Einstein és Brownian Motion
Photo Credit: American Institute of Physics
Einstein és első felesége elsőszülött fiukkal.
fotó: American Institute of Physics
A berni Szabadalmi Hivatal.
1905 márciusában egy fiatal svájci szabadalmi hivatalnok, Albert Einstein egy úttörő tanulmányt nyújtott be, amely kiterjesztette Planck 1900-as kvantum fogalmát a fény hullám/részecske kettős természetére., Az Annalen der Physikben jelent meg. Májusban a folyóirat újabb papírt kapott Einsteintől. Ezúttal témája a gázok kinetikus elmélete volt, de a papír ugyanolyan úttörő volt következtetéseiben.
a 19. században a fizikusok finomították a gázok kinetikus elméletét, amely a hőt az atomok nonstop agitált mozgásának hatására írta le. J. Willard Gibbs amerikai fizikus mellett Ludwig Boltzmann a kinetikai elméletet használta az úgynevezett “visszafordíthatósági paradoxon” megoldására a fizikában., Ez a termodinamika második törvényéből származott, amely azt diktálja, hogy a legtöbb természetes folyamat visszafordíthatatlan, ellentmondva az atomok newtoni mechanikájának.
Bolztmann újraértelmezte a második törvényt statisztikai, nem pedig abszolút. Azzal érvelt, hogy olyan sok atomok illetve molekulák, amelyek valami kisebb, mint egy jégkocka, például, hogy nagyon valószínűtlen, hogy—bár nem lehetetlen—a molekulák egy olvadt jégkocka vissza a betegség a folyadék az eredeti szabályos elrendezése., E molekulák statisztikai valószínűtlensége azonban a természetben megfigyelt látszólagos visszafordíthatatlanság forrása volt.
míg a Zürichi Politechnikai Intézet hallgatója, Einstein találkozott egy fiatal Szerb Nővel, Mileva Maric-val, az egyetlen nővel a fizikai osztályában. Einstein családja ellenezte a házasságról való beszélgetést, még akkor is, ha Mileva született egy lányát (akit nyilvánvalóan örökbefogadásra adtak fel). A pár végül 1903-ban házasodott meg, miután Einstein munkát kapott a Szabadalmi Hivatalban. Első fiuk 1904-ben született.,
Einstein állítólag nem volt tisztában Boltzmann munkájával, amikor 1902-től 1904-ig önállóan megkezdte a termodinamika második törvényét a statisztikai mechanika saját formájának kifejlesztésére. Mechanikával, atomokkal és statisztikai érvekkel fogalmazta meg “a hő általános molekuláris elméletét.”
Einstein kifejlesztette ezt a folyadékok statisztikai molekuláris elméletét doktori disszertációjához a Zürichi Egyetemen. Egy külön tanulmányban alkalmazta a hő molekuláris elméletét a folyadékokra, hogy megmagyarázza az úgynevezett “Brown-mozgás”rejtvényét.,
1827-ben az angol botanikus, Robert Brown észrevette, hogy a vízben felfüggesztett pollenmagok szabálytalan “nyüzsgő” mozgásban mozognak. Einstein ezután azzal érvelt, hogy ha apró, de látható részecskéket szuszpendálnak egy folyadékban, akkor a folyadék láthatatlan atomjai bombázzák a szuszpendált részecskéket, és rázkódást okoznak. Einstein részletesen elmagyarázta a mozgást, pontosan megjósolva a részecskék szabálytalan, véletlenszerű mozgását, amelyeket közvetlenül mikroszkóp alatt lehetett megfigyelni.,
amikor Einstein dolgozata először 1905-ben jelent meg, az atomok és molekulák fogalma még mindig heves tudományos vita tárgyát képezte. Ernst Mach és Wilhelm Ostwald fizikai kémikus voltak azok között, akik megtagadták a létezésüket. Azt állították, hogy a termodinamika törvényeinek nem kell mechanikán alapulniuk, ami a láthatatlan atomok létezését diktálta. Ostwald különösen azt a nézetet támogatta, hogy a termodinamika csak az energiával foglalkozik, és hogyan alakul át a mindennapi világban.,
azonban 1908 májusáig Einstein kiadott egy második tanulmányt a Brown-mozgásról, amely még részletesebb volt, mint az 1905-ös tanulmánya, és javaslatot tett elméletének kísérleti tesztelésére. Ugyanebben az évben egy Jean Baptiste Perrin nevű francia fizikus számos kísérletet végzett, amelyek megerősítették Einstein előrejelzéseit. Perrin azt írta, hogy eredményei “nem hagyhatnak kétséget az Einstein által javasolt képlet szigorú pontosságában”, munkája később 1926-ban elnyerte saját fizikai Nobel-díját.,
végül az Einstein Brown-mozgás elméletét alátámasztó kísérleti bizonyítékok annyira lenyűgözővé váltak, hogy a naysayerek kénytelenek voltak elfogadni az anyagi atomok létezését. Alapvető munkája a statisztikai módszerek alkalmazásával a newtoni atomok véletlenszerű mozgására is vezetett a fotoelektromos hatás megismeréséhez, a hő statisztikai elmélete és az elektromágneses sugárzás viselkedése közötti kritikus kapcsolat felfedezésével. Ez volt az első lépés a két mező egyesítése érdekében., Eddig a James Clerk Maxwell által a 19.század végén kifejlesztett elektromágneses elmélet ellenállt minden kísérletnek, hogy mechanikai folyamatokra csökkentse. Einstein éppen erre készült.
jövő hónap: speciális relativitáselmélet
lásd Albert Einstein életéről és munkájáról szóló különleges kiállítást az Amerikai Fizikai Intézet: http://www.aip.org/history/einstein/