Kako se je Albert Einstein boril za evropski mir in teoretična fizika

2024 Avtor: Malcolm Clapton | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 04:10

O tem, kako je bila znanost tesno prepletena s politiko.

Na samem začetku dvajsetega stoletja so bila v fiziki narejena ogromna odkritja, od katerih je nekaj pripadalo Albertu Einsteinu, ustvarjalcu splošne teorije relativnosti.

Znanstveniki so bili na pragu popolnoma novega pogleda na vesolje, ki je od njih zahteval intelektualni pogum, pripravljenost, da se poglobijo v teorijo in veščine ravnanja s kompleksnim matematičnim aparatom. Izziva niso sprejeli vsi in, kot se včasih zgodi, so se znanstveni spori prekrivali s političnimi razlikami, ki jih je najprej povzročila prva svetovna vojna, nato pa Hitlerjev prihod na oblast v Nemčiji. Einstein je bil tudi ključna figura, okoli katere so se lomila kopja.

Einstein proti vsem

Izbruh prve svetovne vojne je spremljal domoljubni vzpon med prebivalstvom sodelujočih držav, vključno z znanstveniki.

V Nemčiji je leta 1914 93 znanstvenikov in kulturnikov, vključno z Maxom Planckom, Fritzom Haberjem in Wilhelmom Roentgenom, objavilo manifest, v katerem so izrazili svojo polno podporo državi in vojni, ki jo vodi: »Mi, predstavniki nemške znanosti in umetnosti, protestiramo pred ves kulturni svet zoper laži in klevetanje, s katerimi poskušajo naši sovražniki onesnažiti pravično stvar Nemčije v ji vsiljenem težkem boju za obstoj. Brez nemškega militarizma bi bila nemška kultura uničena že zdavnaj na samem začetku. Nemški militarizem je produkt nemške kulture in se je rodil v državi, ki je bila, kot nobena druga država na svetu, že stoletja izpostavljena plenilskim napadom.

Kljub temu je bil nemški znanstvenik, ki je ostro nasprotoval takšnim idejam. Albert Einstein je leta 1915 objavil odzivni manifest »Evropejcem«: »Nikoli prej vojna ni tako motila interakcije kultur. Dolžnost Evropejcev, izobraženih in dobre volje, je, da Evropa ne podleže. Vendar so to pritožbo, poleg samega Einsteina, podpisali le trije ljudje.

Einstein je postal nemški znanstvenik pred kratkim, čeprav se je rodil v Nemčiji. Šolo in univerzo je končal v Švici, nato pa so ga skoraj deset let različne univerze v Evropi zavračale zaposliti. To je bilo deloma posledica načina, na katerega je Einstein pristopil k prošnji za obravnavo njegove kandidature.

Tako je v pismu Paulu Drudeju, ustvarjalcu elektronske teorije kovin, najprej opozoril na dve napaki v njegovi teoriji in šele nato prosil za najem.

Zaradi tega se je moral Einstein zaposliti na švicarskem patentnem uradu v Bernu in šele konec leta 1909 je lahko dobil položaj na univerzi v Zürichu. In že leta 1913 je sam Max Planck skupaj z bodočim Nobelovim nagrajencem za kemijo Walterjem Nernstom osebno prišel v Zürich, da bi Einsteina prepričal, naj sprejme nemško državljanstvo, se preseli v Berlin in postane član Pruske akademije znanosti in direktor Inštituta. fizike.

Einsteinu je bilo njegovo delo na patentnem uradu presenetljivo produktivno z znanstvenega vidika. "Ko je nekdo šel mimo, sem dal svoje zapiske v predal in se pretvarjal, da opravljam patentno delo," se je spominjal. Leto 1905 se je v zgodovino znanosti zapisalo kot annus mirabilis, »leto čudežev«.

Letos je revija Annalen der Physik objavila štiri Einsteinove članke, v katerih je lahko teoretično opisal Brownovo gibanje, razložil z uporabo Planckove ideje o svetlobnih kvantih, fotoefektu ali učinku elektronov, ki uhajajo iz kovine, ko obseva se s svetlobo (v takem poskusu je JJ Thomson odkril elektron) in odločilno prispeva k nastanku posebne teorije relativnosti.

