado debate científico. Ernst Mach y el químico físico Wilhelm Ostwald fueron algunos de los que decidieron negar su existencia. Argumentaron que las leyes de la termodinámica no necesitan basarse en la mecánica, que dictaba la existencia de átomos invisibles en movimiento. Ostwald, en particular, defendió la opinión de que la termodinámica se ocupaba solo de la energía y cómo se transforma en el mundo cotidiano.,
sin embargo, en mayo de 1908, Einstein había publicado un segundo documento sobre el movimiento browniano proporcionando aún más detalle que su Documento de 1905, y sugiriendo una manera de probar su teoría experimentalmente. Ese mismo año, un físico francés llamado Jean Baptiste Perrin llevó a cabo una serie de experimentos que confirmaron las predicciones de Einstein. Perrin escribió que sus resultados «no pueden dejar ninguna duda de la rigurosa exactitud de la fórmula propuesta por Einstein», y su trabajo más tarde le valió su propio Premio Nobel de Física, en 1926.,
finalmente, la evidencia experimental que apoya la teoría de Einstein del movimiento browniano se volvió tan convincente que los detractores se vieron obligados a aceptar la existencia de átomos materiales. Su trabajo fundamental en la aplicación de métodos estadísticos a los movimientos aleatorios de los átomos newtonianos también llevó a su comprensión del efecto fotoeléctrico, a través del descubrimiento de una conexión crítica entre su teoría estadística del calor y el comportamiento de la radiación electromagnética. Este fue el primer paso en su objetivo de unificar los dos campos., Hasta ahora, la teoría electromagnética desarrollada por James Clerk Maxwell a finales del siglo XIX se había resistido a todos los intentos de reducirla a procesos mecánicos. Einstein se propuso hacer precisamente eso.
El próximo mes: relatividad especial
Ver la exposición especial sobre la vida y obra de Albert Einstein por el Instituto Americano de Física: http://www.aip.org/history/einstein/