Dokumenty Annus Mirabilis - Annus Mirabilis papers
The annus mirabilis dokumenty (z łaciny annus mirabilis , „rok cud”) są cztery referaty, że Albert Einstein opublikowane w Annalen der Physik ( Annals of Physics ), w czasopiśmie naukowym , w roku 1905. Te cztery główne prace były składki na fundamencie współczesna fizyka . Zrewolucjonizowali rozumienie przez naukę podstawowych pojęć przestrzeni , czasu , masy i energii . Ponieważ Einstein opublikował te niezwykłe prace w ciągu jednego roku, rok 1905 nazywany jest jego annus mirabilis ( rok cudu po angielsku lub Wunderjahr po niemiecku).
Pierwsza praca wyjaśniała efekt fotoelektryczny , który był jedynym konkretnym odkryciem wymienionym w cytacie przyznającym Einsteinowi Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki . Drugi artykuł wyjaśniał ruchy Browna , które doprowadziły niechętnych fizyków do zaakceptowania istnienia atomów . Trzeci artykuł przedstawia szczególną teorię względności Einsteina . Czwarty, będący konsekwencją szczególnej teorii względności, rozwinął zasadę równoważności masy i energii , wyrażoną w słynnym równaniu i która doprowadziła do odkrycia i wykorzystania energii atomowej . Te cztery artykuły, wraz z mechaniką kwantową i późniejszą teorią ogólnej teorii względności Einsteina , stanowią podstawę współczesnej fizyki.
Tło
W czasie pisania artykułów Einstein nie miał łatwego dostępu do pełnego zestawu naukowych materiałów referencyjnych, chociaż regularnie czytał i publikował recenzje w Annalen der Physik . Ponadto nieliczni współpracownicy naukowi mogli omawiać jego teorie . Pracował jako egzaminator w Urzędzie Patentowym w Bernie w Szwajcarii, a później o współpracowniku Michele Besso powiedział , że „nie mógł znaleźć lepszej płyty rezonansowej dla moich pomysłów w całej Europie”. Ponadto, pewien wpływ na twórczość Einsteina mieli współpracownicy i pozostali członkowie samozwańczej „ Akademii Olimpii ” ( Maurice Solovine i Conrad Habicht ) oraz jego żona Mileva Marić .
Za pośrednictwem tych artykułów Einstein zmierzył się z niektórymi najważniejszymi pytaniami i problemami fizyki epoki. W 1900 roku Lord Kelvin w wykładzie zatytułowanym „Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light” zasugerował, że fizyka nie ma zadowalających wyjaśnień dla wyników eksperymentu Michelsona-Morleya i promieniowania ciała doskonale czarnego . Jak wprowadzono, szczególna teoria względności dostarczyła wyjaśnienia wyników eksperymentów Michelsona-Morleya. Wyjaśnienie Einsteina na temat efektu fotoelektrycznego rozszerzyło teorię kwantową, którą rozwinął Max Planck w swoim pomyślnym wyjaśnieniu promieniowania ciała doskonale czarnego.
Pomimo większej sławy osiągniętej dzięki jego innym pracom, takim jak szczególna teoria względności , to właśnie praca nad efektem fotoelektrycznym przyniosła mu Nagrodę Nobla w 1921 roku. Komitet Nobla cierpliwie czekał na eksperymentalne potwierdzenie szczególnej teorii względności; jednak żaden nie pojawił się aż do eksperymentów dylatacji czasu Ivesa i Stilwella (1938 i 1941) oraz Rossiego i Halla (1941).
Dokumenty tożsamości
Efekt fotoelektryczny
Artykuł „O heurystycznym punkcie widzenia dotyczącym produkcji i transformacji światła ” otrzymany 18 marca i opublikowany 9 czerwca, proponował ideę kwantów energii . Pomysł ten, motywowany wcześniejszym wyprowadzeniem prawa promieniowania ciała doskonale czarnego przez Maxa Plancka , zakłada, że energia świetlna może być absorbowana lub emitowana tylko w dyskretnych ilościach, zwanych kwantami . Einstein stwierdza,
Energia, podczas propagacji promienia światła, nie jest w sposób ciągły rozprowadzana w stale rosnących przestrzeniach, lecz składa się ze skończonej liczby kwantów energii zlokalizowanych w punktach w przestrzeni , poruszających się bez podziału i zdolnych do pochłaniania lub generowania jedynie jako byty .
