Einstein och Brownian Motion
Foto Credit: American Institute of Physics
Einstein och hans första fru med sin förstfödde son.
Foto Kredit: American Institute of Physics
patentverket i Bern.
i mars 1905, en ung patentkontorist i Schweiz vid namn Albert Einstein lämnat in en banbrytande papper som sträcker Plancks 1900 begreppet quanta till våg/partikel dubbel karaktär av ljus., Den publicerades i Annalen der Physik. I maj fick tidskriften ett annat papper från Einstein. Den här gången var hans ämne den kinetiska teorin om gaser, men papperet var lika banbrytande i sina slutsatser.
på 1800-talet hade fysiker förfinat den kinetiska teorin om gaser, som beskrev värme som en effekt av atomernas nonstop agiterade rörelse. Tillsammans med den amerikanska fysikern J. Willard Gibbs använde Ludwig Boltzmann den kinetiska teorin för att lösa den så kallade ”reversibilitetsparadoxen” i fysiken., Detta uppstod från termodynamikens andra lag, som dikterar att de flesta naturliga processer är irreversibla, i uppenbar motsägelse mot atomernas newtonska mekanik.
Bolztmann tolkade den andra lagen som statistisk, snarare än absolut. Han motiverade att det finns så många atomer och molekyler som utgör något så litet som en isbit, till exempel att det är extremt osannolikt—men inte omöjligt—att molekylerna i en smält isbit återvänder från en vätskes sjukdom till sitt ursprungliga ordnade arrangemang., Den statistiska förbättringen av dessa molekyler som gjorde det var emellertid källan till den skenbara irreversibiliteten som observerades i naturen.
medan en student vid Zürich Polytechnic Institute träffade Einstein en ung serbisk kvinna, Mileva Maric, den enda kvinnan i sin fysikklass. Einsteins familj motsatte sig något tal om äktenskap, även efter att Mileva födde en dotter (som tydligen gavs upp för adoption). Paret gifte sig slutligen 1903 efter att Einstein fick sitt jobb på patentverket. Deras första son föddes 1904.,
Einstein var förmodligen omedveten om Boltzmanns arbete när han började självständigt härleda termodynamikens andra lag från 1902 till 1904 för att utveckla sin egen form av statistisk mekanik. Han använde mekanik, atomer och statistiska argument för att formulera en ”allmän molekylär teori om värme.”
Einstein utvecklade denna statistiska molekylära teori om vätskor för sin doktorsavhandling vid universitetet i Zürich. I ett separat papper tillämpade han den molekylära teorin om värme på vätskor för att förklara pusslet av så kallad ”Brownian motion”.,
1827 märkte den engelska botanisten Robert Brown att pollenfrön suspenderade i vatten flyttade i en oregelbunden ”svärmande” rörelse. Einstein resonerade då att om små men synliga partiklar suspenderades i en vätska, skulle de osynliga atomerna i vätskan bombardera de suspenderade partiklarna och få dem att jiggla. Einstein förklarade rörelsen i detalj och förutspådde partiklarnas oregelbundna, slumpmässiga rörelser, vilket kunde observeras direkt under ett mikroskop.,
När Einsteins papper först uppträdde 1905 var begreppet atomer och molekyler fortfarande föremål för uppvärmd vetenskaplig debatt. Ernst Mach och den fysiska kemisten Wilhelm Ostwald var bland dem som valde att förneka sin existens. De hävdade att termodynamikens lagar inte behöver baseras på mekanik, vilket dikterade förekomsten av osynliga atomer i rörelse. Ostwald förespråkade särskilt uppfattningen att termodynamiken endast handlade om energi och hur den omvandlas i vardagen.,
men i maj 1908, Einstein hade publicerat en andra uppsats om Brownian motion ger ännu mer i detalj än hans 1905 papper, och föreslår ett sätt att testa sin teori experimentellt. Samma år genomförde en fransk fysiker som heter Jean Baptiste Perrin en serie experiment som bekräftade Einsteins förutsägelser. Perrin skrev att hans resultat ”kan inte lämna några tvivel om den rigorösa exaktheten i den formel som Einstein föreslog” och hans arbete gav honom senare sitt eget Nobelpris i fysik, 1926.,
så småningom blev det experimentella beviset som stödde Einsteins teori om Brownsk rörelse så övertygande att naysayersna tvingades acceptera existensen av materiella atomer. Hans grundläggande arbete med att tillämpa statistiska metoder på de slumpmässiga rörelserna av newtonska atomer ledde också till hans insikter i den fotoelektriska effekten, genom upptäckten av en kritisk koppling mellan hans statistiska teori om värme och beteendet hos elektromagnetisk strålning. Detta var det första steget i hans mål att förena de två fälten., Hittills hade den elektromagnetiska teorin som utvecklats av James Clerk Maxwell i slutet av 1800-talet motstått alla försök att minska den till mekaniska processer. Einstein bestämde sig för att göra just det.
nästa månad: speciell relativitet
se den speciella utställningen om Albert Einsteins liv och arbete av American Institute of Physics: http://www.aip.org/history/einstein/