Artículs del Annus mirabilis d'Einstein
Els artículs del annus mirabilis (del llatí annus mīrābilis, "any miraculós") són els quatre artículs que Albert Einstein va publicar en Annalen der Physik (Annals of Physics), una revista científica, en 1905. Estos quatre artículs varen ser importants contribucions a la fundació de la física moderna, revolucionant la comprensió científica dels conceptes fonamentals d'espai, temps, massa i energia . Degut a que Einstein va publicar estos artículs notables en un sol any, 1905 es diu el seu annus mirabilis (any miraculós en espanyol o Wunderjahr en alemà).
El primer artícul explicava l'efecte fotoeléctrico, únic descobriment específic mencionat en la menció que otorgava a Einstein el Premi Nobel de Física.[1] El segon artícul explicava el moviment browniano, que va dur als físics més reticents a acceptar l'existència dels àtoms . El tercer artícul va introduir la teoria de la relativitat especial d'Einstein. El quarto, conseqüència de la teoria de la relativitat especial, va desenrollar el principi d'equivalència massa-energia, expressat en la famosa equació i que va dur al descobriment i us de l'energia atòmica . Estos quatre artículs, junt en la mecànica quàntica i la posterior teoria de la relativitat general d'Einstein, són la base de la física moderna.
Antecedents
[editar | editar còdic]En el moment en que es varen escriure els artículs, Einstein no tenia fàcil accés a un conjunt complet de materials de referència científica, encara que llegia regularment i aportava resenyes a Annalen der Physik. Ademés, els colegues científics disponibles per a discutir els seus teories eren pocs. Va treballar com a examinador en l'Oficina de Paleses en Berna, Suïssa, i després va dir d'un companyer de treball allí, Michele Besso, que "no podria haver trobat una millor caixa de resonància per a les meues idees en tota Europa". Ademés, els companyers de treball i els atres membres de l'autodenominada "Acadèmia Olympia" (Maurice Solovine i Conrad Habicht) i la seua esposa, Mileva Marić, varen tindre certa influència en el treball d'Einstein, pero no hi ha certea absoluta de fins a quin punt va aplegar dita influència.[2][3][4]
A través d'estos documents, Einstein va abordar algunes de les preguntes i problemes de física més importants de l'época. En 1900, Lord Kelvin, en una conferència titulada "Núvols del sigle XIX sobre la teoria dinàmica de la calor i la llum",[5] va sugerir que la física no tenia explicacions satisfactòries per als resultats del experiment de Michelson-Morley i per a la radiació del cos negre. Tal com es va introduir, la relativitat especial va proporcionar una explicació dels resultats dels experiments de Michelson-Morley. L'explicació d'Einstein del efecte fotoeléctrico va ampliar la teoria quàntica que Max Planck havia desenrollat en la seua exitosa explicació de la radiació del cos negre.
A pesar de la major fama alcançada pels seus atres treballs, com el de la relativitat especial, va anar el seu treball sobre l'efecte fotoeléctrico lo que li va valdre el Premi Nobel en 1921.[6] El comité del Nobel havia esperat pacientment la confirmació experimental de la relativitat especial; no obstant, no va aparéixer cap fins als experiments de dilatació del temps de Ives i Stilwell (1938[7] i 1941[8]) i Rossi i Hall (1941).[9]
Artículs
[editar | editar còdic]Efecte fotoeléctrico
[editar | editar còdic]L'artícul "Über einen die Erzeugung und Verwandlung dones Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt" ("Sobre un punt de vista heurístic sobre la producció i transformació de la llum ")[einstein 1] rebut el 18 de març i publicat el 9 de juny, proponia l'idea de els quants d'energia. Esta idea, motivada per la derivació anterior de Max Planck de la llei de radiació del cos negre (que va ser precedida pel descobriment de la llei de desplaçament de Wien, per Wilhelm Wien, varis anys abans de Planck) supon que l'energia lluminosa pot ser absorbida o emesa. solament en cantitats discretes, cridades quants. Einstein afirma,
En explicar l'efecte fotoeléctrico, l'hipòtesis de que l'energia consistix en paquets discrets, com ilustra Einstein, també es pot aplicar directament a els cossos negres.
L'idea dels quants de llum contradiu la teoria ondulatoria de la llum que es deriva naturalment de les equacions de comportament electromagnètic de James Clerk Maxwell i, més en general, la suposició d'una divisibilidad infinita de l'energia en els sistemes físics.
Einstein es va donar conte de que l'efecte fotoeléctrico depenia de la llongitut d'ona i, per lo tant, de la freqüència de la llum. A una freqüència massa baixa, inclús la llum intensa no produïa electrons. No obstant, una volta que es va alcançar certa freqüència, inclús la llum de baixa intensitat va produir electrons. Va comparar açò en l'hipòtesis de Planck de que la llum podria emetre's solament en paquets d'energia donats per hf, a on h és la constant de Planck i f és la freqüència. Després va postular que la llum viaja en paquets l'energia dels quals depén de la freqüència i, per lo tant, solament la llum per damunt de certa freqüència duria suficient energia per a lliberar un electró.
