Einstein und die Brownsche Bewegung
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Einstein und seine erste Ehefrau mit Ihrem ersten Kind, Sohn.
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Das Patentamt in Bern.
Im März 1905 reichte ein junger Patentangestellter in der Schweiz namens Albert Einstein ein bahnbrechendes Papier ein, das Plancks 1900 Begriff der Quanten auf die Welle/Teilchen-Doppelnatur des Lichts ausdehnte., Es wurde in den Annalen der Physik veröffentlicht. Im Mai erhielt die Zeitschrift ein weiteres Papier von Einstein. Dieses Mal war sein Thema die kinetische Theorie der Gase, aber das Papier war ebenso bahnbrechend in seinen Schlussfolgerungen. Jahrhundert hatten Physiker die kinetische Theorie der Gase verfeinert, die Wärme als einen Effekt der ununterbrochenen Bewegung von Atomen beschrieb. Zusammen mit dem amerikanischen Physiker J. Willard Gibbs verwendete Ludwig Boltzmann die kinetische Theorie, um das sogenannte „Reversibilitätsparadoxon“ in der Physik aufzulösen., Dies entstand aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der vorschreibt, dass die meisten natürlichen Prozesse irreversibel sind, im scheinbaren Widerspruch zur Newtonschen Mechanik der Atome.
Bolztmann interpretierte das zweite Gesetz nicht als absolut, sondern als statistisch. Er argumentierte, dass es so viele Atome und Moleküle gibt, die zum Beispiel so klein sind wie ein Eiswürfel, dass es äußerst unwahrscheinlich—wenn auch nicht unmöglich—ist, dass die Moleküle in einem geschmolzenen Eiswürfel von der Störung einer Flüssigkeit zu ihrer ursprünglichen geordneten Anordnung zurückkehren., Die statistische Unwahrscheinlichkeit dieser Moleküle war jedoch die Quelle der scheinbaren Irreversibilität, die in der Natur beobachtet wurde.
Als Student am Zürcher Polytechnischen Institut lernte Einstein eine junge Serbin kennen, Mileva Maric, die einzige Frau in seinem Physikunterricht. Einsteins Familie lehnte jede Rede von Ehe ab, auch nachdem Mileva eine Tochter zur Welt gebracht hatte (die anscheinend zur Adoption aufgegeben wurde). Das Paar heiratete schließlich 1903, nachdem Einstein seinen Job beim Patentamt bekommen hatte. Ihr erster Sohn wurde 1904 geboren.,
Einstein war sich Boltzmanns Arbeit angeblich nicht bewusst, als er von 1902 bis 1904 begann, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik unabhängig abzuleiten, um seine eigene Form der statistischen Mechanik zu entwickeln. Er verwendete Mechanik, Atome und statistische Argumente, um eine „allgemeine Molekulartheorie der Wärme“ zu formulieren.“
Diese statistische Molekültheorie von Flüssigkeiten entwickelte Einstein für seine Doktorarbeit an der Universität Zürich. In einem separaten Artikel wandte er die molekulare Theorie der Wärme auf Flüssigkeiten an, um das Rätsel der sogenannten „Brownschen Bewegung“zu erklären.,
1827 bemerkte der englische Botaniker Robert Brown, dass sich im Wasser suspendierte Pollensamen unregelmäßig „schwärmen“ bewegten. Einstein argumentierte dann, dass, wenn winzige, aber sichtbare Teilchen in einer Flüssigkeit suspendiert würden, die unsichtbaren Atome in der Flüssigkeit die Schwebeteilchen bombardieren und sie zum Wackeln bringen würden. Einstein erklärte die Bewegung im Detail und prognostizierte genau die unregelmäßigen, zufälligen Bewegungen der Teilchen, die direkt unter einem Mikroskop beobachtet werden konnten.,
Als Einsteins Papier erstmals 1905 erschien, war der Begriff der Atome und Moleküle immer noch Gegenstand heftiger wissenschaftlicher Debatten. Ernst Mach und der physikalische Chemiker Wilhelm Ostwald gehörten zu denen, die ihre Existenz leugneten. Sie argumentierten, dass die Gesetze der Thermodynamik nicht auf der Mechanik beruhen müssen, die die Existenz unsichtbarer Atome in Bewegung diktierte. Ostwald vertrat insbesondere die Ansicht, dass sich die Thermodynamik nur mit Energie befasste und wie sie in der Alltagswelt transformiert wird.,
Im Mai 1908 hatte Einstein jedoch einen zweiten Artikel über Brownsche Bewegung veröffentlicht, der noch detaillierter war als sein Papier von 1905 und einen Weg vorschlug, seine Theorie experimentell zu testen. Im selben Jahr führte ein französischer Physiker namens Jean Baptiste Perrin eine Reihe von Experimenten durch, die Einsteins Vorhersagen bestätigten. Perrin schrieb, dass seine Ergebnisse“ keinen Zweifel an der strengen Genauigkeit der von Einstein vorgeschlagenen Formel lassen können“, und seine Arbeit brachte ihm später 1926 seinen eigenen Nobelpreis für Physik ein.,
Schließlich wurden die experimentellen Beweise, die Einsteins Theorie der Brownschen Bewegung unterstützten, so überzeugend, dass die Neinsager gezwungen waren, die Existenz materieller Atome zu akzeptieren. Seine grundlegende Arbeit zur Anwendung statistischer Methoden auf die zufälligen Bewegungen Newtonscher Atome führte auch zu seinen Einsichten in den photoelektrischen Effekt, durch die Entdeckung einer kritischen Verbindung zwischen seiner statistischen Theorie der Wärme und dem Verhalten elektromagnetischer Strahlung. Dies war der erste Schritt in seinem Ziel, die beiden Bereiche zu vereinen., Jahrhunderts von James Clerk Maxwell entwickelte elektromagnetische Theorie hatte allen Versuchen widerstanden, sie auf mechanische Prozesse zu reduzieren. Einstein machte sich daran, genau das zu tun.
Nächster Monat: Besondere Relativitätstheorie
Siehe Sonderausstellung zu Albert Einsteins Leben und Werk des American Institute of Physics: