Kako se Albert Einstein borio za europski mir i teorijska fizika

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 03:58

O tome kako je znanost bila usko isprepletena s politikom.

Na samom početku dvadesetog stoljeća u fizici su napravljena kolosalna otkrića, od kojih su brojna pripala Albertu Einsteinu, tvorcu opće teorije relativnosti.

Znanstvenici su bili na rubu potpuno novog pogleda na Svemir, što im je zahtijevalo intelektualnu hrabrost, spremnost da se urone u teoriju i vještine baratanja složenim matematičkim aparatom. Izazov nisu svi prihvatili, a, kao što se ponekad događa, znanstveni sporovi su se nadovezali na političke razlike uzrokovane prvo Prvim svjetskim ratom, a zatim Hitlerovim dolaskom na vlast u Njemačkoj. Einstein je također bio ključna figura oko koje su se lomila koplja.

Einstein protiv svih

Izbijanje Prvog svjetskog rata bilo je popraćeno domoljubnim usponom među stanovništvom država sudionica, uključujući znanstvenike.

U Njemačkoj su 1914. godine 93 znanstvenika i kulturnjaka, uključujući Maxa Plancka, Fritza Habera i Wilhelma Roentgena, objavili manifest u kojem izražavaju svoju punu potporu državi i ratu koji ona vodi: „Mi, predstavnici njemačke znanosti i umjetnosti, protestiramo pred cijeli kulturni svijet protiv laži i kleveta kojima naši neprijatelji pokušavaju zaprljati pravednu stvar Njemačke u teškoj joj nametnutoj borbi za egzistenciju. Bez njemačkog militarizma, njemačka kultura bila bi uništena već davno na samom početku. Njemački militarizam je proizvod njemačke kulture, a rođen je u zemlji koja je, kao ni jedna druga zemlja na svijetu, stoljećima bila podvrgnuta grabežljivim napadima."

Ipak, postojao je njemački znanstvenik koji je oštro govorio protiv takvih ideja. Albert Einstein je 1915. objavio manifest odgovora “Europljanima”: “Nikad prije rat nije toliko poremetio interakciju kultura. Dužnost je Europljana, obrazovanih i dobre volje, ne dopustiti da Europa podlegne.” Međutim, ovaj su apel, osim samog Einsteina, potpisale samo tri osobe.

Einstein je nedavno postao njemački znanstvenik, iako je rođen u Njemačkoj. Školu i fakultet završio je u Švicarskoj, a nakon toga su ga gotovo deset godina različita sveučilišta u Europi odbijala zaposliti. To je dijelom bilo zbog načina na koji je Einstein pristupio zahtjevu za razmatranje njegove kandidature.

Tako je u pismu Paulu Drudeu, tvorcu elektroničke teorije metala, najprije ukazao na dvije greške sadržane u njegovoj teoriji, a tek onda zatražio da ga angažiraju.

Zbog toga se Einstein morao zaposliti u švicarskom patentnom uredu u Bernu, a tek na samom kraju 1909. godine uspio je dobiti poziciju na Sveučilištu u Zürichu. I već 1913. sam Max Planck, zajedno s budućim nobelovcem za kemiju Walterom Nernstom, osobno je došao u Zürich kako bi nagovorio Einsteina da prihvati njemačko državljanstvo, preseli se u Berlin i postane član Pruske akademije znanosti i direktor Instituta fizike.

Einstein je svoj rad u patentnom uredu smatrao zapanjujuće produktivnim sa znanstvenog stajališta. “Kad bi netko prošao, stavio bih svoje bilješke u ladicu i pretvarao se da radim patente”, prisjetio se. Godina 1905. ušla je u povijest znanosti kao annus mirabilis, "godina čuda".

Ove godine časopis Annalen der Physik objavio je četiri Einsteinova članka u kojima je mogao teoretski opisati Brownovo gibanje, objasniti, koristeći Planckovu ideju svjetlosnih kvanta, fotoefekta ili efekta bijega elektrona iz metala kada ozrači se svjetlošću (u takvom eksperimentu JJ Thomson je otkrio elektron) i daju odlučujući doprinos stvaranju posebne teorije relativnosti.