Wyjaśniając efekt fotoelektryczny, hipoteza, że energia składa się z dyskretnych pakietów , jak ilustruje Einstein, może być bezpośrednio zastosowana również do ciał czarnych .
Pomysł kwantów światła sprzeczne falową teorię światła następuje w sposób naturalny z James Pracownik Maxwella jest równań dla elektromagnetycznego zachowanie oraz, bardziej ogólnie, założenie nieskończonej podzielności energii w systemach fizycznych.
Istnieje głęboka różnica formalna między koncepcjami teoretycznymi, które fizycy sformułowali na temat gazów i innych ważkich ciał, a teorią Maxwella dotyczącą procesów elektromagnetycznych w tak zwanej pustej przestrzeni. Chociaż uważamy, że stan ciała jest całkowicie określony przez położenia i prędkości rzeczywiście bardzo dużej, ale skończonej liczby atomów i elektronów, posługujemy się ciągłymi funkcjami przestrzennymi, aby określić stan elektromagnetyczny objętości przestrzeni, tak że skończonej liczby wielkości nie można uznać za wystarczającą do pełnego określenia elektromagnetycznego stanu przestrzeni.
... [to] prowadzi do sprzeczności w zastosowaniu do zjawisk emisji i transformacji światła.
Zgodnie z poglądem, że światło padające składa się z kwantów energii ..., wytwarzanie promieni katodowych przez światło można sobie wyobrazić w następujący sposób. Przez warstwę powierzchniową ciała przenikają kwanty energii, których energia jest przynajmniej częściowo zamieniana na energię kinetyczną elektronów. Najprostsza koncepcja polega na tym, że kwant światła przenosi całą swoją energię na pojedynczy elektron... .
Einstein zauważył, że efekt fotoelektryczny zależny jest od długości fali, a co za tym idzie częstotliwości światła. Przy zbyt niskiej częstotliwości nawet intensywne światło nie wytwarzało elektronów. Jednak po osiągnięciu określonej częstotliwości nawet światło o niskim natężeniu wytwarzało elektrony. Porównał to do hipotezy Plancka, że światło może być emitowane tylko w pakietach energii podanych przez hf , gdzie h jest stałą Plancka, a f jest częstotliwością. Następnie postulował, że światło przemieszcza się w pakietach, których energia zależy od częstotliwości, a zatem tylko światło powyżej pewnej częstotliwości przyniesie energię wystarczającą do wyzwolenia elektronu.
Nawet po eksperymentach potwierdziły, że równania Einsteina dotyczące efektu fotoelektrycznego są dokładne, jego wyjaśnienie nie zostało powszechnie przyjęte. Niels Bohr w swoim przemówieniu do Nagrody Nobla z 1922 r. stwierdził: „Hipoteza kwantów światła nie jest w stanie rzucić światła na naturę promieniowania”.
W 1921 r., kiedy Einstein otrzymał Nagrodę Nobla, a jego praca nad fotoelektryką została wymieniona z nazwiska w cytacie nagrody, niektórzy fizycy przyjęli, że równanie ( ) jest poprawne i kwanty światła są możliwe. W roku 1923 Arthur Compton „s X-ray eksperyment rozpraszania pomógł bardziej społeczności naukowej, aby zaakceptować tę formułę. Teoria kwantów światła była silnym wskaźnikiem dualizmu falowo-cząsteczkowego , fundamentalnej zasady mechaniki kwantowej . Pełny obraz teorii fotoelektryczności został zrealizowany po osiągnięciu dojrzałości mechaniki kwantowej.
Ruch Browna
Artykuł „ Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen ” („O ruchu małych cząstek zawieszonych w stacjonarnym płynie, zgodnie z wymogami Molekularnej Kinetycznej Teorii Ciepła”), otrzymał 11 maja i opublikowany 18 lipca nakreślił stochastyczny model ruchu Browna .
