Einstein i ruch Browna
Photo Credit: American Institute of Physics
Einstein i jego pierwsza żona z ich pierworodnym synem.
Photo Credit: American Institute of Physics
Urząd Patentowy w Bernie.
W marcu 1905 roku młody Urzędnik patentowy w Szwajcarii, Albert Einstein, przedstawił przełomową pracę rozszerzającą koncepcję kwanty Plancka z 1900 roku na falowo-cząsteczkową podwójną naturę światła., Został opublikowany w Annalen der Physik. W maju czasopismo otrzymało kolejną pracę od Einsteina. Tym razem jego tematem była kinetyczna teoria gazów, ale praca była równie przełomowa w swoich wnioskach.
w XIX wieku fizycy udoskonalili kinetyczną teorię gazów, która opisywała ciepło jako efekt ciągłego poruszania się atomów. Wraz z amerykańskim fizykiem J. Willardem Gibbsem Ludwig Boltzmann wykorzystał teorię kinetyczną do rozwiązania tzw. „paradoksu odwracalności” w fizyce., Wynika to z drugiego prawa termodynamiki, które nakazuje, że większość naturalnych procesów jest nieodwracalna, w pozornej sprzeczności z Newtonowską mechaniką atomów.
Bolztmann reinterpretował drugie prawo jako statystyczne, a nie absolutne. Rozumował, że jest tak wiele atomów i cząsteczek, które tworzą coś tak małego jak kostka lodu, na przykład, że jest niezwykle mało prawdopodobne-choć nie niemożliwe—aby cząsteczki w stopionej kostce lodu powróciły z zaburzenia cieczy do ich pierwotnego uporządkowanego układu., Statystyczna nieprawdopodobność tych cząsteczek była jednak źródłem pozornej nieodwracalności obserwowanej w przyrodzie.
będąc studentem Politechniki w Zurychu, Einstein poznał młodą Serbkę, Milevę Maric, jedyną kobietę w jego klasie fizyki. Rodzina Einsteina sprzeciwiała się wszelkim rozmowom o małżeństwie, nawet po tym, jak Mileva urodziła córkę (która najwyraźniej została oddana do adopcji). Para ostatecznie pobrała się w 1903 roku po tym, jak Einstein dostał pracę w Urzędzie Patentowym. Ich pierwszy syn urodził się w 1904 roku.,
Einstein był rzekomo nieświadomy pracy Boltzmanna, kiedy zaczął samodzielnie wyprowadzać drugie prawo termodynamiki z lat 1902-1904 w celu opracowania własnej formy mechaniki statystycznej. Użył mechaniki, atomów i argumentów statystycznych do sformułowania ” ogólnej molekularnej teorii ciepła.”
Einstein rozwinął tę statystyczną molekularną teorię płynów do swojej rozprawy doktorskiej na Uniwersytecie w Zurychu. W osobnym artykule zastosował molekularną teorię ciepła do cieczy, aby wyjaśnić zagadkę tzw. „ruchu Browna”.,
w 1827 roku angielski botanik Robert Brown zauważył, że nasiona pyłku zawieszone w wodzie poruszały się nieregularnym ruchem „rojącym się”. Einstein rozumował wtedy, że gdyby małe, ale widoczne cząstki zawieszone były w cieczy, niewidzialne Atomy w cieczy bombardowałyby zawieszone cząstki i powodowały ich drgania. Einstein szczegółowo wyjaśnił ruch, dokładnie przewidując nieregularne, losowe ruchy cząstek, które mogą być bezpośrednio obserwowane pod mikroskopem.,
Kiedy praca Einsteina pojawiła się po raz pierwszy w 1905 roku, pojęcie atomów i cząsteczek było nadal przedmiotem gorącej debaty naukowej. Ernst Mach i chemik Wilhelm Ostwald byli wśród tych, którzy zdecydowali się zaprzeczyć ich istnieniu. Twierdzili oni, że prawa termodynamiki nie muszą opierać się na mechanice, która dyktowała istnienie niewidzialnych atomów w ruchu. Ostwald w szczególności opowiadał się za poglądem, że Termodynamika dotyczy tylko energii i tego, jak jest ona przekształcana w codziennym świecie.,
jednak w maju 1908 roku Einstein opublikował drugą pracę na temat ruchu Browna, dostarczając jeszcze więcej szczegółów niż jego praca z 1905 roku i sugerując sposób eksperymentalnego przetestowania jego teorii. W tym samym roku francuski fizyk Jean Baptiste Perrin przeprowadził serię eksperymentów, które potwierdziły przewidywania Einsteina. Perrin napisał, że jego wyniki „nie mogą pozostawiać wątpliwości co do rygorystycznej dokładności formuły zaproponowanej przez Einsteina”, a jego praca później przyniosła mu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1926 roku.,
W końcu eksperymentalne dowody potwierdzające teorię ruchu Browna Einsteina stały się tak przekonujące, że przeciwnicy byli zmuszeni zaakceptować istnienie atomów materialnych. Jego fundamentalne prace nad zastosowaniem metod statystycznych do losowych ruchów atomów newtonowskich doprowadziły również do jego wglądu w efekt fotoelektryczny, poprzez odkrycie krytycznego związku między jego statystyczną teorią ciepła i zachowaniem promieniowania elektromagnetycznego. Był to pierwszy krok w jego dążeniu do ujednolicenia obu dziedzin., Do tej pory teoria elektromagnetyczna opracowana przez Jamesa Clerka Maxwella pod koniec XIX wieku opierała się wszelkim próbom zredukowania jej do procesów mechanicznych. Einstein postanowił to zrobić.
za miesiąc: specjalna teoria względności
Zobacz specjalną wystawę poświęconą życiu i twórczości Alberta Einsteina Amerykańskiego Instytutu Fizyki: http://www.aip.org/history/einstein/