Neverjetno naključje: teorija relativnosti se je pojavila skoraj sočasno s teorijo kvantov in prav tako nepričakovano in nepreklicno spremenila temelje fizike.

V 19. stoletju je bila valovna narava svetlobe trdno uveljavljena in znanstvenike je zanimalo, kako je urejena snov, v kateri se ti valovi širijo.

Kljub temu, da etra (tako je ime te snovi) še nihče ni neposredno opazoval, se dvomi, da obstaja in prežema celotno vesolje, niso pojavili: jasno je bilo, da bi se val moral širiti v nekakšnem elastičnem mediju, po analogiji s krogi iz kamna, vrženega na vodo: vodna površina na mestu padca kamna začne nihati, in ker je elastična, se nihanja prenašajo na sosednje točke, z njih na sosednje in tako na. Po odkritju atomov in elektronov tudi obstoj fizičnih objektov, ki jih z obstoječimi instrumenti ni mogoče videti, ni nikogar presenetil.

Eno od preprostih vprašanj, na katerega klasična fizika ni mogla najti odgovora, je bilo to: ali eter odnašajo telesa, ki se v njem gibljejo? Do konca 19. stoletja so nekateri poskusi prepričljivo pokazali, da so eter popolnoma odnesla premikajoča se telesa, drugi pa nič manj prepričljivo, da so ga odnesli le delno.

Krogi na vodi so en primer vala v elastičnem mediju. Če premikajoče se telo ne prenaša etra, bo hitrost svetlobe glede na telo vsota hitrosti svetlobe glede na eter in hitrosti samega telesa. Če popolnoma zajame eter (kot se zgodi pri gibanju v viskozni tekočini), bo hitrost svetlobe glede na telo enaka hitrosti svetlobe glede na eter in nikakor ne bo odvisna od hitrosti samo telo.

Francoski fizik Louis Fizeau je leta 1851 pokazal, da eter delno odnese premikajoči se vodni tok. Američana Albert Michelson in Edward Morley sta v seriji poskusov v letih 1880-1887 na eni strani z večjo natančnostjo potrdila Fizeaujev zaključek, po drugi pa ugotovila, da se Zemlja, ki se vrti okoli Sonca, popolnoma zajame. eter z njim, to je hitrost svetlobe na Zemlji, je neodvisna od tega, kako se premika.

Da bi ugotovili, kako se Zemlja premika glede na eter, sta Michelson in Morley izdelala poseben instrument, interferometer (glej spodnji diagram). Svetloba iz vira pade na polprozorno ploščo, od koder se delno odbije v ogledalu 1 in delno preide na ogledalo 2 (zrcala so na enaki razdalji od plošče). Žarki, ki se odbijejo od ogledal, nato spet padejo na polprozorno ploščo in iz nje skupaj prispejo do detektorja, na katerem nastane interferenčni vzorec.

Če se Zemlja premika glede na eter, na primer v smeri zrcala 2, potem hitrost svetlobe v vodoravni in navpični smeri ne bo sovpadala, kar bi moralo privesti do faznega premika valov, ki se odbijajo od različnih ogledal na detektor (na primer, kot je prikazano na diagramu, spodaj desno). V resnici premik ni bil opažen (glej spodaj levo).

Einstein proti Newtonu

Lorentz in francoski matematik Henri Poincaré sta morala v svojih poskusih razumeti gibanje etra in širjenje svetlobe v njem domnevati, da se dimenzije gibljivih teles spreminjajo v primerjavi z dimenzijami mirujočih in poleg tega čas za premikajočih se teles teče počasneje. Težko si je predstavljati – in Lorentz je te predpostavke obravnaval bolj kot matematični trik kot fizični učinek –, vendar so omogočile uskladitev mehanike, elektromagnetne teorije svetlobe in eksperimentalnih podatkov.

Einstein je v dveh člankih iz leta 1905 lahko na podlagi teh intuitivnih premislekov ustvaril koherentno teorijo, v kateri so vsi ti neverjetni učinki posledica dveh postulatov:

• svetlobna hitrost je konstantna in ni odvisna od tega, kako se premikata vir in sprejemnik (in je enaka približno 300.000 kilometrom na sekundo);
• za vsak fizični sistem delujejo fizikalni zakoni na enak način, ne glede na to, ali se giblje brez pospeška (s katero koli hitrostjo) ali miruje.

