1

Rok 1905 – narodziny współczesnej fizyki

wykład popularnonaukowypaździernik 2005

dr Mariusz NiemiecInstytut Fizyki

Uniwersytet Opolski

2

Albert Einstein – bohater wykładu

187914 marca o godzinie 11:30 Albert Einstein przychodzi na świat w niemieckim mieście Ulm, w domu rodziców: Hermanna Einsteina (1847-1902) i Pauliny Einstein z domu Koch (1858-1920).

1880Rodzina Einsteinów przenosi się do Monachium.

188118 listopada narodziny siostry Alberta, Mai. Przez całe życie pozostała bliską mu osobą.

1884Pięcioletni Albert dostaje od ojca kompas, który wywiera na nim ogromne wrażenie. Wydaje mu się, że igła wewnątrz kompasu całkowicie zamknięta, izolowana i niedostępna pozostaje we władzy jakiejś niewidzialnej siły, która każe wskazywać jej północ. Zdaje sobie sprawę z tego, że istnieje "coś poza przedmiotami, coś głęboko ukrytego". Odtąd pragnie dowiedzieć się, co to jest za tajemnicza siła.

1885W wieku 6 lat zaczyna uczęszczać do katolickiej szkoły elementarnej w Monachium. Rozpoczyna też naukę gry na skrzypcach - początkowo niechętnie, z biegiem lat gra staje się jego pasją.

3

1888Wstępuje do gimnazjum Luitpolda w Monachium. W domu Einsteinów często bywa Max Talmud, student medycyny, który Albertowi daje do czytania wiele książek popularnonaukowych, wzbudzając w nim zainteresowanie fizyką, matematyką i filozofią.

1894Rodzina Einsteinów przeprowadza się do Mediolanu, później Pavii i znowu do Mediolanu, pozostawiając Alberta w Monachium, aby mógł ukończyć gimnazjum. Pod koniec roku Albert jednak porzuca szkołę i dołącza do rodziców i siostry.

4

1895Jesienią próbuje wstąpić na Politechnikę Związkową w Zurychu (ETH - Eidgenössisch Technische Hochschule), lecz nie zdaje egzaminu wstępnego. Zapisuje się więc do Szkoły Kantonalnej w Aarau i zamieszkuje w domu jednego z nauczycieli Josta Wintelera.

1896Zrzeka się obywatelstwa niemieckiego. Jesienią kończy szkołę w Aarau, co upoważnia go do rozpoczęcia studiów na Politechnice Związkowej. Pod koniec października przeprowadza się do Zurychu

1897Zaprzyjaźnia się z Milevą Marić i Marcelem Grossmanem, z którymi spędza większość wolnego czasu.

1900Kończy studia na Politechnice i ku niezadowoleniu rodziców oświadcza, że zamierza poślubić swoją koleżankę z roku - Milevę, ale rodzice nie wyrażają zgody. Pod koniec roku przesyła do Annalen der Physik swoją pierwszą pracę naukową.

5

1902Narodziny Lieserl, nieślubnej córki Alberta i Milevy, (przypuszczalnie w styczniu). Einstein wycofuje swoją rozprawę doktorską z Uniwersytetu w Zurychu. Otrzymuje pracę w Urzędzie Patentowym w Bernie, dokąd się przeprowadza. 10 października umiera ojciec Alberta

1901

Przez cały czas pozostaje w kontakcie z Milevą. 21 lutego otrzymuje obywatelstwo szwajcarskie. 13 marca zostaje uznany za niezdolnego do służby wojskowej z powodu płaskostopia i żylaków. W maju publikuje rozprawę naukową "Zjawisko włoskowatości i wynikające zeń wnioski”. Jesienią podejmuje pracę jako korepetytor na pensji w Schaffausen. Przygotowuje rozprawę doktorską o oddziaływaniach cząsteczkowych w gazach, którą w listopadzie składa na Uniwersytecie w Zurychu. Mileva wraz z rodzicami wyjeżdża na Węgry.