W niniejszej pracy zostanie wykazane, że zgodnie z molekularną kinetyczną teorią ciepła, zawieszone w cieczach ciała o rozmiarach widocznych pod mikroskopem muszą w wyniku termicznych ruchów molekularnych wykonywać ruchy o takich wielkościach, że mogą być łatwo obserwowane przy mikroskop. Możliwe, że omawiane tu ruchy są identyczne z tak zwanym ruchem molekularnym Browna; jednak dostępne mi dane na temat tego ostatniego są tak nieprecyzyjne, że nie mogłem sformułować osądu w tej kwestii...
Einstein wyprowadził wyrażenia dla średniego kwadratu przemieszczenia cząstek. Wykorzystując kontrowersyjną wówczas kinetyczną teorię gazów , w artykule ustalono, że zjawisko, któremu brakowało zadowalającego wyjaśnienia nawet kilkadziesiąt lat po pierwszym zaobserwowaniu, dostarcza empirycznych dowodów na istnienie atomu . Uwiarygodniał także mechanikę statystyczną , która w tamtych czasach również budziła kontrowersje. Przed tym artykułem atomy uznawano za użyteczną koncepcję, ale fizycy i chemicy debatowali, czy atomy są prawdziwymi bytami. Statystyczna dyskusja Einsteina na temat zachowania atomów dała eksperymentatorom sposób na liczenie atomów za pomocą zwykłego mikroskopu. Wilhelm Ostwald , jeden z liderów antyatomowej szkoły, powiedział później Arnoldowi Sommerfeldowi , że przekonał go o istnieniu atomów późniejsze eksperymenty Jeana Perrina z ruchami Browna.
Szczególna teoria względności
Einsteina „Zur Elektrodynamik bewegter Körper” ( „Na Elektrodynamika Moving Bodies”), jego trzecia papier w tym samym roku został przyjęty w dniu 30 czerwca i opublikowane 26 września godzi ona równań Maxwella dla elektryczności i magnetyzmu z prawami mechaniki poprzez wprowadzenie główną zmiany w mechanice zbliżone do prędkości światła . Później stało się to znane jako szczególna teoria względności Einsteina .
Artykuł wymienia nazwiska tylko pięciu innych naukowców: Isaaca Newtona , Jamesa Clerka Maxwella , Heinricha Hertza , Christiana Dopplera i Hendrika Lorentza . Nie zawiera żadnych odniesień do innych publikacji. Wiele pomysłów zostało już opublikowanych przez innych, co zostało szczegółowo opisane w historii szczególnej teorii względności i sporu o priorytety względności . Jednak artykuł Einsteina wprowadza teorię czasu, odległości, masy i energii, która była zgodna z elektromagnetyzmem , ale pomijała siłę grawitacji .
W tamtym czasie było wiadomo, że równania Maxwella, zastosowane do poruszających się ciał, prowadziły do asymetrii ( problem poruszającego się magnesu i przewodnika ) i że nie było możliwe wykrycie żadnego ruchu Ziemi względem „ośrodka światła” ( tj. eter) . Einstein wysuwa dwa postulaty wyjaśniające te obserwacje. Po pierwsze, stosuje zasadę względności , która mówi, że prawa fizyki pozostają takie same dla każdego nieprzyspieszającego układu odniesienia (zwanego inercjalnym układem odniesienia), do praw elektrodynamiki i optyki oraz mechaniki. W drugim postulacie Einstein proponuje, aby prędkość światła miała taką samą wartość we wszystkich układach odniesienia, niezależnie od stanu ruchu ciała emitującego.
Szczególna teoria względności jest zatem zgodna z wynikiem eksperymentu Michelsona-Morleya , który nie wykrył ośrodka przewodnictwa (lub eteru ) dla fal świetlnych, w przeciwieństwie do innych znanych fal, które wymagają ośrodka (takiego jak woda lub powietrze). Einstein mógł nie wiedzieć o tym eksperymencie, ale stwierdza:
Przykłady tego rodzaju , wraz z nieudana próbą wykrycia jakiegokolwiek ruchu Ziemi w stosunku do " ośrodka lekkiego ", sugerują, że zjawiska elektrodynamiki i mechaniki nie posiadają właściwości odpowiadających idei spoczynku absolutnego .
