Rok 1905

1
Rok 1905 narodziny wspólczesnej fizyki

• wyklad popularnonaukowy
• pazdziernik 2005
• dr Mariusz Niemiec
• Instytut Fizyki
• Uniwersytet Opolski

2
Albert Einstein bohater wykladu

187914 marca o godzinie 1130 Albert Einstein
przychodzi na swiat w niemieckim miescie Ulm, w
domu rodziców Hermanna Einsteina (1847-1902) i
Pauliny Einstein z domu Koch (1858-1920).1880Ro
dzina Einsteinów przenosi sie do
Monachium.188118 listopada narodziny siostry
Alberta, Mai. Przez cale zycie pozostala bliska
mu osoba.1884Piecioletni Albert dostaje od
ojca kompas, który wywiera na nim ogromne
wrazenie. Wydaje mu sie, ze igla wewnatrz kompasu
calkowicie zamknieta, izolowana i niedostepna
pozostaje we wladzy jakiejs niewidzialnej sily,
która kaze wskazywac jej pólnoc. Zdaje sobie
sprawe z tego, ze istnieje "cos poza
przedmiotami, cos gleboko ukrytego". Odtad
pragnie dowiedziec sie, co to jest za tajemnicza
sila.1885W wieku 6 lat zaczyna uczeszczac do
katolickiej szkoly elementarnej w Monachium.
Rozpoczyna tez nauke gry na skrzypcach -
poczatkowo niechetnie, z biegiem lat gra staje
sie jego pasja.
3

1888Wstepuje do gimnazjum Luitpolda w Monachium.
W domu Einsteinów czesto bywa Max Talmud,
student medycyny, który Albertowi daje do
czytania wiele ksiazek popularnonaukowych,
wzbudzajac w nim zainteresowanie fizyka,
matematyka i filozofia.1894Rodzina Einsteinów
przeprowadza sie do Mediolanu, pózniej Pavii i
znowu do Mediolanu, pozostawiajac Alberta w
Monachium, aby mógl ukonczyc gimnazjum. Pod
koniec roku Albert jednak porzuca szkole i
dolacza do rodziców i siostry.
4
1895Jesienia próbuje wstapic na Politechnike
Zwiazkowa w Zurychu (ETH - Eidgenössisch
Technische Hochschule), lecz nie zdaje egzaminu
wstepnego. Zapisuje sie wiec do Szkoly
Kantonalnej w Aarau i zamieszkuje w domu jednego
z nauczycieli Josta Wintelera. 1896Zrzeka sie
obywatelstwa niemieckiego. Jesienia konczy szkole
w Aarau, co upowaznia go do rozpoczecia studiów
na Politechnice Zwiazkowej. Pod koniec
pazdziernika przeprowadza sie do
Zurychu1897Zaprzyjaznia sie z Mileva Maric i
Marcelem Grossmanem, z którymi spedza wiekszosc
wolnego czasu.1900Konczy studia na
Politechnice i ku niezadowoleniu rodziców
oswiadcza, ze zamierza poslubic swoja kolezanke z
roku - Mileve, ale rodzice nie wyrazaja zgody.
Pod koniec roku przesyla do Annalen der Physik
swoja pierwsza prace naukowa.
5
1901 Przez caly czas pozostaje w kontakcie z
Mileva. 21 lutego otrzymuje obywatelstwo
szwajcarskie. 13 marca zostaje uznany za
niezdolnego do sluzby wojskowej z powodu
plaskostopia i zylaków. W maju publikuje rozprawe
naukowa "Zjawisko wloskowatosci i wynikajace zen
wnioski. Jesienia podejmuje prace jako
korepetytor na pensji w Schaffausen. Przygotowuje
rozprawe doktorska o oddzialywaniach
czasteczkowych w gazach, która w listopadzie
sklada na Uniwersytecie w Zurychu. Mileva wraz z
rodzicami wyjezdza na Wegry.
1902Narodziny Lieserl, nieslubnej córki Alberta
i Milevy, (przypuszczalnie w styczniu). Einstein
wycofuje swoja rozprawe doktorska z Uniwersytetu
w Zurychu. Otrzymuje prace w Urzedzie Patentowym
w Bernie, dokad sie przeprowadza. 10
pazdziernika umiera ojciec Alberta
19036 stycznia bierze slub z Mileva Maric w
Bernie, gdzie oboje zamieszkuja. Wszelkie
wzmianki o ich córce Lieserl urywaja sie po tym,
jak we wrzesniu, podczas pobytu Milevy w
Budapeszcie, dziewczynka zapada na szkarlatyne.
Einstein nigdy nie zobaczyl córki, jej dalsze
losy sa nieznane. Zmarla lub zostala oddana do
adopcji.190430 kwietnia konczy rozprawe
doktorska "O nowej metodzie wyznaczania rozmiarów
molekul".14 maja Einsteinowi rodzi sie w Bernie
syn Hans Albert (zmarl w 1973 w Berkeley,
Kalifornia).
6