Nevjerojatna podudarnost: teorija relativnosti pojavila se gotovo istodobno s teorijom kvanta i jednako neočekivano i nepovratno promijenila temelje fizike.

U 19. stoljeću je valna priroda svjetlosti čvrsto uspostavljena, a znanstvenike je zanimalo kako je raspoređena tvar u kojoj se ti valovi šire.

Unatoč činjenici da još nitko nije izravno promatrao eter (ovo je naziv ove tvari), sumnje da on postoji i da prožima cijeli Svemir nisu se pojavile: bilo je jasno da bi se val trebao širiti u nekoj vrsti elastičnog medija, po analogiji s krugovima iz kamena bačenog na vodu: površina vode na mjestu pada kamena počinje oscilirati, a budući da je elastična, oscilacije se prenose na susjedne točke, s njih na susjedne, i tako na. Nakon otkrića atoma i elektrona, ni postojanje fizičkih objekata koji se ne mogu vidjeti postojećim instrumentima nikoga nije iznenadilo.

Jedno od jednostavnih pitanja na koje klasična fizika nije mogla pronaći odgovor bilo je sljedeće: nose li eter tijela koja se u njemu kreću? Do kraja 19. stoljeća neki su pokusi uvjerljivo pokazali da je eter u potpunosti odnesen pokretnim tijelima, dok su drugi, i to ništa manje uvjerljivo, samo djelomično odnijeli.

Krugovi na vodi su jedan primjer vala u elastičnom mediju. Ako tijelo koje se kreće ne nosi eter, tada će brzina svjetlosti u odnosu na tijelo biti zbroj brzine svjetlosti u odnosu na eter i brzine samog tijela. Ako potpuno zahvati eter (kao što se događa pri kretanju u viskoznoj tekućini), tada će brzina svjetlosti u odnosu na tijelo biti jednaka brzini svjetlosti u odnosu na eter i neće ni na koji način ovisiti o brzini samo tijelo.

Francuski fizičar Louis Fizeau pokazao je 1851. da se eter djelomično odnosi pokretnom strujom vode. U nizu eksperimenata od 1880.-1887., Amerikanci Albert Michelson i Edward Morley, s jedne strane, potvrdili su Fizeauov zaključak s većom točnošću, a s druge su otkrili da Zemlja, kružeći oko Sunca, potpuno zanosi eter s njim, odnosno brzina svjetlosti na Zemlji je neovisna o tome kako se kreće.

Kako bi utvrdili kako se Zemlja kreće u odnosu na eter, Michelson i Morley su konstruirali poseban instrument, interferometar (vidi dijagram ispod). Svjetlost iz izvora pada na poluprozirnu ploču, odakle se djelomično reflektira u zrcalu 1, a djelomično prelazi u zrcalo 2 (zrcala su na istoj udaljenosti od ploče). Zrake koje se reflektiraju od zrcala zatim ponovno padaju na poluprozirnu ploču i iz nje zajedno dolaze do detektora, na kojem nastaje interferencijski uzorak.

Ako se Zemlja kreće u odnosu na eter, na primjer, u smjeru zrcala 2, tada se brzina svjetlosti u horizontalnom i okomitom smjeru neće podudarati, što bi trebalo dovesti do faznog pomaka valova reflektiranih od različitih zrcala na detektor (na primjer, kao što je prikazano na dijagramu, dolje desno). U stvarnosti, pomak nije uočen (vidi dolje lijevo).

Einstein protiv Newtona

U svojim pokušajima da shvate gibanje etera i širenje svjetlosti u njemu, Lorentz i francuski matematičar Henri Poincaré morali su pretpostaviti da se dimenzije pokretnih tijela mijenjaju u usporedbi s dimenzijama stacionarnih, i, štoviše, vrijeme za tijela koja se kreću sporije teče. Teško je to zamisliti – a Lorentz je te pretpostavke tretirao više kao matematički trik nego fizički učinak – ali one su omogućile pomirenje mehanike, elektromagnetske teorije svjetlosti i eksperimentalnih podataka.