Prędkość światła jest stała, a więc nie zależy od ruchu obserwatora. Było to niemożliwe w newtonowskiej mechanice klasycznej . Einstein argumentuje:
te same prawa elektrodynamiki i optyki będą obowiązywać we wszystkich układach odniesienia, dla których równania mechaniki są prawidłowe. Podniesiemy to przypuszczenie (którego treść będzie dalej nazywana „zasadą względności”) do rangi postulatu , a także wprowadzimy inny postulat, tylko pozornie nie do pogodzenia z pierwszym, a mianowicie, że światło jest zawsze propagowane. w pustej przestrzeni z określoną prędkością c, która jest niezależna od stanu ruchu ciała emitującego. Te dwa postulaty wystarczają do uzyskania prostej i spójnej teorii elektrodynamiki ciał poruszających się, opartej na teorii Maxwella dla ciał stacjonarnych. Wprowadzenie „ świetlistego eteru ” okaże się zbyteczne, o ile rozwijany tu pogląd nie będzie wymagał „absolutnie nieruchomej przestrzeni” o specjalnych właściwościach, ani przypisania wektora prędkości do punktu pustej przestrzeni w których zachodzą procesy elektromagnetyczne. Teoria ta opiera ... podobny wszystkie elektrodynamiki-na kinematyki z ciała sztywnego , ponieważ twierdzi takiej teorii mają do czynienia z relacji między ciał sztywnych ( układy współrzędnych ), zegary i procesów elektromagnetycznych . Niedostateczne uwzględnienie tej okoliczności leży u podstaw trudności, jakie napotyka obecnie elektrodynamika poruszających się ciał.
Wcześniej George FitzGerald w 1889 r. i Lorentz w 1892 r. niezależnie od siebie proponowali, że wynik Michelsona-Morleya można wyjaśnić, jeśli poruszające się ciała kurczą się w kierunku ruchu. Niektóre z podstawowych równań artykułu, transformaty Lorentza , zostały opublikowane przez Josepha Larmora (1897, 1900), Hendrika Lorentza (1895, 1899, 1904) i Henri Poincaré (1905), w rozwinięciu artykułu Lorentza z 1904 roku. Prezentacja Einsteina różniła się od wyjaśnień FitzGeralda, Larmora i Lorentza, ale była podobna pod wieloma względami do sformułowania Poincarégo (1905).
Jego wyjaśnienie wynika z dwóch aksjomatów. Pierwszy to pomysł Galileusza, że prawa natury powinny być takie same dla wszystkich obserwatorów poruszających się ze stałą prędkością względem siebie. Einstein pisze:
Prawa, przez które stany układów fizycznych ulegają zmianie, pozostają nienaruszone, niezależnie od tego, czy te zmiany stanu odnoszą się do jednego czy drugiego z dwóch układów współrzędnych w jednostajnym ruchu postępowym.
Drugi aksjomat to zasada, że prędkość światła jest taka sama dla każdego obserwatora.
Każdy promień światła porusza się w „stacjonarnym” układzie współrzędnych z określoną prędkością c , niezależnie od tego, czy promień jest emitowany przez ciało nieruchome, czy przez poruszające się.
Teoria, zwana teraz szczególną teorią względności , odróżnia ją od późniejszej jego ogólnej teorii względności , w której wszyscy obserwatorzy są równoważni. Szczególna teoria względności niezwykle szybko zyskała powszechną akceptację, potwierdzając komentarz Einsteina, że „dojrzała do odkrycia” w 1905 r. Uznając rolę Maxa Plancka we wczesnym rozpowszechnianiu jego idei, Einstein napisał w 1913 r. „Uwagę, jaką ta teoria tak szybko zyskała ze strony kolegów z pewnością należy przypisać w dużej mierze stanowczości i serdeczności, z jaką [Planck] interweniował w tej teorii”. Ponadto ulepszone sformułowanie matematyczne teorii Hermanna Minkowskiego w 1907 r. miało wpływ na uzyskanie akceptacji dla teorii. Co najważniejsze, teoria ta została poparta coraz większą liczbą potwierdzających dowodów eksperymentalnych.