• 1905
• ANNUS MIRABILIS - cudowny rok w zyciu Einsteina
  pod wzgledem publikacji naukowych. 30 kwietnia
  sklada do druku rozprawe doktorska. Publikuje
  cztery ze swoich najwazniejszych artykulów
  naukowych
• "O pewnym heurystycznym punkcie widzenia na
  wytwarzanie i przemiany swiatla",
• Annalen der Physik 17 (1905), 132 148,
• w którym zajmuje sie hipoteza kwantów.
• - "O ruchu drobnych czastek zawieszonych w
  spoczywajacej cieczy bedacym konsekwencja
  molekularno-kinetycznej teorii ciepla",
• Annalen der Physik 17 (1905), 549 560,
• pierwsza z jego prac o ruchach Browna.
• - "O elektrodynamice cial w ruchu",
• Annalen der Physik 17 (1905), 891 921,
• pierwsza praca dotyczaca teorii wzglednosci.
• Druga, krótsza praca
• Czy bezwladnosc ciala zalezy od zawartej w nim
  energii?",
• Annalen der Physik 18 (1905), 639 641,
• poswiecona szczególnej teorii wzglednosci,
  opublikowana 21 listopada, zawiera slynne
  równanie
• mE/c2

7
1906 15 stycznia uzyskuje oficjalnie stopien
doktora Uniwersytetu w Zurychu.
8
1907"Jesli czlowiek bedzie spadal swobodnie, nie
odczuje wlasnego ciezaru" - to sformulowanie
Einstein uznal za najszczesliwsza mysl swojego
zycia, która zainspirowala go do stworzenia
teorii grawitacji. 1908Zostaje zatrudniony
jako "Privatdozent" (wykladowca) na Uniwersytecie
Bernenskim. Siostra Maja uzyskuje doktorat z
romanistyki na tym samym uniwersytecie. Einstein
wspólpracuje z J.J. Laubem - pisza razem artykuly
do Annalen der Physik. 1909Konczy dwie prace,
zawierajace dwie hipotezy z zakresu teorii
promieniowania ciala doskonale czarnego. 7 maja
zostaje mianowany profesorem nadzwyczajnym w
Katedrze Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w
Zurychu. Rezygnuje z etatów w Urzedzie Patentowym
i na Uniwersytecie Bernenskim. Uniwersytet
Genewski przyznaje mu pierwszy doktorat honoris
causa.1910Siostra Maja wychodzi za maz za
Paula Wintelera, syna bylego nauczyciela
Einsteina z Aarau.28 lipca rodzi sie drugi z
synów Einsteina, Eduard (zmarl w 1965 roku w
zakladzie psychiatrycznym, gdzie przebywal od 20
roku zycia).W pazdzierniku Einstein konczy prace
o zjawisku opalescencji, w której wyjasnia,
dlaczego niebo jest niebieskie.
9
19111 kwietnia obejmuje stanowisko dyrektora
Instytutu Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie
Karola-Ferdynanda w Pradze, rezygnujac z katedry
na Uniwersytecie w Zurychu. Przenosi sie wraz z
rodzina do Pragi. 29 pazdziernika bierze udzial w
I Kongresie Solvayowskim w Brukseli,
zorganizowanym przez francuskiego chemika Ernesta
Solvay'a (1838-1922) zalozyciela Miedzynarodowego
Instytutu Fizyki. W Kongresie uczestniczy tez
Maria Sklodowska-Curie.1912Malzenstwo z Mileva
przechodzi kryzys. Einstein odnawia znajomosc ze
swoja rozwiedziona kuzynka Elsa Löwenthal. W
pazdzierniku obejmuje stanowisko profesora fizyki
teoretycznej na ETH w Zurychu rezygnujac z posady
w Pradze.1913Wrzesien - synowie Albert i
Eduard zostaja ochrzczeni w obrzadku prawoslawnym
w poblizu serbskiej miejscowosci Novi Sad,
