Papeles Annus Mirabilis - Annus Mirabilis papers

Einstein en 1904 o 1905, sobre el momento en que escribió las Annus Mirabilis documentos

Los Annus mirabilis papeles (de América annus mirabilis , "año milagroso") son los cuatro documentos que Albert Einstein publicó en Annalen der Physik ( Anales de Física ), una revista científica , en 1905. Estos cuatro documentos eran importantes contribuciones a la fundación de física moderna . Revolucionaron la comprensión de la ciencia de los conceptos fundamentales de espacio , tiempo , masa y energía . Debido a que Einstein publicó estos notables artículos en un solo año, 1905 se llama su annus mirabilis ( año milagroso en inglés o Wunderjahr en alemán).

El primer artículo explicaba el efecto fotoeléctrico , que fue el único descubrimiento específico mencionado en la cita que otorgó a Einstein el Premio Nobel de Física . El segundo artículo explicaba el movimiento browniano , lo que llevó a los físicos reacios a aceptar la existencia de átomos . El tercer artículo presentó la teoría de la relatividad especial de Einstein . El cuarto, consecuencia de la teoría de la relatividad especial, desarrolló el principio de equivalencia masa-energía , expresado en la famosa ecuación y que condujo al descubrimiento y uso de la energía atómica . Estos cuatro artículos, junto con la mecánica cuántica y la posterior teoría de la relatividad general de Einstein , son la base de la física moderna.

Fondo

La Einsteinhaus en la Kramgasse de Berna, la residencia de Einstein en ese momento. La mayoría de los papeles estaban escritos en su apartamento del primer piso sobre el nivel de la calle.

En el momento en que se redactaron los artículos, Einstein no tenía fácil acceso a un conjunto completo de materiales de referencia científica, aunque leía con regularidad y contribuía con reseñas en Annalen der Physik . Además, los colegas científicos disponibles para discutir sus teorías eran pocos. Trabajó como examinador en la Oficina de Patentes en Berna , Suiza, y más tarde dijo de un compañero de trabajo allí, Michele Besso , que "no podría haber encontrado una caja de resonancia mejor para mis ideas en toda Europa". Además, los compañeros de trabajo y los otros miembros de la autodenominada " Academia Olympia " ( Maurice Solovine y Conrad Habicht ) y su esposa, Mileva Marić , tuvieron cierta influencia en el trabajo de Einstein, pero no está claro cuánto.

A través de estos artículos, Einstein abordó algunas de las cuestiones y problemas de física más importantes de la época. En 1900, Lord Kelvin , en una conferencia titulada "Las nubes del siglo XIX sobre la teoría dinámica del calor y la luz", sugirió que la física no tenía explicaciones satisfactorias para los resultados del experimento de Michelson-Morley y para la radiación del cuerpo negro. Como se introdujo, la relatividad especial proporcionó una explicación de los resultados de los experimentos de Michelson-Morley. La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico amplió la teoría cuántica que Max Planck había desarrollado en su exitosa explicación de la radiación de cuerpo negro.

A pesar de la mayor fama alcanzada por sus otros trabajos, como el de la relatividad especial , fue su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico lo que le valió el Premio Nobel en 1921. El comité del Nobel había esperado pacientemente la confirmación experimental de la relatividad especial; sin embargo, ninguno llegó hasta los experimentos de dilatación temporal de Ives y Stilwell (1938 y 1941) y Rossi y Hall (1941).

Documentos

Efecto fotoeléctrico

El artículo "Sobre un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz ", recibido el 18 de marzo y publicado el 9 de junio, proponía la idea de los cuantos de energía . Esta idea, motivada por la anterior derivación de Max Planck de la ley de la radiación de cuerpo negro , asume que la energía luminosa puede ser absorbida o emitida sólo en cantidades discretas, llamadas cuantos . Einstein afirma,

La energía, durante la propagación de un rayo de luz, no se distribuye continuamente en espacios en constante aumento, sino que consiste en un número finito de cuantos de energía localizados en puntos del espacio , que se mueven sin dividirse y pueden ser absorbidos o generados solo como entidades .

Al explicar el efecto fotoeléctrico, la hipótesis de que la energía consiste en paquetes discretos , como ilustra Einstein, también se puede aplicar directamente a los cuerpos negros .

La idea de cuantos de luz contradice la teoría ondulatoria de la luz que sigue naturalmente de James Clerk Maxwell 's ecuaciones para electromagnética comportamiento y, más en general, la asunción de la infinita divisibilidad de la energía en los sistemas físicos.