19036 stycznia bierze ślub z Milevą Marić w Bernie, gdzie oboje zamieszkują. Wszelkie wzmianki o ich córce Lieserl urywają się po tym, jak we wrześniu, podczas pobytu Milevy w Budapeszcie, dziewczynka zapada na szkarlatynę. Einstein nigdy nie zobaczył córki, jej dalsze losy są nieznane. Zmarła lub została oddana do adopcji.

190430 kwietnia kończy rozprawę doktorską "O nowej metodzie wyznaczania rozmiarów molekuł".14 maja Einsteinowi rodzi się w Bernie syn Hans Albert (zmarł w 1973 w Berkeley, Kalifornia).

6

1905ANNUS MIRABILIS - cudowny rok w życiu Einsteina pod względem publikacji naukowych. 30 kwietnia składa do druku rozprawę doktorską. Publikuje cztery ze swoich najważniejszych artykułów naukowych:

-"O pewnym heurystycznym punkcie widzenia na wytwarzanie i przemiany światła", Annalen der Physik 17 (1905), 132 – 148,w którym zajmuje się hipotezą kwantów.

- "O ruchu drobnych cząstek zawieszonych w spoczywającej cieczy będącym konsekwencją molekularno-kinetycznej teorii ciepła",

Annalen der Physik 17 (1905), 549 – 560, pierwsza z jego prac o ruchach Browna.

- "O elektrodynamice ciał w ruchu", Annalen der Physik 17 (1905), 891 – 921,pierwsza praca dotycząca teorii względności.

Druga, krótsza praca

-„Czy bezwładność ciała zależy od zawartej w nim energii?", Annalen der Physik 18 (1905), 639 – 641,poświęcona szczególnej teorii względności, opublikowana 21 listopada, zawiera słynne równanie

m=E/c2

7

190615 stycznia uzyskuje oficjalnie stopień doktora Uniwersytetu w Zurychu.

8

1907"Jeśli człowiek będzie spadał swobodnie, nie odczuje własnego ciężaru" - to sformułowanie Einstein uznał za najszczęśliwszą myśl swojego życia, która zainspirowała go do stworzenia teorii grawitacji.

1908Zostaje zatrudniony jako "Privatdozent" (wykładowca) na Uniwersytecie Berneńskim. Siostra Maja uzyskuje doktorat z romanistyki na tym samym uniwersytecie. Einstein współpracuje z J.J. Laubem - piszą razem artykuły do Annalen der Physik.

1909Kończy dwie prace, zawierające dwie hipotezy z zakresu teorii promieniowania ciała doskonale czarnego. 7 maja zostaje mianowany profesorem nadzwyczajnym w Katedrze Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Zurychu. Rezygnuje z etatów w Urzędzie Patentowym i na Uniwersytecie Berneńskim. Uniwersytet Genewski przyznaje mu pierwszy doktorat honoris causa.

1910Siostra Maja wychodzi za mąż za Paula Wintelera, syna byłego nauczyciela Einsteina z Aarau.28 lipca rodzi się drugi z synów Einsteina, Eduard (zmarł w 1965 roku w zakładzie psychiatrycznym, gdzie przebywał od 20 roku życia).W październiku Einstein kończy pracę o zjawisku opalescencji, w której wyjaśnia, dlaczego niebo jest niebieskie.

9

19111 kwietnia obejmuje stanowisko dyrektora Instytutu Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie Karola-Ferdynanda w Pradze, rezygnując z katedry na Uniwersytecie w Zurychu. Przenosi się wraz z rodziną do Pragi. 29 października bierze udział w I Kongresie Solvayowskim w Brukseli, zorganizowanym przez francuskiego chemika Ernesta Solvay'a (1838-1922) założyciela Międzynarodowego Instytutu Fizyki. W Kongresie uczestniczy też Maria Skłodowska-Curie.