Einstein je u dva članka iz 1905. uspio, na temelju ovih intuitivnih razmatranja, stvoriti koherentnu teoriju u kojoj su svi ti nevjerojatni učinci posljedica dvaju postulata:

• brzina svjetlosti je konstantna i ne ovisi o tome kako se gibaju izvor i prijemnik (i jednaka je oko 300.000 kilometara u sekundi);
• za svaki fizikalni sustav, fizikalni zakoni djeluju na isti način, bez obzira giba li se bez ubrzanja (bilo kojom brzinom) ili miruje.

I izveo je najpoznatiju fizikalnu formulu - E = mc²! Osim toga, zbog prvog postulata, kretanje etera je prestalo biti važno, a Einstein ga je jednostavno napustio – svjetlost se može širiti u praznini.

Učinak dilatacije vremena, posebice, dovodi do poznatog "paradoksa blizanaca". Ako jedan od dva blizanca, Ivan, ode svemirskim brodom do zvijezda, a drugi, Petar, ostane da ga čeka na Zemlji, onda će se nakon njegova povratka ispostaviti da je Ivan ostario manje od Petra, od vremena pa nadalje. njegov je svemirski brod koji se brzo kretao sporije tekao.nego na Zemlji.

Taj se učinak, kao i druge razlike između teorije relativnosti i obične mehanike, očituje samo pri ogromnoj brzini gibanja, usporedivoj sa brzinom svjetlosti, pa ga stoga nikada ne susrećemo u svakodnevnom životu. Za uobičajene brzine s kojima se susrećemo na Zemlji, udio v/c (podsjetimo, c = 300.000 kilometara u sekundi) vrlo se malo razlikuje od nule, i vraćamo se u poznati i ugodan svijet školske mehanike.

Ipak, učinci teorije relativnosti moraju se uzeti u obzir, primjerice, kod sinkronizacije satova na GPS satelitima s zemaljskim za točan rad sustava pozicioniranja. Osim toga, učinak dilatacije vremena očituje se u proučavanju elementarnih čestica. Mnogi od njih su nestabilni i pretvaraju se u druge u vrlo kratkom vremenu. Međutim, obično se kreću brzo, pa je zbog toga vrijeme prije njihove transformacije sa stajališta promatrača rastegnuto, što omogućuje njihovo registriranje i proučavanje.

Posebna teorija relativnosti proizašla je iz potrebe da se pomiri elektromagnetska teorija svjetlosti s mehanikom tijela koja se brzo (i konstantnom brzinom) kreću. Nakon preseljenja u Njemačku, Einstein je završio svoju opću teoriju relativnosti (GTR), gdje je dodao gravitaciju elektromagnetskim i mehaničkim fenomenima. Pokazalo se da se gravitacijsko polje može opisati kao deformacija masivnog tijela prostora i vremena.

Jedna od posljedica opće relativnosti je zakrivljenost putanje zraka kada svjetlost prolazi blizu velike mase. Prvi pokušaj eksperimentalne provjere opće relativnosti trebao se dogoditi u ljeto 1914. kada se promatrala pomrčina Sunca na Krimu. Međutim, tim njemačkih astronoma je interniran u vezi s izbijanjem rata. To je, na neki način, spasilo reputaciju opće relativnosti, jer je u tom trenutku teorija sadržavala pogreške i davala je netočno predviđanje kuta otklona snopa.

Godine 1919., engleski fizičar Arthur Eddington, promatrajući pomrčinu Sunca na otoku Principe kod zapadne obale Afrike, uspio je potvrditi da je svjetlost zvijezde (postala je vidljiva zbog činjenice da je Sunce nije pomračilo), prolazeći pored Sunca, odstupa točno pod istim kutom kao i predviđene Einsteinove jednadžbe.

Eddingtonovo otkriće učinilo je Einsteina superzvijezdom.

Dana 7. studenog 1919., usred Pariške mirovne konferencije, kada se činilo da je sva pažnja usmjerena na to kako će svijet postojati nakon Prvog svjetskog rata, londonske novine The Times objavile su uvodnik: „Revolucija u znanosti: A Nova teorija svemira, Newtonove ideje su poražene."

Novinari su posvuda proganjali Einsteina, gnjavili ga zahtjevima da ukratko objasni teoriju relativnosti, a dvorane u kojima je držao javna predavanja bile su pretrpane (istodobno, sudeći po recenzijama njegovih suvremenika, Einstein nije bio baš dobar predavač; publika nije razumjela bit predavanja, ali je ipak došla vidjeti slavnu osobu).

