Документы Annus Mirabilis

Эйнштейном в 1904 или 1905 году, примерно в то время, когда он писал статьи Annus Mirabilis.

ANNUS Mirabilis бумаги (от латинского Annus Mirabilis , «чудо года») являются четыре документа , которые Альберт Эйнштейн , опубликованных в Annalen дер Physik ( Анналы физики ), в научном журнале , в 1905 г. Эти четыре документа были основной вклад в фундамент современная физика . Они произвели революцию в понимании наукой фундаментальных концепций пространства , времени , массы и энергии . Поскольку Эйнштейн опубликовал эти замечательные статьи за один год, 1905 год называется его annus mirabilis (чудо-год на английском или Wunderjahr на немецком).

В первой статье объяснялся фотоэлектрический эффект , который был единственным конкретным открытием, упомянутым в цитировании, присуждении Эйнштейну Нобелевской премии по физике . ^[1] Во второй статье объясняется броуновское движение , которое заставило физиков с неохотой признать существование атомов . Третья статья представила специальную теорию относительности Эйнштейна . Четвертый, следствие специальной теории относительности, разработал принцип эквивалентности массы и энергии , выраженный в знаменитом уравнении и который привел к открытию и использованию атомной энергии . Эти четыре статьи вместе с квантовой механикой${\ displaystyle E = mc ^ {2}}$и более поздняя общая теория относительности Эйнштейна являются фундаментом современной физики.

Фон [ править ]

Дом-музей Альберт Эйнштейн на Крамгассе в Берне, место жительства Эйнштейна в то время. Большинство бумаг было написано в его квартире на первом этаже выше уровня улицы.

На момент написания статей у Эйнштейна не было легкого доступа к полному набору научных справочных материалов, хотя он регулярно читал и публиковал обзоры для Annalen der Physik . Кроме того, было мало научных коллег, готовых обсудить его теории . Он работал экспертом в Патентном бюро в Берне , Швейцария, и позже он сказал о своем сотруднике, Мишель Бессо , что он «не мог найти лучшего резонатора для своих идей во всей Европе». Кроме того, коллеги и другие члены самопровозглашенной « Академии Олимпии » ( Морис Соловин и Конрад Хабихт ) и его жена,Милева Марич оказала некоторое влияние на работу Эйнштейна, но насколько, неясно. ^{[2] [3] [4]}

В этих статьях Эйнштейн затронул некоторые из самых важных физических вопросов и проблем того времени. В 1900 году лорд Кельвин в лекции под названием «Облака девятнадцатого века над динамической теорией тепла и света» ^[5] предположил, что у физики нет удовлетворительного объяснения результатов эксперимента Майкельсона – Морли и излучения черного тела . Как было сказано, специальная теория относительности объяснила результаты экспериментов Майкельсона – Морли. Объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта расширило квантовую теорию, которую Макс Планк разработал в своем успешном объяснении излучения черного тела.

Несмотря на большую известность, достигнутую другими его работами, такими как работа по специальной теории относительности , именно его работа по фотоэлектрическому эффекту принесла ему Нобелевскую премию в 1921 году. ^[6] Нобелевский комитет терпеливо ждал экспериментального подтверждения специальной теории относительности; однако ничего не было сделано до экспериментов Айвза и Стилвелла (1938 ^[7] и 1941 ^[8] ) и Росси и Холла (1941) по замедлению времени . ^[9]

Статьи [ править ]

Фотоэлектрический эффект [ править ]

В статье «Об эвристическом взгляде на образование и преобразование света » ^{[Эйнштейн 1],} полученной 18 марта и опубликованной 9 июня, была предложена идея квантов энергии . Эта идея, мотивированная более ранним выводом Максом Планком закона излучения черного тела , предполагает, что световая энергия может поглощаться или излучаться только в дискретных количествах, называемых квантами . Эйнштейн заявляет:

Энергия во время распространения луча света не распределяется непрерывно по постоянно увеличивающимся пространствам, а состоит из конечного числа квантов энергии, локализованных в точках пространства , движущихся без разделения и способных поглощаться или генерироваться только как сущности .

При объяснении фотоэлектрического эффекта гипотеза о том, что энергия состоит из дискретных пакетов , как показывает Эйнштейн, может быть непосредственно применена и к черным телам .

Идея квантов света противоречит волновой теории света , который естественным образом вытекает из Джеймса Клерка Максвелла «s уравнений для электромагнитного поведения и, в более общем плане , предположение о бесконечной делимости энергии в физических системах.