In izpeljal je najbolj znano fizično formulo - E = mc²! Poleg tega je zaradi prvega postulata gibanje etra prenehalo biti pomembno in Einstein ga je preprosto opustil - svetloba se lahko širi v praznino.

Zlasti učinek časovne dilatacije vodi do znamenitega "paradoksa dvojčkov". Če eden od dveh dvojčkov, Ivan, odide na vesoljsko ladjo proti zvezdam, drugi, Peter, pa ga ostane čakati na Zemlji, se bo po vrnitvi izkazalo, da je Ivan že od nekdaj star manj kot Peter. njegova hitro premikajoča se vesoljska ladja je tekla počasneje kot na Zemlji.

Ta učinek, pa tudi druge razlike med teorijo relativnosti in navadno mehaniko, se kaže le pri izjemni hitrosti gibanja, primerljivi s svetlobno hitrostjo, zato ga v vsakdanjem življenju nikoli ne srečamo. Za običajne hitrosti, s katerimi se srečujemo na Zemlji, se ulomek v / c (spomnimo, c = 300.000 kilometrov na sekundo) zelo malo razlikuje od nič, in vrnemo se v znani in prijeten svet šolske mehanike.

Kljub temu je treba za natančno delovanje sistema za določanje položaja upoštevati učinke teorije relativnosti, na primer pri sinhronizaciji ur na satelitih GPS z zemeljskimi. Poleg tega se učinek dilatacije časa kaže pri preučevanju osnovnih delcev. Mnogi od njih so nestabilni in se v zelo kratkem času spremenijo v druge. Vendar se običajno hitro premikajo in zaradi tega se čas pred njihovo preobrazbo z vidika opazovalca raztegne, kar omogoča, da jih registriramo in preučimo.

Posebna teorija relativnosti je nastala iz potrebe po uskladitvi elektromagnetne teorije svetlobe z mehaniko hitro (in s konstantno hitrostjo) premikajočih se teles. Po selitvi v Nemčijo je Einstein dokončal svojo splošno teorijo relativnosti (GTR), kjer je elektromagnetnim in mehanskim pojavom dodal gravitacijo. Izkazalo se je, da lahko gravitacijsko polje opišemo kot deformacijo z masivnim telesom prostora in časa.

Ena od posledic splošne relativnosti je ukrivljenost trajektorije žarka, ko svetloba prehaja blizu velike mase. Prvi poskus eksperimentalne potrditve splošne teorije relativnosti naj bi se zgodil poleti 1914 ob opazovanju sončnega mrka na Krimu. Vendar je bila skupina nemških astronomov internirana v zvezi z izbruhom vojne. To je v nekem smislu rešilo ugled splošne teorije relativnosti, saj je v tistem trenutku teorija vsebovala napake in je dala napačno napoved kota upogiba žarka.

Leta 1919 je angleški fizik Arthur Eddington, ko je opazoval sončni mrk na otoku Principe ob zahodni obali Afrike, lahko potrdil, da je svetloba zvezde (postala je vidna zaradi dejstva, da je Sonce ni zasenčilo), ki gre mimo Sonca, odstopa točno pod enakim kotom, kot so predvidene Einsteinove enačbe.

Eddingtonovo odkritje je Einsteina naredilo superzvezdnika.

7. novembra 1919, sredi pariške mirovne konference, ko se je zdelo, da je vsa pozornost usmerjena v to, kako bo svet obstajal po prvi svetovni vojni, je londonski časopis The Times objavil uvodnik: »Revolucija v znanosti: A. Nova teorija vesolja, Newtonove ideje so poražene."

Novinarji so povsod preganjali Einsteina, ga nagajali s prošnjami, naj na kratko razloži teorijo relativnosti, dvorane, kjer je imel javna predavanja, pa so bile prepolne (hkrati, sodeč po ocenah sodobnikov, Einstein ni bil prav dober predavatelj; občinstvo ni razumelo bistva predavanja, a je vseeno prišlo pogledat slavnega).