Godine 1921. Einstein je zajedno s engleskim biokemičarem i budućim predsjednikom Izraela Chaimom Weizmannom otišao na predavanje po Sjedinjenim Državama kako bi prikupio sredstva za potporu židovskim naseljima u Palestini. Prema The New York Timesu, "Svako mjesto u Metropolitan Opera je zauzeto, od orkestarske jame do posljednjeg reda galerije, stotine ljudi stajalo je u prolazima."Dopisnik novina je naglasio: "Einstein je govorio njemački, ali željan da vidi i čuje čovjeka koji je dopunio znanstveni koncept svemira novom teorijom prostora, vremena i kretanja, zauzeo je sva mjesta u dvorani."

Unatoč uspjehu u široj javnosti, teorija relativnosti bila je teško prihvaćena u znanstvenoj zajednici.

Od 1910. do 1921. progresivno nastrojeni kolege nominirali su Einsteina za Nobelovu nagradu za fiziku deset puta, ali je konzervativni Nobelov odbor svaki put odbio, navodeći činjenicu da teorija relativnosti još nije dobila dovoljnu eksperimentalnu potvrdu.

Nakon Eddingtonove ekspedicije, to se počelo osjećati sve skandaloznije, a 1921. godine, još uvijek neuvjereni, članovi odbora donijeli su elegantnu odluku – dodijeliti nagradu Einsteinu, uopće ne spominjući teoriju relativnosti, naime: „Za usluge teorijskoj fizici i, posebno, za njegovo otkriće zakona fotoelektričnog efekta.

Arijevska fizika protiv Einsteina

Einsteinova popularnost na Zapadu izazvala je bolnu reakciju kolega u Njemačkoj, koji su se nakon militantnog manifesta 1914. i poraza u Prvom svjetskom ratu našli praktički izolirani. Godine 1921. Einstein je bio jedini njemački znanstvenik koji je dobio pozivnicu na Svjetski kongres fizike Solvay u Bruxellesu (što je on, međutim, ignorirao u korist putovanja u Sjedinjene Države s Weizmannom).

Istodobno, unatoč ideološkim razlikama, Einstein je uspio održati prijateljske odnose s većinom svojih domoljubnih kolega. No, od ekstremno desnog krila studenata i akademika, Einstein je stekao reputaciju izdajice koji njemačku znanost odvodi na krivi put.

Jedan od predstavnika ovog krila bio je Philip Leonard. Unatoč činjenici da je 1905. Lenard dobio Nobelovu nagradu za fiziku za eksperimentalno proučavanje elektrona proizvedenih fotoelektričnim efektom, cijelo vrijeme je patio zbog činjenice da njegov doprinos znanosti nije bio dovoljno priznat.

Prvo je 1893. Roentgenu posudio odvodnu cijev vlastite proizvodnje, a 1895. Roentgen je otkrio da cijevi za pražnjenje emitiraju zrake koje su znanosti još uvijek bile nepoznate. Lenard je smatrao da se otkriće barem treba smatrati zajedničkim, ali sva slava otkrića i Nobelove nagrade za fiziku 1901. pripala je samo Roentgenu. Lenard je bio ogorčen i izjavio da je on majka zraka, dok je Roentgen bila samo primalja. U isto vrijeme, očito, Roentgen nije koristio Lenardovu cijev u odlučujućim eksperimentima.

Cijev za pražnjenje s kojom je Lenard proučavao elektrone u fotoelektričnom efektu, a Roentgen otkrio svoje zračenje

Cijev za pražnjenje s kojom je Lenard proučavao elektrone u fotoelektričnom efektu, a Roentgen otkrio svoje zračenje

Drugo, Lenard je bio duboko uvrijeđen britanskom fizikom. Osporio je prioritet Thomsonovog otkrića elektrona i optužio engleskog znanstvenika da se netočno poziva na njegov rad. Lenard je stvorio model atoma, koji se može smatrati prethodnikom Rutherfordovog modela, ali to nije ispravno zabilježeno. Ne čudi što je Lenard Britance nazvao nacijom plaćenika i lažljivih trgovaca, a Nijemce, naprotiv, nacijom heroja, a nakon izbijanja Prvog svjetskog rata predložio je organiziranje intelektualne kontinentalne blokade Velike Britanije..