Существует глубокая формальная разница между теоретическими представлениями, которые физики сформировали о газах и других весомых телах, и теорией Максвелла об электромагнитных процессах в так называемом пустом пространстве. Хотя мы считаем, что состояние тела полностью определяется положением и скоростями действительно очень большого, но конечного числа атомов и электронов, мы используем непрерывные пространственные функции для определения электромагнитного состояния объема пространства, так что конечное число величин нельзя считать достаточным для полного определения электромагнитного состояния пространства.

[... это] приводит к противоречиям в применении к явлениям излучения и преобразования света.

Согласно точке зрения, что падающий свет состоит из квантов энергии [...], образование катодных лучей светом можно представить следующим образом. Поверхностный слой тела пронизывают кванты энергии, энергия которых хотя бы частично преобразуется в кинетическую энергию электронов. Простейшая концепция заключается в том, что квант света передает всю свою энергию одному электрону [...]

Эйнштейн заметил, что фотоэлектрический эффект зависит от длины волны и, следовательно, от частоты света. На слишком низкой частоте даже интенсивный свет не производил электронов. Однако, как только достигается определенная частота, даже свет низкой интенсивности производит электроны. Он сравнил это с гипотезой Планка о том, что свет может излучаться только в пакетах энергии, задаваемых hf , где h - постоянная Планка, а f - частота. Затем он постулировал, что свет распространяется пакетами, энергия которых зависит от частоты, и поэтому только свет с частотой выше определенной принесет энергию, достаточную для освобождения электрона.

Даже после того, как эксперименты подтвердили, что уравнения Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта точны, его объяснение не было общепринятым. Нильс Бор в своей нобелевской речи 1922 года заявил: «Гипотеза световых квантов не может пролить свет на природу излучения».

К 1921 году, когда Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия и его работа по фотоэлектричеству была упомянута по имени в цитировании награды, некоторые физики признали, что уравнение ( )${\ displaystyle hf = \ Phi + E_ {k}}$ было правильным и световые кванты возможны. В 1923 году Артур Комптон «сек Рентгеновский эксперимент по рассеянию помогли более научного сообщества , чтобы принять эту формулу. Теория световых квантов была сильным индикатором дуальности волна-частица , фундаментального принципа квантовой механики . ^[10] Полная картина теории фотоэлектричества была реализована после становления квантовой механики.

Броуновское движение [ править ]

Статья " Über die von der molkularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen " ("О движении малых частиц, взвешенных в неподвижной жидкости, как того требует молекулярно-кинетическая теория тепла 2"), ^[ee] получил 11 мая и опубликовал 18 июля, очертил стохастическую модель броуновского движения .

В этой статье будет показано, что, согласно молекулярно-кинетической теории тепла, тела микроскопически видимого размера, взвешенные в жидкостях, должны в результате тепловых молекулярных движений совершать движения такой величины, что их можно легко наблюдать с помощью микроскоп. Возможно, что обсуждаемые здесь движения идентичны так называемому броуновскому движению молекул; однако доступные мне данные по последнему настолько неточны, что я не мог составить суждение по этому вопросу ...

Эйнштейн вывел выражения для среднего квадрата смещения частиц. Используя кинетическую теорию газов , которая в то время была противоречивой, в статье было установлено, что это явление, которому не хватало удовлетворительного объяснения даже спустя десятилетия после того, как оно было впервые обнаружено, предоставило эмпирические доказательства реальности атома . Это также укрепило доверие к статистической механике , которая в то время также вызывала споры. До этой статьи атомы считались полезной концепцией, но физики и химики спорили о том, являются ли атомы реальными объектами. Статистическое обсуждение поведения атомов Эйнштейном дало экспериментаторам возможность считать атомы, глядя в обычный микроскоп. Вильгельм Оствальд, один из лидеров антиатомной школы, позже сказал Арнольду Зоммерфельду, что он был убежден в существовании атомов в последующих экспериментах Жана Перрена с броуновским движением. ^[11]

Специальная теория относительности [ править ]

«Zur Elektrodynamik bewegter Körper» («Об электродинамике движущихся тел») ^{Эйнштейна,} его третья статья в том году, была получена 30 июня и опубликована 26 сентября. В ней уравнения Максвелла для электричества и магнетизма согласовываются с законами механика, внося серьезные изменения в механику, близкую к скорости света . Позже это стало известно как специальная теория относительности Эйнштейна .