Existe una profunda diferencia formal entre los conceptos teóricos que los físicos han formado sobre los gases y otros cuerpos ponderables y la teoría de Maxwell de los procesos electromagnéticos en el llamado espacio vacío. Si bien consideramos que el estado de un cuerpo está completamente determinado por las posiciones y velocidades de un número muy grande pero finito de átomos y electrones, hacemos uso de funciones espaciales continuas para determinar el estado electromagnético de un volumen de espacio, de modo que un número finito de cantidades no puede considerarse suficiente para la determinación completa del estado electromagnético del espacio.

... [esto] conduce a contradicciones cuando se aplica a los fenómenos de emisión y transformación de la luz.

Según la opinión de que la luz incidente consiste en cuantos de energía ..., la producción de rayos catódicos por la luz se puede concebir de la siguiente manera. La capa superficial del cuerpo es penetrada por cuantos de energía, cuya energía se convierte, al menos parcialmente, en energía cinética de los electrones. La concepción más simple es que un cuanto de luz transfiere toda su energía a un solo electrón ...

Einstein notó que el efecto fotoeléctrico dependía de la longitud de onda y, por lo tanto, de la frecuencia de la luz. A una frecuencia demasiado baja, incluso la luz intensa no produce electrones. Sin embargo, una vez que se alcanza una cierta frecuencia, incluso la luz de baja intensidad produce electrones. Él comparó esto con la hipótesis de Planck que la luz podía ser emitida sólo en paquetes de energía dadas por hf , donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia. Luego postuló que la luz viaja en paquetes cuya energía depende de la frecuencia y, por lo tanto, solo la luz por encima de una cierta frecuencia traería suficiente energía para liberar un electrón.

Incluso después de que los experimentos confirmaron que las ecuaciones de Einstein para el efecto fotoeléctrico eran precisas, su explicación no fue aceptada universalmente. Niels Bohr , en su discurso del Nobel de 1922, declaró: "La hipótesis de los cuantos de luz no es capaz de arrojar luz sobre la naturaleza de la radiación".

En 1921, cuando Einstein recibió el Premio Nobel y su trabajo sobre fotoelectricidad se mencionó por su nombre en la cita del premio, algunos físicos aceptaron que la ecuación ( ) era correcta y que los cuantos de luz eran posibles. En 1923, Arthur Compton 's experimento de dispersión de rayos X ayudó a más de la comunidad científica a aceptar esta fórmula. La teoría de los cuantos de luz era un fuerte indicador de la dualidad onda-partícula , un principio fundamental de la mecánica cuántica . Una imagen completa de la teoría de la fotoelectricidad se realizó después de la madurez de la mecánica cuántica.

movimiento browniano

El artículo " Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen " ("Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario, como lo requiere la teoría cinética molecular del calor"), recibido el 11 de mayo y publicado el 18 de julio, delineó un modelo estocástico de movimiento browniano .

En este trabajo se demostrará que, de acuerdo con la teoría cinética molecular del calor, los cuerpos de tamaño microscópicamente visible suspendidos en líquidos deben, como resultado de movimientos moleculares térmicos, realizar movimientos de tal magnitud que puedan ser fácilmente observados con un microscopio. Es posible que los movimientos a discutir aquí sean idénticos al llamado movimiento molecular browniano; sin embargo, los datos de que dispongo sobre este último son tan imprecisos que no pude formarme un juicio sobre la cuestión ...

Expresiones derivadas de Einstein para el desplazamiento cuadrático medio de partículas. Utilizando la teoría cinética de los gases , que en ese momento era controvertida, el artículo estableció que el fenómeno, que carecía de una explicación satisfactoria incluso décadas después de su primera observación, proporcionaba evidencia empírica de la realidad del átomo . También dio crédito a la mecánica estadística , que también había sido controvertida en ese momento. Antes de este artículo, los átomos eran reconocidos como un concepto útil, pero los físicos y químicos debatieron si los átomos eran entidades reales. La discusión estadística de Einstein sobre el comportamiento atómico brindó a los experimentadores una forma de contar los átomos mirando a través de un microscopio ordinario. Wilhelm Ostwald , uno de los líderes de la escuela anti-átomo, le dijo más tarde a Arnold Sommerfeld que los posteriores experimentos de movimiento browniano de Jean Perrin lo habían convencido de la existencia de los átomos .

Relatividad especial

Artículo de Einstein en alemán original, "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", Annalen der Physik , 26 de septiembre de 1905.