Inclús en acabant de que els experiments confirmaren que les equacions d'Einstein per a l'efecte fotoeléctrico eren precises, la seua explicació no va anar universalment acceptada. Niels Bohr, en el seu discurs del Nobel de 1922, va declarar: "L'hipòtesis dels quants de llum no pot tirar llum sobre la naturalea de la radiació".
En 1921, quan Einstein va rebre el Premi Nobel i el seu treball sobre la fotoelectricidad va ser mencionat pel seu nom en la menció del premi, alguns físics varen acceptar que l'equació () era correcta i els quants de llum eren possibles. En 1923, l'experiment de dispersió de rajos X de Arthur Compton va ajudar a més membres de la comunitat científica a acceptar esta fòrmula. La teoria dels quants de llum era un fort indicador de la dualitat ona-partícula, un principi fonamental de la mecànica quàntica.[10] Una image completa de la teoria de la fotoelectricidad es va realisar despuix de la madurea de la mecànica quàntica.
Moviment browniano
[editar | editar còdic]L'artícul " Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen " ("Sobre el moviment de menudes partícules suspeses en un líquit estacionario, segons ho requerix la teoria cinètica molecular de la calor")[einstein 2], rebut l'11 de maig i publicat el 18 de juliol, delineó un model estocàstic de moviment browniano .
Einstein va derivar expressions per al desplaçament quadràtic mig de les partícules. Usant la teoria cinètica dels gasos, que en eixe moment era controvertida, l'artícul va establir que el fenomen, que havia carit d'una explicació satisfactòria inclús décades en acabant de que es va observar per primera volta, va proporcionar evidència empírica de la realitat del àtom. També va donar crèdit a la mecànica estadística, que també havia segut controvertida en eixe moment. Abans d'este document, els àtoms eren reconeguts com un concepte útil, pero els físics i químics varen debatre si els àtoms eren entitats reals. La discussió estadística d'Einstein sobre el comportament atòmic els va donar als experimentadores una forma de contar àtoms mirant a través d'un microscopi ordinari. Wilhelm Ostwald, un dels líders de l'escola antiátomo, li va dir més vesprada a Arnold Sommerfeld que s'havia convençut de l'existència dels àtoms pels subsegüents experiments de moviment browniano de Jean Perrin.[11]
Relativitat especial
[editar | editar còdic]L'artícul "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" ("Sobre l'electrodinàmica dels cossos en moviment")[einstein 3], el tercer d'eixe any, es va rebre el 30 de juny i es va publicar el 26 de setembre. Concilia les equacions de Maxwell per a l'electricitat i el magnetisme en les lleis de la mecànica en introduir canvis importants en la mecànica propencs a la velocitat de la llum . Açò més vesprada es va conéixer com la teoria especial de la relativitat d'Einstein .
El document menciona els noms solament d'atres cinc científics: Isaac Newton, James Clerk Maxwell, Heinrich Hertz, Christian Doppler i Hendrik Lorentz. No té cap referència a cap atra publicació. Moltes de les idees ya havien segut publicades per uns atres, com es detalla en Història de la relativitat especial. No obstant, l'artícul d'Einstein introduïx una teoria del temps, la distància, la massa i l'energia que era consistent en l'electromagnetisme, pero ometia la força de la gravetat .
En eixe moment, se sabia que les equacions de Maxwell, quan s'aplicaven a cossos en moviment, conduïen a asimetria, problema de l'iman en moviment i del conductor, i que no havia segut possible descobrir cap moviment de la Terra en relació en el 'mig llauger' (és dir, éter). Einstein propon dos postulats per a explicar estes observacions. Primer, aplica el Principi de relativitat, que establix que les lleis de la física seguixen sent les mateixes per a qualsevol sistema de referència no acelerante (cridat sistema de referència inercial), a les lleis de l'electrodinàmica i l'òptica, aixina com a la mecànica. En el segon postulat, Einstein propon que la velocitat de la llum té el mateix valor en tots els marcs de referència, independentment de l'estat de moviment del cos emissor.
La relativitat especial és, per lo tant, consistent en el resultat del experiment de Michelson-Morley, que no va detectar un mig de conductància (o éter) per a les ones de llum a diferència d'atres ones conegudes que requerixen un mig (com l'aigua o l'aire). És possible que Einstein no sabera sobre eixe experiment, pero afirma:
La velocitat de la llum és fixa i, per lo tant, no és relativa al moviment de l'observador. Açò era impossible baix la mecànica clàssica newtoniana . Einstein argumenta,
Anteriorment, George FitzGerald en 1889 i Lorentz en 1892 havien propost, independentment l'u de l'atre, que el resultat de Michelson-Morley podria explicar-se si els cossos en moviment es contragueren en la direcció del seu moviment. Algunes de les equacions centrals de l'artícul, les transformacions de Lorentz, havien segut publicades per Joseph Larmor (1897, 1900), Hendrik Lorentz (1895, 1899, 1904) i Henri Poincaré (1905), en un desenroll de l'artícul de Lorentz de 1904. La presentació d'Einstein diferia de les explicacions donades per FitzGerald, Larmor i Lorentz, pero era similar en molts aspectes a la formulació de Poincaré (1905).