В документе упоминаются имена только пяти других ученых: Исаака Ньютона , Джеймса Клерка Максвелла , Генриха Герца , Кристиана Доплера и Хендрика Лоренца . Ссылки на другие публикации отсутствуют. Многие идеи уже были опубликованы другими, что подробно описано в истории специальной теории относительности и споре о приоритете теории относительности . Однако статья Эйнштейна вводит теорию времени, расстояния, массы и энергии, которая согласовывалась с электромагнетизмом , но не учитывала силу тяжести .

В то время было известно, что уравнения Максвелла в применении к движущимся телам приводили к асимметриям ( проблема движущегося магнита и проводника ) и что было невозможно обнаружить какое-либо движение Земли относительно «легкой среды» ( т.е. эфир) . Эйнштейн выдвигает два постулата для объяснения этих наблюдений. Во-первых, он применяет принцип относительности , который гласит, что законы физики остаются неизменными для любой неускоряющейся системы отсчета (называемой инерциальной системой отсчета), к законам электродинамики и оптики.а также механика. Во втором постулате Эйнштейн предполагает, что скорость света имеет одинаковое значение во всех системах отсчета, независимо от состояния движения излучающего тела.

Таким образом, специальная теория относительности согласуется с результатом эксперимента Майкельсона-Морли , который не обнаружил среду проводимости (или эфир ) для световых волн, в отличие от других известных волн, которым требуется среда (например, вода или воздух). Эйнштейн, возможно, не знал об этом эксперименте, но заявляет:

Примеры такого рода , вместе с безуспешными попытками обнаружить какое-либо движение Земли относительно « легкой среды », предполагают, что явления электродинамики, как и механики, не обладают свойствами, соответствующими идее абсолютного покоя .

Скорость света фиксирована и, следовательно, не зависит от движения наблюдателя. Это было невозможно в рамках классической механики Ньютона . Эйнштейн утверждает,

одни и те же законы электродинамики и оптики будут справедливы для всех систем отсчета, для которых справедливы уравнения механики. Мы поднимем эту гипотезу (цель которой в дальнейшем будет называться «Принцип относительности») до статуса постулата , а также введем еще один постулат, который только на вид несовместим с первым, а именно, что свет всегда распространяется. в пустом пространстве с определенной скоростью c, которая не зависитсостояния движения излучающего тела. Этих двух постулатов достаточно для создания простой и последовательной теории электродинамики движущихся тел, основанной на теории Максвелла для неподвижных тел. Введение « светоносного эфира » окажется излишним, поскольку развиваемая здесь точка зрения не потребует «абсолютно стационарного пространства», наделенного особыми свойствами, и не будет назначать вектор скорости какой-либо точке пустого пространства. в котором происходят электромагнитные процессы. Теория [...] основываются, как и вся электродинамика на кинематиках в твердом теле , так как утверждения любой такой теории имеет дело с отношениями между твердыми телами ( системы координат ),часы и электромагнитные процессы . Недостаточный учет этого обстоятельства лежит в основе тех трудностей, с которыми в настоящее время сталкивается электродинамика движущихся тел.

Ранее Джордж Фицджеральд в 1889 году и Лоренц в 1892 году независимо друг от друга предположили, что результат Майкельсона – Морли можно объяснить, если движущиеся тела сжимаются в направлении их движения. Некоторые из основных уравнений статьи, преобразования Лоренца , были опубликованы Джозефом Лармором (1897, 1900), Хендриком Лоренцем (1895, 1899, 1904) и Анри Пуанкаре (1905) в развитие статьи Лоренца 1904 года. Изложение Эйнштейна отличалось от объяснений Фитцджеральда, Лармора и Лоренца, но во многих отношениях было похоже на формулировку Пуанкаре (1905).

Его объяснение основано на двух аксиомах. Во-первых, идея Галилея о том, что законы природы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга. Эйнштейн пишет:

Законы, по которым состояния физических систем претерпевают изменения, не затрагиваются, независимо от того, относятся ли эти изменения состояния к одной или другой из двух систем координат в равномерном поступательном движении.

Второй - это правило, согласно которому скорость света одинакова для каждого наблюдателя.

Любой луч света движется в «стационарной» системе координат с определенной скоростью c , независимо от того, испускается ли луч неподвижным или движущимся телом.

