Einstein and Brownian Motion
Photo Credit: American Institute of Physics
Einstein and his first wife with their first born son.
Photo Credit: American Institute of Physics
The Patent office in Bern.in maart 1905 diende een jonge octrooibediende in Zwitserland, Albert Einstein, een baanbrekend artikel in dat Planck ‘ s concept van quanta uit 1900 uitbreidde naar de Golf/deeltje duale aard van licht., Het werd gepubliceerd in de Annalen der Physik. In mei ontving het tijdschrift nog een paper van Einstein. Deze keer was zijn onderwerp de kinetische theorie van gassen, maar het artikel was ook baanbrekend in zijn conclusies. in de 19e eeuw hadden natuurkundigen de kinetische theorie van gassen verfijnd, die warmte beschreef als een effect van de non-stop geagiteerde beweging van atomen. Samen met de Amerikaanse natuurkundige J. Willard Gibbs gebruikte Ludwig Boltzmann de kinetische theorie om de zogenaamde “omkeerbaarheid paradox” in de natuurkunde op te lossen., Dit kwam voort uit de tweede wet van de thermodynamica, die dicteert dat de meeste natuurlijke processen onomkeerbaar zijn, in schijnbare tegenspraak met de Newtoniaanse mechanica van atomen.
Bolztmann interpreteerde de tweede wet opnieuw als statistisch in plaats van als absoluut. Hij beredeneerde dat er zoveel atomen en moleculen zijn die zo klein zijn als bijvoorbeeld een ijsblokje, dat het uiterst onwaarschijnlijk is—hoewel niet onmogelijk—dat de moleculen in een gesmolten ijsblokje terugkeren van de aandoening van een vloeistof naar hun oorspronkelijke ordelijke opstelling., De statistische onwaarschijnlijkheid van die moleculen die dit deden, was echter de bron van de schijnbare onomkeerbaarheid waargenomen in de natuur. tijdens zijn studie aan het Zürich Polytechnic Institute ontmoette Einstein een jonge Servische vrouw, Mileva Maric, de enige vrouw in zijn natuurkunde klas. Einsteins familie verzette zich tegen elk gesprek over het huwelijk, zelfs nadat Mileva een dochter kreeg (die blijkbaar werd opgegeven voor adoptie). Het paar trouwde uiteindelijk in 1903 nadat Einstein zijn baan kreeg bij het Octrooibureau. Hun eerste zoon werd geboren in 1904., Einstein was vermoedelijk niet op de hoogte van Boltzmanns werk toen hij van 1902 tot 1904 onafhankelijk de tweede wet van de thermodynamica begon af te leiden om zijn eigen vorm van statistische mechanica te ontwikkelen. Hij gebruikte mechanica, atomen en statistische argumenten om een “algemene moleculaire theorie van warmte te formuleren. Einstein ontwikkelde deze statistische moleculaire theorie van vloeistoffen voor zijn proefschrift aan de Universiteit van Zürich. In een apart artikel paste hij de moleculaire theorie van warmte toe op vloeistoffen om de puzzel van de zogenaamde “Brownse beweging”te verklaren., in 1827 merkte de Engelse botanicus Robert Brown op dat stuifmeelzaden in water in een onregelmatige zwermbeweging bewogen. Einstein redeneerde toen dat als kleine maar zichtbare deeltjes in een vloeistof werden gesuspendeerd, de onzichtbare atomen in de vloeistof de zwevende deeltjes zouden bombarderen en ze zouden laten trillen. Einstein legde de beweging in detail uit en voorspelde nauwkeurig de onregelmatige, willekeurige bewegingen van de deeltjes, die direct onder een microscoop konden worden waargenomen., toen Einsteins artikel voor het eerst verscheen in 1905, was de notie van atomen en moleculen nog steeds een onderwerp van verhit wetenschappelijk debat. Ernst Mach en de fysisch chemicus Wilhelm Ostwald behoorden tot degenen die ervoor kozen om hun bestaan te ontkennen. Zij voerden aan dat de wetten van de thermodynamica niet gebaseerd hoeven te zijn op mechanica, die het bestaan van onzichtbare atomen in beweging dicteerde. Ostwald pleitte in het bijzonder voor de opvatting dat thermodynamica alleen betrekking heeft op energie en hoe deze in de wereld van alledag wordt getransformeerd., in mei 1908 publiceerde Einstein echter een tweede artikel over Brownse beweging, dat nog meer details bevatte dan zijn artikel uit 1905, en een manier voorstelde om zijn theorie experimenteel te testen. Datzelfde jaar voerde een Franse natuurkundige Jean Baptiste Perrin een reeks experimenten uit die Einsteins voorspellingen bevestigden. Perrin schreef dat zijn resultaten “geen twijfel kunnen laten bestaan over de rigoureuze nauwkeurigheid van de formule voorgesteld door Einstein,” en zijn werk leverde hem later zijn eigen Nobelprijs voor de natuurkunde op, in 1926.,
uiteindelijk werd het experimentele bewijs dat Einsteins theorie van de Brownse beweging ondersteunde zo dwingend dat de nee-zeggers gedwongen werden het bestaan van materiële atomen te accepteren. Zijn fundamentele werk over het toepassen van statistische methoden op de willekeurige bewegingen van Newtoniaanse atomen leidde ook tot zijn inzichten in het foto-elektrische effect, door de ontdekking van een kritische verbinding tussen zijn statistische theorie van warmte en het gedrag van elektromagnetische straling. Dit was de eerste stap in zijn doel om de twee gebieden te verenigen., Tot nu toe had de elektromagnetische theorie die James Clerk Maxwell in de late 19e eeuw ontwikkelde zich verzet tegen alle pogingen om het te reduceren tot mechanische processen. Einstein wilde precies dat doen.
volgende maand: speciale relativiteit
zie de speciale tentoonstelling over het leven en werk van Albert Einstein door het American Institute of Physics: http://www.aip.org/history/einstein/