Войти
Эйнштейн в 1904 или 1905 годах, примерно в то время он написал документы Annus Mirabilis документы Annus mirabilis (от латынь annus mīrābilis, «год чуда») - документы Альберта Эйнштейн опубликовал в Annalen der Physik научном журнале в 1905 году. Эти четыре статьи внесли существенный вклад в создание современной физики и изменили взгляды на пространство, время, масса и энергия. Annus mirabilis часто называют «годом чудес» на английском языке или Wunderjahr на немецком языке.
Первая статья разъясняла теорию фотоэлектрического эффекта ; вторая статья объясняет броуновское движение ; в третьей статье представлена специальная теория относительности ; и четвертый, эквивалент массы-энергии. Вместе эти работы существенно продвинули область современной физики.
Einsteinhaus на Kramgasse в Берне, Резиденция Эйнштейна в то время. Большинство статей было написано в его квартире на первом этаже выше уровня улицы. На момент написания статей Эйнштейн не имел легкого доступа к полному набору научных справочных материалов, хотя он регулярно читал и отправлять обзоры на 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 «мог не нашел лучшей декы для его идей во всей Европе ». Кроме того, сотрудники и другие члены самопровозглашенной «Олимпийской академии» (Морис Соловин и) и его жена Милева Марич оказали определенное влияние на работы Эйнштейна. но насколько неясно.
В этих статьях Эйнштейн занялся некоторыми из самых важных физических вопросов и проблем той эпохи. В 1900 году лорд Кельвин в лекции под названием «Облака девятнадцатого века над динамической теорией тепла и света» предположил, что у физики нет удовлетворительного объяснения результатов эксперимента Майкельсона-Морли. и для 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. Нобелевский комитет терпеливо ждал экспериментального подтверждения специальной теории относительности; тем не менее, ничего не было сделано до экспериментов по замедлению времени Айвза и Стилвелла (1938 и 1941) и Росси и Холла (1941).
В статье «Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света », полученной 18 марта и опубликованной 9 июня, была предложена идея энергии. кванты. Эта идея, мотивированная более ранним выводом Максом Планком закона излучения черного тела, предполагает, что световая энергия может поглощаться или излучаться только дискретными количества, называемые 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., движущиеся без разделения и способные поглощаться или генерироваться только как объекты.
При объяснении фотоэлектрического эффекта гипотеза о том, что энергия состоит из дискретных пакетов, как показывает Эйнштейн, может быть непосредственно применяется и к черным телам.
Идея световых квантов противоречит волновой теории света, которая естественным образом следует из уравнений для электромагнитного поведения Джеймса Клерка Максвелла и, в более общем смысле, предположение о бесконечной делимости энергии в физических системах.
Существует глубокое формальное различие между теоретическими представлениями физиков 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 не может считаться достаточным для полного определения электромагнитного состояния пространства.
[... это] приводит к противоречиям применительно 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. Самая простая концепция состоит 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 достаточно энергии для освобождения электрона.
Даже после того, как эксперименты подтвердили, что уравнения Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта были точными, 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 согласились, что уравнение (
Статья «Über die von der molkularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen » («О движении мелких частиц, взвешенных в «Стационарная жидкость, как того требует молекулярно-кинетическая теория тепла»), полученная 11 мая и опубликованная 18 июля, описала стохастическую модель броуновского движения.
. В этой статье это 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 в 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 среднеквадратичного смещения частиц. Использование кинетическая теория газов, который в то время был спорным, статьей установила, что явление, которое не было удовлетворительное объяснение даже десятилетия после того, как он впервые был обнаружен, при условии эмпирических доказательств реальности атом. Он также придал правдоподобность статистической механики, которые были спорными в то время, как хорошо. 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 подсчитывать атомы, глядя в обычный микроскоп. Вильгельм Оствальд, один из лидеров антиатомной школы, позже сказал Арнольду Зоммерфельду, что его убедил в существовании атомов Жан Перрен ' последующие эксперименты с броуновским движением.
Статья Эйнштейна в немецком оригинале «Zur Elektrodynamik bewegter Körper», Annalen der Physik, 26 сентября 1905 г. "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" ("Об электродинамике движущихся тел"), 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 механики путем внесения в нее серьезных изменений, близких к скорости света. Позже это стало известно как специальная теория относительности Эйнштейна.
. В документе упоминаются имена только пяти других ученых: Исаак Ньютон, Джеймс Клерк Максвелл, Генрих Герц, Кристиан Доплер и Хендрик Лоренц. Ссылки на другие публикации отсутствуют. Многие идеи уже были опубликованы другими, как подробно описано в истории специальной теории относительности и споре о приоритете относительности. Однако в статье Эйнштейна вводится теория времени, расстояния, массы и энергии, которая согласовывалась с электромагнетизмом, но опускала силу гравитации.
