Einstein e il moto Browniano
Photo Credit: American Institute of Physics
Einstein e la sua prima moglie con il loro figlio primogenito.
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L’ufficio brevetti di Berna.
Nel marzo del 1905, un giovane impiegato di brevetti in Svizzera di nome Albert Einstein presentò un documento innovativo che estendeva la nozione di quanti di Planck del 1900 alla doppia natura onda/particella della luce., E ‘ stato pubblicato nel Annalen der Physik. A maggio la rivista ha ricevuto un altro articolo da Einstein. Questa volta, il suo soggetto era la teoria cinetica dei gas, ma il documento era altrettanto innovativo nelle sue conclusioni.
Nel 19 ° secolo, i fisici avevano affinato la teoria cinetica dei gas, che descriveva il calore come un effetto del movimento agitato continuo degli atomi. Insieme al fisico americano J. Willard Gibbs, Ludwig Boltzmann ha usato la teoria cinetica per risolvere il cosiddetto “paradosso di reversibilità” in fisica., Questo è nato dalla seconda legge della termodinamica, che impone che la maggior parte dei processi naturali sono irreversibili, in apparente contraddizione con la meccanica newtoniana degli atomi.
Bolztmann reinterpretò la seconda legge come statistica, piuttosto che assoluta. Ha ragionato che ci sono così tanti atomi e molecole che compongono qualcosa di piccolo come un cubetto di ghiaccio, per esempio, che è estremamente improbabile—anche se non impossibile—per le molecole in un cubetto di ghiaccio fuso per tornare dal disordine di un liquido alla loro disposizione ordinata originale., L’improbabilità statistica di quelle molecole che lo facevano, tuttavia, era la fonte dell’apparente irreversibilità osservata in natura.
Mentre era studente al Politecnico di Zurigo, Einstein incontrò una giovane donna serba, Mileva Maric, l’unica donna della sua classe di fisica. La famiglia di Einstein si oppose a qualsiasi discorso sul matrimonio, anche dopo che Mileva diede alla luce una figlia (che apparentemente fu data in adozione). La coppia si sposò finalmente nel 1903 dopo che Einstein ottenne il suo lavoro presso l’Ufficio brevetti. Il loro primo figlio è nato nel 1904.,
Einstein era presumibilmente ignaro del lavoro di Boltzmann quando iniziò a derivare in modo indipendente la seconda legge della termodinamica dal 1902 al 1904 per sviluppare la propria forma di meccanica statistica. Ha usato la meccanica, atomi e argomenti statistici per formulare una ” teoria molecolare generale del calore.”
Einstein ha sviluppato questa teoria molecolare statistica dei liquidi per la sua tesi di dottorato presso l’Università di Zurigo. In un documento separato, ha applicato la teoria molecolare del calore ai liquidi per spiegare il puzzle del cosiddetto “moto browniano”.,
Nel 1827, il botanico inglese Robert Brown notò che i semi di polline sospesi nell’acqua si muovevano in un movimento irregolare “brulicante”. Einstein quindi ragionò che se particelle minuscole ma visibili fossero sospese in un liquido, gli atomi invisibili nel liquido bombarderebbero le particelle sospese e le causerebbero a tremare. Einstein spiegò il movimento in dettaglio, prevedendo accuratamente i movimenti irregolari e casuali delle particelle, che potevano essere osservati direttamente al microscopio.,
Quando il documento di Einstein apparve per la prima volta nel 1905, la nozione di atomi e molecole era ancora oggetto di acceso dibattito scientifico. Ernst Mach e il chimico fisico Wilhelm Ostwald furono tra coloro che scelsero di negare la loro esistenza. Sostenevano che le leggi della termodinamica non dovevano essere basate sulla meccanica, che dettava l’esistenza di atomi invisibili in movimento. Ostwald in particolare ha sostenuto l’opinione che la termodinamica si occupasse solo dell’energia e di come si trasforma nel mondo quotidiano.,
Tuttavia, nel maggio 1908, Einstein aveva pubblicato un secondo documento sul moto browniano fornendo ancora più dettagli rispetto al suo documento del 1905, e suggerendo un modo per testare la sua teoria sperimentalmente. Nello stesso anno, un fisico francese di nome Jean Baptiste Perrin condusse una serie di esperimenti che confermarono le previsioni di Einstein. Perrin scrisse che i suoi risultati “non possono lasciare alcun dubbio sulla rigorosa esattezza della formula proposta da Einstein”, e il suo lavoro in seguito gli valse il suo premio Nobel per la Fisica, nel 1926.,
Alla fine le prove sperimentali a sostegno della teoria del moto Browniano di Einstein divennero così convincenti che gli oppositori furono costretti ad accettare l’esistenza di atomi materiali. Il suo lavoro fondamentale sull’applicazione dei metodi statistici ai moti casuali degli atomi newtoniani ha anche portato alle sue intuizioni sull’effetto fotoelettrico, attraverso la scoperta di una connessione critica tra la sua teoria statistica del calore e il comportamento della radiazione elettromagnetica. Questo è stato il primo passo nel suo obiettivo di unificare i due campi., Finora, la teoria elettromagnetica sviluppata da James Clerk Maxwell alla fine del 19 ° secolo aveva resistito a tutti i tentativi di ridurlo a processi meccanici. Einstein ha deciso di fare proprio questo.
Il mese prossimo: Relatività speciale
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