De Einstein "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" ( "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento"), su tercer papel de ese año, se recibió el 30 de junio y publicada el 26 de septiembre Se reconcilia las ecuaciones de Maxwell para la electricidad y el magnetismo con las leyes de la mecánica mediante la introducción de las principales cambios en la mecánica cercanos a la velocidad de la luz . Esto más tarde se conoció como la teoría de la relatividad especial de Einstein .

El documento menciona los nombres de solo otros cinco científicos: Isaac Newton , James Clerk Maxwell , Heinrich Hertz , Christian Doppler y Hendrik Lorentz . No tiene referencias a otras publicaciones. Muchas de las ideas ya habían sido publicadas por otros, como se detalla en la historia de la relatividad especial y la disputa de prioridad de la relatividad . Sin embargo, el artículo de Einstein introduce una teoría del tiempo, la distancia, la masa y la energía que era consistente con el electromagnetismo , pero omitía la fuerza de la gravedad .

En ese momento, se sabía que las ecuaciones de Maxwell, cuando se aplicaban a cuerpos en movimiento, conducían a asimetrías ( problema del conductor y el imán en movimiento ), y que no había sido posible descubrir ningún movimiento de la Tierra en relación con el 'medio ligero' ( es decir, éter) . Einstein propone dos postulados para explicar estas observaciones. Primero, aplica el principio de relatividad , que establece que las leyes de la física siguen siendo las mismas para cualquier marco de referencia no acelerado (llamado marco de referencia inercial), a las leyes de la electrodinámica y la óptica , así como a la mecánica. En el segundo postulado, Einstein propone que la velocidad de la luz tiene el mismo valor en todos los marcos de referencia, independientemente del estado de movimiento del cuerpo emisor.

La relatividad especial es consecuente con el resultado del experimento de Michelson-Morley , que no había detectado un medio de conductancia (o éter ) para ondas de luz a diferencia de otras ondas conocidas que requieren un medio (como agua o aire). Es posible que Einstein no supiera sobre ese experimento, pero afirma:

Ejemplos de este tipo , junto con los intentos fallidos de descubrir cualquier movimiento de la tierra en relación con el " medio ligero ", sugieren que los fenómenos de la electrodinámica , así como de la mecánica, no poseen propiedades correspondientes a la idea de reposo absoluto .

La velocidad de la luz es fija y, por tanto, no relativa al movimiento del observador. Esto era imposible bajo la mecánica clásica newtoniana . Einstein argumenta,

las mismas leyes de la electrodinámica y la óptica serán válidas para todos los marcos de referencia para los que las ecuaciones de la mecánica son válidas . Elevaremos esta conjetura (cuyo significado se denominará en lo sucesivo "Principio de relatividad") al estatus de postulado , y también introduciremos otro postulado, que sólo aparentemente es irreconciliable con el primero, a saber, que la luz siempre se propaga. en un espacio vacío con una velocidad definida c que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor. Estos dos postulados son suficientes para lograr una teoría simple y consistente de la electrodinámica de los cuerpos en movimiento basada en la teoría de Maxwell para cuerpos estacionarios. La introducción de un " éter luminífero " resultará superflua en la medida en que la vista aquí desarrollada no requerirá un "espacio absolutamente estacionario" provisto de propiedades especiales, ni asignará un vector de velocidad a un punto del espacio vacío. en el que tienen lugar los procesos electromagnéticos. La teoría ... se basa, como toda electrodinámica, en la cinemática del cuerpo rígido , ya que las afirmaciones de cualquier teoría de este tipo tienen que ver con las relaciones entre cuerpos rígidos ( sistemas de coordenadas ), relojes y procesos electromagnéticos . La consideración insuficiente de esta circunstancia está en la raíz de las dificultades con las que se encuentra actualmente la electrodinámica de los cuerpos en movimiento.

Se había propuesto previamente, por George FitzGerald en 1889 y por Lorentz en 1892, independientemente el uno del otro, que el resultado de Michelson-Morley podría explicarse si los cuerpos en movimiento se contrajeran en la dirección de su movimiento. Algunas de las ecuaciones centrales del artículo, las transformadas de Lorentz , habían sido publicadas por Joseph Larmor (1897, 1900), Hendrik Lorentz (1895, 1899, 1904) y Henri Poincaré (1905), en un desarrollo del artículo de Lorentz de 1904. La presentación de Einstein difería de las explicaciones dadas por FitzGerald, Larmor y Lorentz, pero fue similar en muchos aspectos a la formulación de Poincaré (1905).