1912Małżeństwo z Milevą przechodzi kryzys. Einstein odnawia znajomość ze swoją rozwiedzioną kuzynką Elsą Löwenthal. W październiku obejmuje stanowisko profesora fizyki teoretycznej na ETH w Zurychu rezygnując z posady w Pradze.

1913Wrzesień - synowie Albert i Eduard zostają ochrzczeni w obrządku prawosławnym w pobliżu serbskiej miejscowości Novi Sad, rodzinnego miasta swej matki. W listopadzie - Einstein zostaje wybrany członkiem Pruskiej Akademii Nauk i otrzymuje z Berlina, gdzie mieszka Elsa Löwenthal, propozycję etatu badawczego bez obowiązków dydaktycznych na Uniwersytecie Berlińskim oraz stanowisko dyrektora utworzonego właśnie Instytutu Fizyki im. Cesarza Wilhelma. Rezygnuje więc z pracy w ETH.

10

1914Kwiecień - Einstein przyjeżdża do Berlina, aby objąć nowe stanowisko. Mileva z dziećmi dołącza do niego, lecz wkrótce powraca do Zurychu, gdyż nie odpowiada jej atmosfera panująca w Berlinie. Od końca czerwca jest w separacji z mężem.

1915Wraz z innymi osobistościami podpisuje "Manifest do Europejczyków" broniący zagrożonej kultury europejskiej - jest to prawdopodobnie jego pierwsze wystąpienie polityczne. W listopadzie kończy pracę nad logiczną strukturą ogólnej teorii względności.

1916Zamieszcza w Annalen der Physik rozprawę zatytułowaną "Zasady ogólnej teorii względności" (która zostaje później opublikowana jako jego pierwsza książka). W maju zostaje przewodniczącym Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego. Publikuje trzy prace o teorii kwantów.

1917Luty - pisze pierwszą pracę z kosmologii. Zapada na zdrowiu, cierpi na chorobę wrzodową i dolegliwości wątroby, jest ogólnie wyczerpany. Opiekuje się nim Elsa. 1 października Instytut Cesarza Wilhelma, którego dyrektorem jest Albert Einstein, rozpoczyna działalność w zakresie fizyki teoretycznej i doświadczalnej.

11

1921W kwietniu i maju odbywa pierwszą podróż do Stanów Zjednoczonych. Wygłasza cztery wykłady o teorii względności na Uniwersytecie w Princeton i otrzymuje doktorat honoris causa tej uczelni.

192210 listopada Królewska Akademia Nauk przyznaje Albertowi Einsteinowi Nagrodę Nobla z fizyki za rok 1921. Nagrodę otrzymuje za zasługi w dziedzinie fizyki teoretycznej, a w szczególności za odkrycie prawa rządzącego zjawiskiem fotoelektrycznym. Teoria względności zostaje pominięta. W tym czasie Einstein wraz z żoną Elsą znajduje się w drodze do Japonii. Zaskakująca jest reakcja Einsteina na otrzymanie Nogrody Nobla - nawet o niej nie wspomniał w swych dziennikach ani listach do przyjaciół.

191914 lutego Einstein otrzymuje rozwód z Milevą. Umowa rozwodowa przewiduje, że pieniądze z ewentualnej Nagrody Nobla przypadną Milevie i jej synom. 29 maja sir Arthur Eddington przeprowadza podczas zaćmienia słońca eksperymentalne pomiary zakrzywienia promieni świetlnych, w pełni potwierdzające teoretyczne przewidywania Einsteina. Od tej pory rośnie sława Einsteina jako postaci publicznej.2 czerwca poślubia Elsę, która mieszka z dwiema niezamężnymi córkami: Ilse (22 lata) i Margot (20 lat). Pod koniec roku pod wpływem jednego z przyjaciół, Kurta Blumenfelda, zaczyna interesować się syjonizmem. W Niemczech szerzy się antysemityzm, nasilają się ataki na teorię względności. Einstein nie zamierza jednak opuścić Berlina.