La seua explicació sorgix de dos axioma. El primer és l'idea de Galileo de que les lleis de la naturalea deurien ser les mateixes per a tots els observadors que es mouen en velocitat constant entre sí. Einstein escriu,
El segon axioma és la regla de que la velocitat de la llum és la mateixa per a tots els observadors.
La teoria, ara cridada teoria especial de la relativitat, la distinguix del seu posterior teoria general de la relativitat, que considera que tots els observadors són equivalents. La relativitat especial va guanyar una acceptació generalisada en notable rapidea, lo que confirma el comentari d'Einstein de que havia estat "madura per a ser descoberta" en 1905. Reconeixent el paper de Max Planck en la difusió primerenca de les seues idees, Einstein va escriure en 1913: "L'atenció que esta teoria va rebre tan ràpidament dels seus colegues segurament es deu en gran part a la resolució i calidea en la que ell [Planck] va intervindre per a esta teoria". Ademés, la formulació matemàtica millorada de la teoria per Hermann Minkowski en 1907 va influir en l'acceptació de la teoria. Ademés, i lo que és més important, la teoria estava respalada per un cos cada volta major d'evidència experimental confirmatoria.
Equivalència massa-energia
[editar | editar còdic]El 21 de novembre, Annalen der Physik va publicar un quart artícul (rebut el 27 de setembre) "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?" ("¿Depén l'inèrcia d'un cos del seu contingut d'energia?")[einstein 4], en el que Einstein va deduir la que possiblement siga la més famosa de totes les equacions: I = mc2 .[12]
Einstein va considerar que l'equació d'equivalència era de suma importància perque mostrava que una partícula massiva posseïx una energia, la "energia en repòs", distinta de les seues energies cinètica i potencial clàssiques. L'artícul es basa en les investigacions de James Clerk Maxwell i Heinrich Rudolf Hertz i, ademés, en els axioma de la relativitat, com afirma Einstein,
L'equació establix que l'energia d'un cos en repòs (I) és igual a la seua massa (m) per la velocitat de la llum (c) al quadrat, o I = mc2 .
La relació massa-energia es pot utilisar per a predir quànta energia serà lliberada o consumida per les reaccions nuclears ; un simplement medix la massa de tots els constituents i la massa de tots els productes i multiplica la diferència entre els dos per c2 . El resultat mostra quànta energia es lliberarà o consumirà, generalment en forma de llum o calor. Quan s'aplica a certes reaccions nuclears, l'equació mostra que es lliberarà una cantitat extraordinàriament gran d'energia, millons de voltes més que en la combustió d'explosius químics, a on la cantitat de massa convertida en energia és insignificant. Açò explica per qué les armes nuclears i els reactors nuclears produïxen cantitats tan fenomenals d'energia, ya que lliberen energia d'unió durant la fissió nuclear i la fusió nuclear, i convertixen una part de la massa subatòmica en energia.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Nobel Foundation. «The Nobel Prize in Physics 1921». Consultat el 2020-11-07.
- ↑ «Einstein's Wife : The Mileva Question». Oregon Public Broadcasting. Archivat des d'el original, el 2013-08-04. Consultat el 2016-08-02.
- ↑ «Stachel, John, Einstein's Miraculous Year (1905), pp. liv-lxiii». Archivat des d'el original, el 2009-11-11. Consultat el 2011-10-12.
- ↑ Calaprice, Alice, "The Einstein almanac". Johns Hopkins University Press, Baltimore, Maryland 2005.
- ↑ The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Séries 6, volume 2, page 1 (1901)
- ↑ «The Nobel Prize in Physics 1921» (en en-us). NobelPrize.org. Consultat el 2019-08-09.
- ↑ (1938).Journal of the Optical Society of America.28(7)
- 215–226.doi:10.1364/JOSA.28.000215.
- ↑ (1941).Journal of the Optical Society of America.31(5)
- 359–374.doi:10.1364/josa.31.000369.
- ↑ Physical Review.59(3)
- 223–228.doi:10.1103/PhysRev.59.223.
- ↑ Physical systems ca display both wave-like and particle-like properties
- ↑ Nye, M. (1972). Molecular Reality: A Perspective on the Scientific Work of Jean Perrin, London: MacDonald. ISBN 0-356-03823-8.
- ↑ Bodanis, David (2009). I=mc2: A Biography of the World's Most Famous Equation, illustrated edició, Bloomsbury Publishing. ISBN 978-0-8027-1821-1.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Artículos del Annus mirabilis de Einstein» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.
Erro en la cita: Existixen etiquetes <ref> per a un grup nomenat "einstein", pero no es trobà una etiqueta <references group="einstein"/>