Su explicación surge de dos axiomas. La primera es la idea de Galileo de que las leyes de la naturaleza deberían ser las mismas para todos los observadores que se mueven con velocidad constante entre sí. Einstein escribe,

Las leyes por las que los estados de los sistemas físicos experimentan cambios no se ven afectadas, ya sea que estos cambios de estado se refieran a uno u otro de dos sistemas de coordenadas en movimiento de traslación uniforme.

El segundo axioma es la regla de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores.

Cualquier rayo de luz se mueve en el sistema de coordenadas "estacionario" con la velocidad c determinada , ya sea que el rayo sea emitido por un cuerpo estacionario o en movimiento.

La teoría, ahora llamada teoría especial de la relatividad , la distingue de su posterior teoría general de la relatividad , que considera que todos los observadores son equivalentes. La relatividad especial ganó una aceptación generalizada con notable rapidez, lo que confirma el comentario de Einstein de que había estado "lista para ser descubierta" en 1905. Reconociendo el papel de Max Planck en la diseminación temprana de sus ideas, Einstein escribió en 1913: "La atención que esta teoría recibió tan rápidamente de colegas seguramente se debe atribuir en gran parte a la determinación y calidez con la que él [Planck] intervino a favor de esta teoría ". Además, la formulación matemática mejorada de la teoría por Hermann Minkowski en 1907 influyó en la aceptación de la teoría. Además, y lo más importante, la teoría fue apoyada por un cuerpo cada vez mayor de evidencia experimental confirmatoria.

Equivalencia masa-energía

El 21 de noviembre, Annalen der Physik publicó un cuarto artículo (recibido el 27 de septiembre) "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?" ("¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido energético?"), En la que Einstein dedujo la que posiblemente sea la más famosa de todas las ecuaciones: E  =  mc 2 .

Einstein consideró que la ecuación de equivalencia era de suma importancia porque mostraba que una partícula masiva posee una energía, la "energía en reposo", distinta de sus energías cinética y potencial clásicas . El artículo se basa en las investigaciones de James Clerk Maxwell y Heinrich Rudolf Hertz y, además, en los axiomas de la relatividad, como afirma Einstein,

Los resultados de la investigación anterior conducen a una conclusión muy interesante, que aquí se deduce.

La investigación anterior se basó "en las ecuaciones de Maxwell-Hertz para el espacio vacío , junto con la expresión maxwelliana para la energía electromagnética del espacio ..."

Las leyes por las que se alteran los estados de los sistemas físicos son independientes de la alternativa, a cuál de dos sistemas de coordenadas, en movimiento uniforme de traslación paralela entre sí, se refieren estas alteraciones de estado (principio de relatividad).

La ecuación establece que la energía de un cuerpo en reposo ( E ) es igual a su masa ( m ) multiplicada por la velocidad de la luz ( c ) al cuadrado, o E  =  mc 2 .

Si un cuerpo emite la energía L en forma de radiación, su masa disminuye en L / c 2 . El hecho de que la energía extraída del cuerpo se convierta en energía de radiación evidentemente no hace ninguna diferencia, por lo que se nos lleva a la conclusión más general de que

La masa de un cuerpo es una medida de su contenido energético; si la energía cambia en L , la masa cambia en el mismo sentido en L / (9 × 10 20 ) , la energía se mide en ergios y la masa en gramos.

...

Si la teoría se corresponde con los hechos, la radiación transmite inercia entre los cuerpos emisor y absorbente.

La relación masa-energía se puede utilizar para predecir cuánta energía se liberará o consumirá por las reacciones nucleares ; uno simplemente mide la masa de todos los constituyentes y la masa de todos los productos y multiplica la diferencia entre los dos por c 2 . El resultado muestra cuánta energía se liberará o consumirá, generalmente en forma de luz o calor. Cuando se aplica a ciertas reacciones nucleares, la ecuación muestra que se liberará una cantidad extraordinariamente grande de energía, millones de veces más que en la combustión de explosivos químicos , donde la cantidad de masa convertida en energía es insignificante. Esto explica por qué las armas nucleares y los reactores nucleares producen cantidades tan fenomenales de energía, ya que liberan energía de enlace durante la fisión nuclear y la fusión nuclear , y convierten una parte de la masa subatómica en energía.

Conmemoración

La Unión Internacional de Física Pura y Aplicada ( IUPAP ) resolvió conmemorar el centésimo año de la publicación del extenso trabajo de Einstein en 1905 como el Año Mundial de la Física 2005 . Esto fue posteriormente respaldado por las Naciones Unidas .

Referencias

Citas

Fuentes primarias

Fuentes secundarias

enlaces externos