1920Umiera matka Einsteina - Pauline

12

STATUS FIZYKI KOŃCA XIX WIEKU

13

... niektóre „drobne, nieistotne” trudności:

1. promieniowanie ciała doskonale czarnego

2. „eter” i prędkość światła – Michelson-Morley

3. nowy rodzaj promieniowania – Bequerell i M. & P. Curie

14

Hipoteza o dyskretności (nieciągłości) energii - wyjaśnienie rozkładu promieniowania tzw. ciała doskonale czarnego.

15

Radykalne założenia z pracy Maxa Plancka:

1. Oscylatory w ciele stałym nie emitują światła w sposób ciągły, lecz tylko podczas zmiany ich amplitudy drgań – przejście od większych amplitud do mniejszych powoduje emisję światła, podczas gdy przejście do większych amplitud jest związane z absorpcją światła przez oscylator.

1. Oscylator może emitować energię do pola promieniowania lub absorbować z niego energię jedynie porcjami zwanymi kwantami, mającymi wielkość h, gdzieh jest stałą, a jest częstością oscylatora.

16

Artykuł pierwszy

„O pewnym heurystycznym punkcie widzenia na wytwarzanie i przemiany światła”

promieniowanie elektromagnetyczne składa się z kwantów („kwant światła”);

wyprowadza na tej podstawie wzór Plancka; wyjaśnia zjawisko fotoelektryczne

Za tę właśnie pracę Einstein otrzymał w 1922 roku Nagrodę Nobla (za rok 1921). Po raz pierwszy A. Einstein był zgłoszony do Nagrody Nobla w 1910 roku i do momentu jej otrzymania był zgłaszany co roku z wyjątkiem dwóch lat.

17

18

19

Historia badania efektu fotoelektrycznego (EF)

Przewidziany i zaobserwowany przez Hertza w 1887.

Dokładniejsze badania prowadzili w następnych latach Hallwachs i Stoletow.

20

Ustalono podstawowe własności EF:

• Prąd w ogniwie wzrasta ze wzrostem natężenia fali UV.• Energia cząstek EF (elektronów) nie zależy od natężenia fali.• Maksymalna energia elektronów wzrasta ze wzrostem częstości UV. Dla każdego materiału katody istnieje częstość graniczna poniżej której EF nie zachodzi.• EF jest natychmiastowy.

Te własności są sprzeczne z falową naturą promieniowania e-m.

W 1900 Lenard mierzył e/m cząstek EF i udowodnił, że są one elektronami.

W 1905 Einstein podał teorię EF, wprowadzając za Planckiem energię fotonu

= h .

Historia badania efektu fotoelektrycznego (EF)

21

Efekt fotoelektryczny to emisja elektronów z metalu bombardowanego promieniowaniem e-m (UV).

22

Cząstki uwalniane z metalu pod wpływem promieniowanianiosą ujemny ładunek

W 1900 Lenard zmierzył e/m tych ujemnych cząsteki zidentyfikował je jakoelektrony.

Ujemnie naładowanyelektroskop rozładowuje się.

Dodatnio naładowanyelektroskop nie rozładowuje się.

23

Artykuł drugi – najczęściej cytowany!

Einsteinowi udało się wyjaśnić ruchy Browna.

"O ruchu drobnych cząstek zawieszonych w spoczywającej cieczy będącym konsekwencją molekularno-kinetycznej teorii ciepła"

24

Robert Brown (1773-1858) – botanik szkocki

1827 mikroskopowe obserwacje zawiesiny wodnej pyłku Clarkia pulchella (z rodziny pierwiosnków)

very evidently in motion – active molecules

Historia badania ruchów Browna

25

Systematyczne badania Browna podobne ruchy dla pyłków różnych roslin podobne ruchy pyłków roślin martwych podobne ruchy cząstek nieorganicznych

26

Badanie ruchów Browna w XIX w. Doświadczenia

powszechność zjawiska niezmienność w czasie (do czasu opadnięcia na dno) niezależność od rodzaju cząstek zależność od rozpuszczalnika (lepkość) zależność szybkości od rozmiarów, np.