Leta 1921 se je Einstein skupaj z angleškim biokemikom in bodočim predsednikom Izraela Chaimom Weizmannom odpravil na predavanje po ZDA, da bi zbral sredstva za podporo judovskim naselbinam v Palestini. Po poročanju The New York Timesa je "v Metropolitan operi zaseden vsak sedež, od orkestrske jame do zadnje vrste galerije, na hodnikih je stalo na stotine ljudi."Dopisnik časopisa je poudaril: "Einstein je govoril nemško, a je želel videti in slišati človeka, ki je znanstveni koncept vesolja dopolnil z novo teorijo prostora, časa in gibanja, zasedel vse sedeže v dvorani."

Kljub uspehu v širši javnosti je bila teorija relativnosti v znanstveni skupnosti zelo težko sprejeta.

Od leta 1910 do 1921 so napredno misleči kolegi desetkrat nominirali Einsteina za Nobelovo nagrado za fiziko, a je konservativni Nobelov odbor vsakič zavrnil, navajajoč dejstvo, da teorija relativnosti še ni dobila zadostne eksperimentalne potrditve.

Po Eddingtonovi ekspediciji se je to začelo čutiti vse bolj škandalozno in leta 1921, še vedno neprepričani, so člani odbora sprejeli elegantno odločitev - podeliti Einsteinovo nagrado, ne da bi sploh omenjali relativnostno teorijo, in sicer: »Za zasluge teoretični fiziki in predvsem za njegovo odkritje zakona fotoelektričnega učinka.

Arijska fizika proti Einsteinu

Einsteinova priljubljenost na Zahodu je izzvala boleč odziv kolegov v Nemčiji, ki so se po militantnem manifestu iz leta 1914 in porazu v prvi svetovni vojni znašli praktično izolirani. Leta 1921 je bil Einstein edini nemški znanstvenik, ki je prejel povabilo na Svetovni Solvayev fizikalni kongres v Bruslju (ki pa ga je prezrl, da bi odšel v ZDA z Weizmannom).

Hkrati je Einstein kljub ideološkim razlikam uspel ohraniti prijateljske odnose z večino svojih domoljubnih kolegov. Toda med skrajno desnim krilom študentov in akademikov si je Einstein pridobil sloves izdajalca, ki zavaja nemško znanost.

Eden od predstavnikov tega krila je bil Philip Leonard. Kljub temu, da je Lenard leta 1905 prejel Nobelovo nagrado za fiziko za eksperimentalno preučevanje elektronov, ki jih povzroča fotoelektrični učinek, je ves čas trpel zaradi dejstva, da njegov prispevek k znanosti ni bil dovolj priznan.

Najprej je leta 1893 Roentgenu posodil odvodno cev lastne izdelave, leta 1895 pa je Roentgen odkril, da odvodne cevi oddajajo žarke, ki so znanosti še neznani. Lenard je menil, da je treba odkritje vsaj šteti za skupno, vendar je vsa slava odkritja in Nobelove nagrade za fiziko leta 1901 pripadla Roentgenu samemu. Lenard je bil ogorčen in izjavil, da je mati žarkov, medtem ko je bila Roentgen le babica. Hkrati pa očitno Roentgen ni uporabil Lenardove cevi v odločilnih poskusih.

Razelektritvena cev, s katero je Lenard preučeval elektrone v fotoelektričnem učinku, Roentgen pa je odkril svoje sevanje

Razelektritvena cev, s katero je Lenard preučeval elektrone v fotoelektričnem učinku, Roentgen pa je odkril svoje sevanje

Drugič, Lenarda je britanska fizika močno užalila. Spodbijal je prednost Thomsonovega odkritja elektrona in obtožil angleškega znanstvenika, da se je napačno skliceval na njegovo delo. Lenard je ustvaril model atoma, ki ga lahko štejemo za predhodnika Rutherfordovega modela, vendar to ni bilo pravilno zabeleženo. Ni presenetljivo, da je Lenard Britance imenoval za narod plačancev in prevarantskih trgovcev, Nemce pa za narod herojev, po izbruhu prve svetovne vojne pa je predlagal ureditev intelektualne celinske blokade Velike Britanije..