Równoważność masy i energii
21 listopada Annalen der Physik opublikowała czwartą pracę (otrzymano 27 września) „Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?” („Czy bezwładność ciała zależy od jego zawartości energetycznej?”), w której Einstein wydedukował prawdopodobnie najsłynniejsze ze wszystkich równań: E = mc 2 .
Einstein uważał, że równanie równoważności ma ogromne znaczenie, ponieważ pokazuje, że masywna cząstka posiada energię, „energię spoczynkową”, różną od jej klasycznej energii kinetycznej i potencjalnej . Artykuł jest oparty na badaniach Jamesa Clerka Maxwella i Heinricha Rudolfa Hertza , a ponadto na aksjomatach względności, jak stwierdza Einstein:
Wyniki poprzedniego śledztwa prowadzą do bardzo interesującego wniosku, który należy tutaj wydedukować.
Poprzednie badanie opierało się „na równaniach Maxwella-Hertza dla pustej przestrzeni , wraz z wyrażeniem Maxwella na energię elektromagnetyczną przestrzeni…”
Prawa, według których zmieniają się stany układów fizycznych, są niezależne od alternatywy, do którego z dwóch układów współrzędnych, w ruchu jednostajnym w równoległym przesunięciu względem siebie, te zmiany stanu odnoszą się (zasada względności).
Z równania wynika, że energia ciała w spoczynku ( E ) równa się jego masie ( m ) razy prędkość światła ( c ) do kwadratu, czyli E = mc 2 .
Jeśli ciało oddaje energię L w postaci promieniowania, jego masa zmniejsza się o L / c 2 . Fakt, że energia wycofana z ciała staje się energią promieniowania ewidentnie nie ma znaczenia, tak że prowadzimy do bardziej ogólnego wniosku, że
Masa ciała jest miarą jego zawartości energetycznej; jeśli energia zmienia się o L , masa zmienia się w tym samym sensie o L /(9 × 10 20 ) , energia jest mierzona w ergach , a masa w gramach.
...
Jeśli teoria odpowiada faktom, promieniowanie przenosi bezwładność między ciałami emitującymi i pochłaniającymi.
Relacja masa-energia może być stosowany do przewidywania ile energii zostanie zwolniony lub spożywane przez reakcje jądrowe ; po prostu mierzy się masę wszystkich składników i masę wszystkich produktów i mnoży różnicę między nimi przez c 2 . Wynik pokazuje, ile energii zostanie uwolnione lub zużyte, zwykle w postaci światła lub ciepła. W zastosowaniu do niektórych reakcji jądrowych równanie to pokazuje, że zostanie uwolniona niezwykle duża ilość energii, miliony razy więcej niż w przypadku spalania chemicznych materiałów wybuchowych , gdzie ilość masy zamieniona na energię jest znikoma. To wyjaśnia, dlaczego broń jądrowa i reaktory jądrowe wytwarzają tak fenomenalne ilości energii, ponieważ uwalniają energię wiążącą podczas rozszczepienia jądrowego i fuzji jądrowej i przekształcają część masy subatomowej w energię.
Uczczenie pamięci
Międzynarodowa Unia Fizyki Czystej i Stosowanej ( IUPAP ) postanowiła upamiętnić setną rocznicę opublikowania obszernej pracy Einsteina w 1905 roku jako Światowy Rok Fizyki 2005 . Zostało to następnie zatwierdzone przez ONZ .
Bibliografia
Cytaty
Podstawowe źródła
Drugorzędne źródła
- Gribbin, John i Gribbin, Mary. Annus Mirabilis: 1905, Albert Einstein i teoria względności , Chamberlain Bros., 2005. ISBN 1-59609-144-4 . (Zawiera DVD.)
- Renn, Jürgen i Dieter Hoffmann, „1905-cudowny rok”. 2005 J. Fiz. Nietoperz. Mol. Optować. Fiz. 38 S437-S448 ( Instytut Historii Nauki im. Maxa Plancka ) [Wydanie 9 (14 maja 2005)]. doi : 10.1088/0953-4075/38/9/001 .
- Stachel, John i in., Cudowny rok Einsteina . Princeton University Press, 1998. ISBN 0-691-05938-1 .