Treće, Einstein je mogao teoretski objasniti fotoelektrični efekt, a Lenard ga je 1913., čak i prije nesuglasica vezanih uz rat, čak preporučio za profesorsko mjesto. No Nobelovu nagradu za otkriće zakona fotoelektričnog efekta 1921. dobio je samo Einstein.

Početkom 1920-ih bilo je općenito teško vrijeme za Lenarda. Sukobio se s oduševljenim ljevičarskim studentima i bio javno ponižen kada je nakon atentata na liberalnog političara židovskog podrijetla i njemačkog ministra vanjskih poslova Waltera Rathenaua odbio spustiti zastavu na zgradu svog instituta u Heidelbergu.

Njegovu ušteđevinu, uloženu u državni dug, izgorjela je inflacija, a 1922. njegov je sin jedinac umro od posljedica pothranjenosti tijekom rata. Lenard je postao sklon misliti da su problemi Njemačke (uključujući i njemačku znanost) rezultat židovske zavjere.

Lenardov bliski suradnik u to vrijeme bio je Johannes Stark, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1919. godine, također sklon okrivljavanju makinacija Židova za vlastite neuspjehe. Nakon rata, Stark je, nasuprot liberalnom Društvu za fiziku, organizirao konzervativnu "Njemačku profesionalnu zajednicu sveučilišnih nastavnika", uz pomoć koje je pokušavao kontrolirati financiranje istraživanja i imenovanja na znanstvena i nastavna mjesta, ali nije uspio.. Nakon neuspješne obrane diplomiranog studenta 1922., Stark je izjavio da je okružen Einsteinovim štovateljima i dao ostavku na mjesto profesora na sveučilištu.

Godine 1924., šest mjeseci nakon pivskog puča, Grossdeutsche Zeitung je objavio članak Lenarda i Starka "Hitlerov duh i znanost". Autori su Hitlera usporedili s divovima znanosti kao što su Galileo, Kepler, Newton i Faraday ("Kakav je blagoslov što ovaj genij u tijelu živi među nama!"), a također su pohvalili arijevskog genija i osudili pokvareni judaizam.

Prema Lenardu i Starku, u znanosti se pogubni židovski utjecaj očitovao u novim smjerovima teorijske fizike - kvantnoj mehanici i teoriji relativnosti, koji su zahtijevali odbacivanje starih pojmova i koristili složen i nepoznat matematički aparat.

Za starije znanstvenike, čak i one talentirane poput Lenarda, ovo je bio izazov koji je malo tko mogao prihvatiti.

Lenard je suprotstavio "židovsku", odnosno teorijsku, fiziku "arijevskoj", odnosno eksperimentalnoj, i zahtijevao da se njemačka znanost usredotoči na potonje. U predgovoru udžbenika „Njemačka fizika“napisao je: „Njemačka fizika? - pitat će ljudi. Mogao bih reći i arijevsku fiziku, ili fiziku nordijskih naroda, fiziku tražitelja istine, fiziku onih koji su utemeljili znanstvena istraživanja."

Dugo je vremena "arijevska fizika" Lenarda i Starka ostala marginalna pojava, a fizičari različitog podrijetla bavili su se teorijskim i eksperimentalnim istraživanjima najviše razine u Njemačkoj.

Sve se promijenilo kada je Adolf Hitler postao njemački kancelar 1933. Einstein, koji je u to vrijeme boravio u Sjedinjenim Državama, odrekao se njemačkog državljanstva i članstva u Akademiji znanosti, a predsjednik Akademije Max Planck pozdravio je ovu odluku: Unatoč dubokom ponoru koji dijeli naše političke stavove, naša osobna prijateljstva uvijek će ostati nepromijenjena “, uvjeravao je da je to Einsteinova osobna prepiska. Pritom je neke članove akademije zasmetalo što Einstein nije demonstrativno izbačen iz nje.

Johannes Stark ubrzo je postao predsjednik Instituta za fiziku i tehnologiju i Njemačkog istraživačkog društva. Tijekom sljedeće godine, četvrtina svih fizičara i polovica fizičara teoretskih napustila je Njemačku.