Ø 0.0013mm – v=0.0027 mm/sØ 0.0004mm – v=0.0038 mm/s

zależność szybkości od temperatury, np. T=20 oC – v=0.00032 cm/sT=71 oC – v=0.00051 cm/s

niezależność od warunków zewnętrznych, np. oświetlenie, nakrycie szkiełkiem

Teorie nierównomierność temperatury (ale T~105 oC !!!) prądy konwekcyjne wokół cząstki po absorpcji promieniowania siły wewnętrzne – odpychanie cząstek, włoskowatość teorie kinetyczne

27

Teoria Einsteina

Jest możliwe, że ruchy tu dyskutowane są identyczne z tzw. „molekularnym ruchem Browna”; jakkolwiek informacja dostępna dla mnie odnośnie tego ostatniego jest tak mało precyzyjna, że nie mogę przedstawić swej opinii na ten temat.Ann. Phys. 17, 549-560 (1905)

• ruch cząstki spowodowany bardzo częstymi, niezależnymi od siebie zderzeniami z molekułami cieczy

• ruch tak skomplikowany, że można go opisywać tylko probabilistycznie

Ruch Browna jako wynik procesu dyfuzji cząsteczek cieczy

28

Teoria Smoluchowskiego Marian Smoluchowski (1872-1917)

Ruch polegający na dygotaniu i trzęsieniu się, który odbywają drobne, w silnem powiększeniu widzialne cząstki, znajdujące się w stanie zawieszenia w cieczach, były często badane od r. 1827, w którym zwrócił na nie uwagę botanik Robert Brown, aż do dziś dnia; a jednak zjawisko to nie zostało jeszcze dostatecznie objaśnione.

Artykuł sprowokowany publikacjami Einsteina, ale Smoluchowskimyślał o problemie od kilku lat (mniej więcej od 1900 roku).

Rozpr. Wydz. Mat.-Przyr. Akad. Umiejętności 46A, 755 (1906), „Zarys teorii kinetycznej ruchów Browna i roztworów mętnych”.

29

Słuszność molekularno-statystycznej teorii Einsteina-Smoluchowskiego, potwierdziły doświadczenia J.B. Perrina (nagroda Nobla, 1926 r.) i wyznaczenie przez niego liczby Avogadro.

Podobny wynik jak u Einsteina, różnica tylko w czynniku liczbowym.

„Nie będę wchodził na tem miejscu w roztrząsanie bardzo pomysłowych rozumowań, za pomocą których Einstein doszedł do swych wzorów, zauważę jednak, że obie metody przez niego użyte polegają na wnioskowaniu pośredniem, które nie wydają się zupełnie przekonywającem. W każdym razie, zgodność z bezpośrednią metodą tutaj użytą, która lepiej wyjaśnia mechanizm całego zjawiska, należy uważać za pożądane potwierdzenie obu sposobów rachunku.”

30

Po pracach Einsteina i Smoluchowskiego oraz obserwacjach Perrina, atomy i cząsteczki nie mogły już być rozpatrywane jak hipotetyczne twory.

Wraz z wynalezieniem skaningowej mikroskopii tunelowej, jesteśmy w stanie niemalże “widzieć” pojedyncze atomy i manipulować nimi tworząc pożądane struktury. Urządzenie to składające się z ostrza o promieniu kilku angstremów (1 angstrem = 10-10 m), poruszającego się w odległości rzędu angstrema nad powierzchnia próbki “widzi” chmurę elektronową atomów najbliższych powierzchni, tak jak igła gramofonu czuje rowki wyżłobione na płycie, pozwalając w ten sposób obrazować położenia i rozkład atomów na powierzchni.

ruchy Browna → fluktuacje → szumy → procesy stochastyczne→NANOTECHNOLOGIA

31

Artykuł trzeci

"O elektrodynamice ciał w ruchu"

32

Światło – fala elekromagnetyczna

ETER – musi przenikać całą przestrzeń i musi być pierwotnym i bezwzględnym układem odniesienia dla światła

Ile wynosi prędkość światła względem eteru?Jaka jest fizyczna natura eteru?