Эта теория, которая сейчас называется специальной теорией относительности , отличает ее от его более поздней общей теории относительности , которая считает всех наблюдателей эквивалентными. Специальная теория относительности получила широкое признание удивительно быстро, подтвердив комментарий Эйнштейна о том, что она «созрела для открытия» в 1905 году. Признавая роль Макса Планка в раннем распространении его идей, Эйнштейн писал в 1913 году: «Внимание, которое так быстро привлекла эта теория. от коллег, несомненно, во многом объясняется решительностью и теплотой, с которой он [Планк] выступил за эту теорию ». Кроме того, улучшенная математическая формулировка теории Германа Минковскогов 1907 г. оказал влияние на признание теории. Кроме того, что наиболее важно, теория подкреплялась постоянно растущим количеством подтверждающих экспериментальных данных.

Эквивалентность массы и энергии [ править ]

21 ноября Annalen der Physik опубликовала четвертую статью (получена 27 сентября) "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?" («Зависит ли инерция тела от его энергетического содержания?») ^{[Эйнштейн 4],} в котором Эйнштейн вывел, пожалуй, самое известное из всех уравнений: E  =  mc ² . ^[12]

Эйнштейн считал уравнение эквивалентности чрезвычайно важным, поскольку оно показало, что массивная частица обладает энергией, «энергией покоя», отличной от ее классической кинетической и потенциальной энергий . Статья основана на исследованиях Джеймса Клерка Максвелла и Генриха Рудольфа Герца и, кроме того, на аксиомах теории относительности, как утверждает Эйнштейн:

Результаты предыдущего исследования приводят к очень интересному выводу, который здесь необходимо сделать.

Предыдущее исследование было основано «на уравнениях Максвелла – Герца для пустого пространства вместе с максвелловским выражением для электромагнитной энергии пространства ...»

Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от альтернативы, к которой из двух систем координат при равномерном движении параллельного перемещения относительно друг друга относятся эти изменения состояния (принцип относительности).

Уравнение устанавливает, что энергия покоящегося тела ( E ) равна его массе ( m ), умноженной на квадрат скорости света ( c ), или E  =  mc ² .

Если тело испускает энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на L / c ² . Тот факт, что энергия, отводимая от тела, становится энергией излучения, очевидно, не имеет значения, так что мы приходим к более общему выводу, что

Масса тела является мерой его энергоемкости; если энергия изменяется на L , масса изменяется в том же смысле на L / (9 × 10 ²⁰ ) , энергия измеряется в эргах , а масса - в граммах.

[...]

Если теория соответствует фактам, излучение передает инерцию между излучающим и поглощающим телами.

Соотношение массы и энергии можно использовать для прогнозирования количества энергии, выделяемой или потребляемой ядерными реакциями ; просто измеряют массу всех составляющих и массу всех продуктов и умножают разницу между ними на c ² . Результат показывает, сколько энергии будет выделено или потреблено, обычно в виде света или тепла. Применительно к определенным ядерным реакциям это уравнение показывает, что будет выделено чрезвычайно большое количество энергии, в миллионы раз больше, чем при сгорании химических взрывчатых веществ , где количество массы, преобразованной в энергию, ничтожно мало. Это объясняет, почему ядерное оружие и ядерные реакторыпроизводят такое феноменальное количество энергии, поскольку они высвобождают энергию связи во время ядерного деления и ядерного синтеза и преобразуют часть субатомной массы в энергию.

День памяти [ править ]

Международный союз чистой и прикладной физики ( IUPAP ) принял решение отметить 100-летие публикации обширной работы Эйнштейна в 1905 году как « Всемирный год физики 2005 ». Впоследствии это было одобрено Организацией Объединенных Наций .

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

Первоисточники [ править ]

Вторичные источники [ править ]

• Гриббин, Джон , и Гриббин, Мэри. Аннус Мирабилис: 1905, Альберт Эйнштейн и теория относительности , Chamberlain Bros., 2005. ISBN 1-59609-144-4 . (Включает DVD.) 
• Ренн, Юрген и Дитер Хоффманн, «1905 - чудесный год». 2005 J. Phys. Летучая мышь. Мол. Опт. Phys. 38 S437-S448 ( Институт истории науки Макса Планка ) [Выпуск 9 (14 мая 2005 г.)]. DOI : 10.1088 / 0953-4075 / 38/9/001 .
• Стахель, Джон и др., Чудесный год Эйнштейна . Princeton University Press, 1998. ISBN 0-691-05938-1 . 

Внешние ссылки [ править ]

• Коллекция документов Аннуса Мирабилис и их английские переводы