Einstein and Brownian Motion
Photo Credit: American Institute of Physics
Einstein and his first wife with their first-born son.
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The Patent office in Berna.
Em março de 1905, um jovem funcionário de patentes na Suíça chamado Albert Einstein apresentou um trabalho inovador estendendo a noção de quanta de Planck de 1900 para a natureza dupla onda/partícula da luz., Foi publicado no Annalen der Physik. Em Maio, a revista recebeu outro artigo de Einstein. Desta vez, seu assunto era a teoria cinética dos gases, mas o artigo foi igualmente inovador em suas conclusões. no século XIX, os físicos refinaram a teoria cinética dos gases, que descrevia o calor como um efeito do movimento sem parar agitado dos átomos. Juntamente com o físico americano J. Willard Gibbs, Ludwig Boltzmann usou a teoria cinética para resolver o chamado “paradoxo da reversibilidade” na física., Isto surgiu da Segunda Lei da termodinâmica, que dita que a maioria dos processos naturais são irreversíveis, em aparente contradição com a mecânica Newtoniana dos átomos. Bolztmann reinterpretou a segunda lei como estatística, ao invés de absoluta. Ele argumentou que há tantos átomos e moléculas que constituem algo tão pequeno como um cubo de gelo, por exemplo, que é extremamente improvável, embora não impossível—para as moléculas em um cubo de gelo derretido para retornar de desordem de um líquido original arranjo ordenado., A improbabilidade estatística dessas moléculas fazendo isso, entretanto, foi a fonte da irreversibilidade aparente observada na natureza. enquanto estudante no Instituto Politécnico de Zurique, Einstein conheceu uma jovem Sérvia, Mileva Maric, a única mulher em sua aula de física. A família de Einstein se opôs a qualquer conversa sobre casamento, mesmo depois que Mileva deu à luz uma filha (que aparentemente foi dada para adoção). Os dois finalmente se casaram em 1903 depois que Einstein conseguiu seu emprego no escritório de patentes. Seu primeiro filho nasceu em 1904., Einstein supostamente desconhecia o trabalho de Boltzmann quando ele começou a derivar independentemente a Segunda Lei da termodinâmica de 1902 a 1904 para desenvolver sua própria forma de mecânica estatística. He used mechanics, atoms and statistical arguments to formulate a “general molecular theory of heat.”
Einstein developed this statistical molecular theory of liquids for his doctoral dissertation at the University of Zurique. In a separate paper, he applied the molecular theory of heat to liquids to explain the puzzle of so-called “Brownian motion”., em 1827, o botânico inglês Robert Brown notou que as sementes de pólen suspensas na água se moviam em um movimento irregular de “enxame”. Einstein então argumentou que se partículas pequenas, mas visíveis, fossem suspensas em um líquido, os átomos invisíveis no líquido bombardeariam as partículas suspensas e as fariam abanar. Einstein explicou o movimento em detalhes, prevendo com precisão os movimentos irregulares e aleatórios das partículas, que poderiam ser diretamente observados sob um microscópio., quando o artigo de Einstein apareceu pela primeira vez em 1905, a noção de átomos e moléculas ainda era um assunto de acalorado debate científico. Ernst Mach e o físico-químico Wilhelm Ostwald estavam entre os que decidiram negar a sua existência. Eles argumentaram que as leis da termodinâmica não precisam ser baseadas na mecânica, que ditou a existência de átomos invisíveis em movimento. Ostwald, em particular, defendeu a opinião de que a termodinâmica lidava apenas com a energia e como ela é transformada no mundo cotidiano.,
no entanto, em maio de 1908, Einstein tinha publicado um segundo artigo sobre o movimento browniano fornecendo ainda mais detalhes do que o seu artigo de 1905, e sugerindo uma forma de testar experimentalmente a sua teoria. Nesse mesmo ano, um físico francês chamado Jean Baptiste Perrin conduziu uma série de experiências que confirmaram as previsões de Einstein. Perrin escreveu que seus resultados “não podem deixar qualquer dúvida sobre a rigorosa exatidão da fórmula proposta por Einstein”, e seu trabalho mais tarde lhe rendeu seu próprio Prêmio Nobel de Física, em 1926.,
eventualmente, as evidências experimentais que sustentam a teoria de Einstein do movimento browniano tornaram-se tão convincentes que os naysayers foram forçados a aceitar a existência de átomos materiais. His fundamental work on applying statistical methods to the random motions of Newtonian atoms also led to his insights into the photo electric effect, through the discovery of a critical connection between his statistical theory of heat and the behavior of electromagnetic radiation. Este foi o primeiro passo em seu objetivo de unificar os dois campos., Até agora, a teoria eletromagnética desenvolvida por James Clerk Maxwell no final do século XIX tinha resistido a todas as tentativas de reduzi-la a processos mecânicos. Einstein quis fazer isso.
ext month: Special Relativity
See the special exhibit on Albert Einstein’s life and work by the American Institute of Physics:http://www.aip.org/history/einstein/