. В то время было известно, что уравнения Максвелла применительно к движущимся телам привело к асимметриям (проблема с движущимся магнитом и проводником ) и к тому, что было невозможно обнаружить какое-либо движение Земли относительно «легкой среды» (то есть эфира). 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 механики. Во втором постулате Эйнштейн предлагает, чтобы скорость света имела одинаковое значение во всех системах отсчета, независимо от состояния движения излучающего тела.
Специальная теория относительности, таким образом, согласуется с результатом эксперимента Майкельсона – Морли, который не обнаружил среду проводимости (или эфир ) для световых волн, в отличие от других известных волн, для которых требуется среда (например, вода или воздух). Эйнштейн, возможно, не знал об этом эксперименте, но приводит
примеры такого рода вместе с безуспешными попытками обнаружить какое-либо движение Земли относительно «легкой среды ", предполагают, что явления электродинамики, а также механики не обладают свойствами, соответствующими идее абсолютного покоя.
Скорость света фиксирована, и поэтому не относительно движения наблюдателя. Это было невозможно в рамках ньютоновской классической механики. Эйнштейн утверждает,
одни и те же законы электродинамики и оптики будут справедливы для всех систем отсчета, для которых действуют уравнения механики. Мы возведем эту гипотезу (цель которой в дальнейшем будет называться «Принцип относительности») до статуса постулата, а также введем другой постулат, который только на первый взгляд несовместимо с первым, а именно, что свет всегда распространяется в пустом пространстве с определенной скоростью c, которая не зависит от состояния движения излучающего тела. Этих двух постулатов достаточно для достижения простой и последовательной теории электродинамики движущихся тел, основанной на теории Максвелла для неподвижных тел. Введение «светоносного эфира » окажется излишним, поскольку для развиваемого здесь представления не потребуется «абсолютно неподвижное пространство», наделенное особыми свойствами, и не будет назначен вектор скорости для точка пустого пространства, в котором происходят электромагнитные процессы. Теория […] основана - как и вся электродинамика - на кинематике твердого тела, поскольку утверждения любой такой теории имеют отношение к отношениям между твердыми телами (системы координат ), часы и электромагнитные процессы. Недостаточное рассмотрение этого обстоятельства лежит в основе трудностей, с которыми в настоящее время сталкивается электродинамика движущихся тел.
Это было ранее предложено Джорджем Фицджеральдом в 1889 году и Лоренцем в 1892 году, независимо от друг друга, что результат Майкельсона – Морли мог быть объяснен, если бы движущиеся тела были сжаты 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 однородном поступательном движении.
Во-вторых, правило скорости света одинаково для всех наблюдателей.
Любой луч света движется в "стационарной" системе координат с определенной скоростью c, независимо от того, испускается ли луч неподвижным или движущимся телом.
Теория, теперь называемая Специальная теория 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 ». Вдобавок улучшенная математическая формулировка теории, сделанная Германом Минковским в 1907 году, оказала влияние на признание теории. Кроме того, что наиболее важно, теория подкреплялась постоянно растущим количеством подтверждающих экспериментальных данных.
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?»), В котором Эйнштейн вывел, пожалуй, самое известное из всех уравнений: E = mc.
Эйнштейн считал уравнение эквивалентности первостепенным важность, потому что он показал, что массивная частица обладает энергией, «энергией покоя», отличной от ее классической кинетической и потенциальной энергии. Статья основана на исследованиях Джеймса Клерка Максвелла и Генриха Рудольфа Герца и, кроме того, аксиомах относительности, как утверждает Эйнштейн,
Результаты предыдущего расследования 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 какой 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 скорость света (c) в квадрате, или E = mc.
Если тело испускает энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на L / c. 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 энергосодержания; если энергия изменяется на L, масса изменяется в том же смысле на L / (9 × 10), энергия измеряется в эрг, а масса - в граммах.
[...]
Если теория соответствует фактам, излучение передает инерцию между излучающими и поглощающими телами.
соотношение массы и энергии может использоваться 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. 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 масса сохраняется. Это объясняет, почему ядерное оружие и ядерные реакторы производят такое феноменальное количество энергии, поскольку они выделяют энергию связи во время ядерного деления и ядерный синтез, и преобразовать часть субатомной массы в энергию.
Международный союз чистой и прикладной физики (IUPAP ) решил отметить 100-летие публикации обширной работы Эйнштейна в 1905 году как «Всемирный год физики 2005 '. Впоследствии это было подтверждено United Nations.