rodzinnego miasta swej matki. W listopadzie -
Einstein zostaje wybrany czlonkiem Pruskiej
Akademii Nauk i otrzymuje z Berlina, gdzie
mieszka Elsa Löwenthal, propozycje etatu
badawczego bez obowiazków dydaktycznych na
Uniwersytecie Berlinskim oraz stanowisko
dyrektora utworzonego wlasnie Instytutu Fizyki
im. Cesarza Wilhelma. Rezygnuje wiec z pracy w
ETH.
10
1914Kwiecien - Einstein przyjezdza do Berlina,
aby objac nowe stanowisko. Mileva z dziecmi
dolacza do niego, lecz wkrótce powraca do
Zurychu, gdyz nie odpowiada jej atmosfera
panujaca w Berlinie. Od konca czerwca jest w
separacji z mezem.1915Wraz z innymi
osobistosciami podpisuje "Manifest do
Europejczyków" broniacy zagrozonej kultury
europejskiej - jest to prawdopodobnie jego
pierwsze wystapienie polityczne. W listopadzie
konczy prace nad logiczna struktura ogólnej
teorii wzglednosci.1916Zamieszcza w Annalen
der Physik rozprawe zatytulowana "Zasady ogólnej
teorii wzglednosci" (która zostaje pózniej
opublikowana jako jego pierwsza ksiazka). W maju
zostaje przewodniczacym Niemieckiego Towarzystwa
Fizycznego. Publikuje trzy prace o teorii
kwantów.1917Luty - pisze pierwsza prace z
kosmologii. Zapada na zdrowiu, cierpi na chorobe
wrzodowa i dolegliwosci watroby, jest ogólnie
wyczerpany. Opiekuje sie nim Elsa. 1 pazdziernika
Instytut Cesarza Wilhelma, którego dyrektorem
jest Albert Einstein, rozpoczyna dzialalnosc w
zakresie fizyki teoretycznej i doswiadczalnej.
11
1919 14 lutego Einstein otrzymuje rozwód z
Mileva. Umowa rozwodowa przewiduje, ze pieniadze
z ewentualnej Nagrody Nobla przypadna Milevie i
jej synom. 29 maja sir Arthur Eddington
przeprowadza podczas zacmienia slonca
eksperymentalne pomiary zakrzywienia promieni
swietlnych, w pelni potwierdzajace teoretyczne
przewidywania Einsteina. Od tej pory rosnie slawa
Einsteina jako postaci publicznej.2 czerwca
poslubia Else, która mieszka z dwiema
niezameznymi córkami Ilse (22 lata) i Margot (20
lat). Pod koniec roku pod wplywem jednego z
przyjaciól, Kurta Blumenfelda, zaczyna
interesowac sie syjonizmem. W Niemczech szerzy
sie antysemityzm, nasilaja sie ataki na teorie
wzglednosci. Einstein nie zamierza jednak opuscic
Berlina. 1920Umiera matka Einsteina - Pauline
1921W kwietniu i maju odbywa pierwsza podróz do
Stanów Zjednoczonych. Wyglasza cztery wyklady o
teorii wzglednosci na Uniwersytecie w Princeton i
otrzymuje doktorat honoris causa tej uczelni.
192210 listopada Królewska Akademia Nauk
przyznaje Albertowi Einsteinowi Nagrode Nobla z
fizyki za rok 1921. Nagrode otrzymuje za zaslugi
w dziedzinie fizyki teoretycznej, a w
szczególnosci za odkrycie prawa rzadzacego
zjawiskiem fotoelektrycznym. Teoria wzglednosci
zostaje pominieta. W tym czasie Einstein wraz z
zona Elsa znajduje sie w drodze do Japonii.
Zaskakujaca jest reakcja Einsteina na otrzymanie
Nogrody Nobla - nawet o niej nie wspomnial w
swych dziennikach ani listach do przyjaciól.
12
STATUS FIZYKI KONCA XIX WIEKU
13
... niektóre drobne, nieistotne trudnosci