33

Alfred Daniell, Podręcznik zasad fizyki, Warszawa, 1887

34

Eksperyment Michelsona - Morleya (1887)

35

„Wyniki obserwacji są przedstawione w formie graficznej na rysunku. Krzywa górna odpowiada obserwacjom w południe, a krzywa dolna –obserwacjom wieczornym. Krzywe przerywane przedstawiają ósmą część przesunięcia teoretycznego. Wydaje się, że na podstawie tego rysunku można wnioskować, iż jeżeli istnieje jakiekolwiek przesunięcie spowodowane względnym ruchem Ziemi i światłonośnego eteru, to nie może ono być dużo większe niż 0,01 odległości między prążkami.”

Michelson i Morley, Amer. J. Sci.XXXIV, No. 203, 333-345 (1887).

Negatywny wynik doświadczenia – przełom w myśleniu

36

Prekursorzy znani, ale nie zawsze świadomi

37

Prekursorzy znani, ale nie zawsze świadomi

Hendrik Lorentz

George FitzGerald

38

"O elektrodynamice ciał w ruchu"

39

"O elektrodynamice ciał w ruchu"

40

41

Einstein oparł się na dwóch szczególnych postulatach

prędkość światła w próżni c jest jednakowa w każdym kierunku we wszystkich inercjalnych układach odniesienia niezależnie od wzajemnego ruchu obserwatora i źródła

zasada względności: prawa fizyki są identyczne w układach będących względem siebie w ruchu jednostajnym

prostoliniowym

oraz przyjął dodatkowo:

• założenie, że przestrzeń jest jednorodna i izotropowa• postulaty logiczne dotyczące synchronizacji zegarów (jeżeli

zegar w A idzie synchronicznie z zegarem w B, to zegar w B idzie synchronicznie z zegarem w A, itp.)

42

Einstein po spotkaniu Poincarégo na Kongresie Solvaya w 1911 r.:

Decydująca rola pracy Einsteina

43

44

Ogólna teoria względności

Tłumaczy zjawiska grawitacyjne własnościami geometrycznymi zakrzywionej czasoprzestrzeni.

W myśl tej teorii promień światła porusza się od punktu do punktu wzdłuż najkrótszej drogi, jednak ze względu na własności czasoprzestrzeni nie jest to prosta, lecz krzywa związana z "zanurzoną" w czasoprzestrzeni masą.

Zjawiska grawitacyjne utożsamione są z geometrycznymi właściwościami charakteryzującymi czas i przestrzeń. Grawitacja to nic innego jak krzywizna czasoprzestrzeni. Wszechświat ogólnej teorii względności nie jest opisywany za pomocą znanej ze szkoły geometrii Euklidesa, ale za pomocą pewnej ogólniejszej struktury matematycznej zwanej geometrią Riemanna.

45

Czasoprzestrzeń - przestrzeń czterowymiarowa, w której obok "normalnych" trzech wymiarów przestrzeni występuje również czwarty - czas.

Fale grawitacyjne - zmarszczki czasoprzestrzennej geometrii podróżujące przez wszechświat z prędkością światła. Istnienie ich zostało pośrednio potwierdzone przez analizę orbit podwójnych gwiazd neutronowych odkrytych przez Russella Hulse'a, Josepha Taylora i Aleksandra Wolszczana.

Czarna dziura - obiekt astronomiczny - gwiazda o tak ogromnej masie i gęstości, że z jej pola grawitacyjnego nie może uciec nawet światło. Czarna dziura jest zatem niewidoczna. Można ją jednak zaobserwować dzięki zjawiskom zachodzącym w otaczającym ją polu grawitacyjnym.

Teoria ta przewiduje istnienie fal grawitacyjnych i czarnych dziur. Została potwierdzona eksperymentalnie przez obserwacje astronomiczne - m.in. zjawisko soczewkowania grawitacyjnego.

46