Tretjič, Einstein je lahko teoretično razložil fotoelektrični učinek, Lenard pa ga je leta 1913, še pred nesoglasji, povezanimi z vojno, celo priporočil za profesorsko mesto. Toda Nobelovo nagrado za odkritje zakona fotoelektričnega učinka leta 1921 je prejel samo Einstein.

Zgodnja dvajseta leta prejšnjega stoletja so bila za Lenarda na splošno težak čas. Spopadal se je z navdušenimi levičarskimi študenti in bil javno ponižan, ko po atentatu na liberalnega politika judovskega porekla in nemškega zunanjega ministra Walterja Rathenaua ni hotel spustiti zastave na stavbo svojega inštituta v Heidelbergu.

Njegove prihranke, vložene v državni dolg, je pogorela inflacija, leta 1922 pa je zaradi posledic podhranjenosti med vojno umrl njegov edini sin. Lenard je začel misliti, da so problemi Nemčije (tudi v nemški znanosti) posledica judovske zarote.

Lenardov tesni sodelavec je bil takrat Johannes Stark, dobitnik Nobelove nagrade za fiziko iz leta 1919, ki je prav tako nagnjen k temu, da je za lastne neuspehe krivil mahinacije Judov. Po vojni je Stark v nasprotju z liberalnim fizičnim društvom organiziral konservativno »nemško strokovno skupnost univerzitetnih učiteljev«, s pomočjo katere je skušal nadzorovati financiranje raziskav in imenovanja na znanstvena in pedagoška mesta, a mu ni uspelo.. Po neuspešnem zagovoru podiplomskega študenta leta 1922 je Stark izjavil, da je obkrožen z Einsteinovimi občudovalci, in odstopil kot profesor na univerzi.

Leta 1924, šest mesecev po pivskem puču, je Grossdeutsche Zeitung objavil članek Lenarda in Starka »Hitlerjev duh in znanost«. Avtorji so Hitlerja primerjali s takšnimi velikani znanosti, kot so Galileo, Kepler, Newton in Faraday ("Kakšen blagoslov, da ta genij v mesu živi med nami!"), pohvalili pa so tudi arijskega genija in obsodili pokvarljivo judovstvo.

Po Lenardu in Starku se je v znanosti pogubni judovski vpliv pokazal v novih smereh teoretične fizike - kvantni mehaniki in teoriji relativnosti, ki sta zahtevali zavrnitev starih konceptov in uporabljali zapleten in neznan matematični aparat.

Za starejše znanstvenike, tudi tako nadarjene, kot je Lenard, je bil to izziv, ki ga je le malo ko znalo sprejeti.

Lenard je nasprotoval "judovski", torej teoretični, fiziki "arijevski", torej eksperimentalni, in zahteval, da se nemška znanost osredotoči na slednjo. V predgovoru k učbeniku »Nemška fizika« je zapisal: »Nemška fizika? - bodo vprašali ljudje. Lahko bi rekel tudi arijevska fizika ali fizika nordijskih ljudi, fizika iskalcev resnice, fizika tistih, ki so ustanovili znanstvene raziskave."

Dolgo časa je ostala "arijska fizika" Lenarda in Starka obroben pojav, fiziki različnih izvorov pa so se v Nemčiji ukvarjali s teoretičnimi in eksperimentalnimi raziskavami najvišje ravni.

Vse se je spremenilo, ko je Adolf Hitler leta 1933 postal nemški kancler. Einstein, ki je bil takrat v ZDA, se je odrekel nemškemu državljanstvu in članstvu v Akademiji znanosti, predsednik akademije Max Planck pa je to odločitev pozdravil: "Kljub globokemu prepadu, ki ločuje naše politične poglede, bodo naša osebna prijateljstva vedno ostala nespremenjena," je zagotovil, da gre za Einsteinovo osebno korespondenco. Ob tem je nekatere člane akademije jezilo, da Einsteina niso demonstrativno izključili iz nje.

Johannes Stark je kmalu postal predsednik Inštituta za fiziko in tehnologijo ter Nemškega raziskovalnega društva. V naslednjem letu je iz Nemčije zapustila četrtina vseh fizikov in polovica teoretičnih fizikov.