• promieniowanie ciala doskonale czarnego
• 2. eter i predkosc swiatla Michelson-Morley
• 3. nowy rodzaj promieniowania Bequerell i M.
  P. Curie

14
Hipoteza o dyskretnosci (nieciaglosci) energii -
wyjasnienie rozkladu promieniowania tzw. ciala
doskonale czarnego.
15
Radykalne zalozenia z pracy Maxa Plancka

• Oscylatory w ciele stalym nie emituja swiatla w
  sposób ciagly, lecz tylko podczas zmiany ich
  amplitudy drgan przejscie od wiekszych amplitud
  do mniejszych powoduje emisje swiatla, podczas
  gdy przejscie do wiekszych amplitud jest zwiazane
  z absorpcja swiatla przez oscylator.
• Oscylator moze emitowac energie do pola
  promieniowania lub absorbowac z niego energie
  jedynie porcjami zwanymi kwantami, majacymi
  wielkosc h?, gdzie?h jest stala, a ? jest
  czestoscia oscylatora.

16
Artykul pierwszy
O pewnym heurystycznym punkcie widzenia na
wytwarzanie i przemiany swiatla

• promieniowanie elektromagnetyczne sklada sie z
  kwantów (kwant swiatla)
• wyprowadza na tej podstawie wzór Plancka
• wyjasnia zjawisko fotoelektryczne
• Za te wlasnie prace Einstein otrzymal w 1922
  roku Nagrode Nobla (za rok 1921). Po raz pierwszy
  A. Einstein byl zgloszony do Nagrody Nobla w 1910
  roku i do momentu jej otrzymania byl zglaszany co
  roku z wyjatkiem dwóch lat.

17
(No Transcript)
18
(No Transcript)
19
Historia badania efektu fotoelektrycznego (EF)
Przewidziany i zaobserwowany przez Hertza w
1887. Dokladniejsze badania prowadzili w
nastepnych latach Hallwachs i Stoletow.
20

Historia badania efektu fotoelektrycznego (EF)
Ustalono podstawowe wlasnosci EF Prad w
ogniwie wzrasta ze wzrostem natezenia fali UV.
Energia czastek EF (elektronów) nie zalezy od
natezenia fali. Maksymalna energia elektronów
wzrasta ze wzrostem czestosci UV. Dla kazdego
materialu katody istnieje czestosc graniczna
ponizej której EF nie zachodzi. EF jest
natychmiastowy. Te wlasnosci sa sprzeczne z
falowa natura promieniowania e-m. W 1900 Lenard
mierzyl e/m czastek EF i udowodnil, ze sa one
elektronami. W 1905 Einstein podal teorie EF,
wprowadzajac za Planckiem energie fotonu ??? h
?.
21

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

22
Czastki uwalniane z metalu pod wplywem
promieniowania niosa ujemny ladunek
W 1900 Lenard zmierzyl e/m tych ujemnych
czastek i zidentyfikowal je jako elektrony.
Ujemnie naladowany elektroskop rozladowuje sie.
Dodatnio naladowany elektroskop nie rozladowuje
sie.
23
Artykul drugi najczesciej cytowany!
"O ruchu drobnych czastek zawieszonych w
spoczywajacej cieczy bedacym konsekwencja
molekularno-kinetycznej teorii ciepla"
Einsteinowi udalo sie wyjasnic ruchy Browna.
24
Historia badania ruchów Browna
very evidently in motion active molecules
25

• Systematyczne badania Browna
• podobne ruchy dla pylków róznych roslin
• podobne ruchy pylków roslin martwych
• podobne ruchy czastek nieorganicznych

26

• Badanie ruchów Browna w XIX w.
• Doswiadczenia
• powszechnosc zjawiska
• niezmiennosc w czasie (do czasu opadniecia na
  dno)
• niezaleznosc od rodzaju czastek
• zaleznosc od rozpuszczalnika (lepkosc)
• zaleznosc szybkosci od rozmiarów, np.
• Ø 0.0013mm v0.0027 mm/s
• Ø 0.0004mm v0.0038 mm/s
• zaleznosc szybkosci od temperatury, np.
• T20 oC v0.00032 cm/s
• T71 oC v0.00051 cm/s
• niezaleznosc od warunków zewnetrznych, np.
  oswietlenie, nakrycie szkielkiem
• Teorie
• nierównomiernosc temperatury (ale ?T105 oC !!!)
• prady konwekcyjne wokól czastki po absorpcji
  promieniowania
• sily wewnetrzne odpychanie czastek,
  wloskowatosc
• teorie kinetyczne

27

• Teoria Einsteina

• ruch czastki spowodowany bardzo czestymi,
  niezaleznymi od siebie zderzeniami z molekulami
  cieczy
• ruch tak skomplikowany, ze mozna go opisywac
  tylko probabilistycznie

Ruch Browna jako wynik procesu dyfuzji czasteczek
cieczy
28

• Teoria Smoluchowskiego Marian
  Smoluchowski (1872-1917)

Rozpr. Wydz. Mat.-Przyr. Akad. Umiejetnosci 46A,
755 (1906), Zarys teorii kinetycznej ruchów
Browna i roztworów metnych.
Artykul sprowokowany publikacjami Einsteina, ale
Smoluchowski myslal o problemie od kilku lat
(mniej wiecej od 1900 roku).
29
Podobny wynik jak u Einsteina, róznica tylko w
czynniku liczbowym. Nie bede wchodzil na tem
miejscu w roztrzasanie bardzo pomyslowych
rozumowan, za pomoca których Einstein doszedl do
swych wzorów, zauwaze jednak, ze obie metody
przez niego uzyte polegaja na wnioskowaniu
posredniem, które nie wydaja sie zupelnie
przekonywajacem. W kazdym razie, zgodnosc z
bezposrednia metoda tutaj uzyta, która lepiej
wyjasnia mechanizm calego zjawiska, nalezy uwazac
za pozadane potwierdzenie obu sposobów rachunku.

• Slusznosc molekularno-statystycznej teorii
  Einsteina-Smoluchowskiego, potwierdzily
  doswiadczenia J.B. Perrina (nagroda Nobla, 1926
  r.) i wyznaczenie przez niego liczby Avogadro.

30

• Po pracach Einsteina i Smoluchowskiego oraz
  obserwacjach Perrina, atomy i czasteczki nie
  mogly juz byc rozpatrywane jak hipotetyczne
  twory.
• Wraz z wynalezieniem skaningowej mikroskopii
  tunelowej, jestesmy w stanie niemalze widziec
  pojedyncze atomy i manipulowac nimi tworzac
  pozadane struktury. Urzadzenie to skladajace sie
  z ostrza o promieniu kilku angstremów (1 angstrem
  10-10 m), poruszajacego sie w odleglosci rzedu
  angstrema nad powierzchnia próbki widzi chmure
  elektronowa atomów najblizszych powierzchni, tak
  jak igla gramofonu czuje rowki wyzlobione na
  plycie, pozwalajac w ten sposób obrazowac
  polozenia i rozklad atomów na powierzchni.

ruchy Browna ? fluktuacje ? szumy ? procesy
stochastyczne ?NANOTECHNOLOGIA
31
Artykul trzeci
"O elektrodynamice cial w ruchu"
32
Swiatlo fala elekromagnetyczna
ETER musi przenikac cala przestrzen i musi byc
pierwotnym i bezwzglednym ukladem odniesienia
dla swiatla Ile wynosi predkosc swiatla wzgledem
eteru? Jaka jest fizyczna natura eteru?
33
Alfred Daniell, Podrecznik zasad fizyki,
Warszawa, 1887
34
Eksperyment Michelsona - Morleya (1887)
35
Negatywny wynik doswiadczenia przelom w mysleniu
Wyniki obserwacji sa przedstawione w formie
graficznej na rysunku. Krzywa górna odpowiada
obserwacjom w poludnie, a krzywa dolna
obserwacjom wieczornym. Krzywe przerywane
przedstawiaja ósma czesc przesuniecia
teoretycznego. Wydaje sie, ze na podstawie tego
rysunku mozna wnioskowac, iz jezeli istnieje
jakiekolwiek przesuniecie spowodowane wzglednym
ruchem Ziemi i swiatlonosnego eteru, to nie moze
ono byc duzo wieksze niz 0,01 odleglosci miedzy
prazkami. Michelson i Morley, Amer. J.
Sci.XXXIV, No. 203, 333-345 (1887).
36
Prekursorzy znani, ale nie zawsze swiadomi
37
Prekursorzy znani, ale nie zawsze swiadomi
Hendrik Lorentz
George FitzGerald
38
"O elektrodynamice cial w ruchu"
39
"O elektrodynamice cial w ruchu"
40
(No Transcript)
41
Einstein oparl sie na dwóch szczególnych
postulatach

• predkosc swiatla w prózni c jest jednakowa w
  kazdym kierunku we wszystkich inercjalnych
  ukladach odniesienia niezaleznie od wzajemnego
  ruchu obserwatora i zródla
• zasada wzglednosci prawa fizyki sa identyczne
  w ukladach bedacych wzgledem siebie w ruchu
  jednostajnym prostoliniowym
• oraz przyjal dodatkowo
• zalozenie, ze przestrzen jest jednorodna i
  izotropowa
• postulaty logiczne dotyczace synchronizacji
  zegarów (jezeli zegar w A idzie synchronicznie z
  zegarem w B, to zegar w B idzie synchronicznie z
  zegarem w A, itp.)

42
Decydujaca rola pracy Einsteina
Einstein po spotkaniu Poincarégo na Kongresie
Solvaya w 1911 r.
43
(No Transcript)
44
Ogólna teoria wzglednosci

• Tlumaczy zjawiska grawitacyjne wlasnosciami
  geometrycznymi zakrzywionej czasoprzestrzeni.
• W mysl tej teorii promien swiatla porusza sie od
  punktu do punktu wzdluz najkrótszej drogi, jednak
  ze wzgledu na wlasnosci czasoprzestrzeni nie jest
  to prosta, lecz krzywa zwiazana z "zanurzona" w
  czasoprzestrzeni masa.
• Zjawiska grawitacyjne utozsamione sa z
  geometrycznymi wlasciwosciami charakteryzujacymi
  czas i przestrzen. Grawitacja to nic innego jak
  krzywizna czasoprzestrzeni. Wszechswiat ogólnej
  teorii wzglednosci nie jest opisywany za pomoca
  znanej ze szkoly geometrii Euklidesa, ale za
  pomoca pewnej ogólniejszej struktury
  matematycznej zwanej geometria Riemanna.

45
Teoria ta przewiduje istnienie fal grawitacyjnych
i czarnych dziur. Zostala potwierdzona
eksperymentalnie przez obserwacje astronomiczne -
m.in. zjawisko soczewkowania grawitacyjnego.
Czasoprzestrzen - przestrzen czterowymiarowa, w
której obok "normalnych" trzech wymiarów
przestrzeni wystepuje równiez czwarty - czas.
Fale grawitacyjne - zmarszczki czasoprzestrzennej
geometrii podrózujace przez wszechswiat z
predkoscia swiatla. Istnienie ich zostalo
posrednio potwierdzone przez analize orbit
podwójnych gwiazd neutronowych odkrytych przez
Russella Hulse'a, Josepha Taylora i Aleksandra
Wolszczana.
Czarna dziura - obiekt astronomiczny - gwiazda o
tak ogromnej masie i gestosci, ze z jej pola
grawitacyjnego nie moze uciec nawet swiatlo.
Czarna dziura jest zatem niewidoczna. Mozna ja
jednak zaobserwowac dzieki zjawiskom zachodzacym
w otaczajacym ja polu grawitacyjnym.
46
(No Transcript)