Hvordan Albert Einstein kjempet for europeisk fred og teoretisk fysikk

2024 Forfatter: Malcolm Clapton | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 04:07

Om hvordan vitenskap var tett sammenvevd med politikk.

Helt på begynnelsen av det tjuende århundre ble det gjort kolossale funn i fysikk, hvorav en rekke tilhørte Albert Einstein, skaperen av den generelle relativitetsteorien.

Forskere var på randen av et helt nytt syn på universet, som krevde intellektuelt mot, en vilje til å fordype seg i teori og ferdigheter i å håndtere et komplekst matematisk apparat. Utfordringen ble ikke akseptert av alle, og, som noen ganger skjer, ble vitenskapelige tvister lagt over politiske forskjeller forårsaket først av første verdenskrig, deretter av Hitlers kom til makten i Tyskland. Einstein var også en nøkkelfigur som spyd brøt rundt.

Einstein mot alle

Utbruddet av første verdenskrig ble ledsaget av et patriotisk oppsving blant befolkningen i deltakerstatene, inkludert vitenskapsmenn.

I Tyskland i 1914 publiserte 93 vitenskapsmenn og kulturpersonligheter, inkludert Max Planck, Fritz Haber og Wilhelm Roentgen, et manifest som uttrykte sin fulle støtte til staten og krigen den fører: «Vi, representanter for tysk vitenskap og kunst, protesterer før hele den kulturelle verden mot løgnene og baktalelsen som våre fiender prøver å forurense Tysklands rettferdige sak med i den harde kampen for tilværelsen som er pålagt henne. Uten tysk militarisme ville tysk kultur blitt ødelagt for lenge siden helt fra starten. Tysk militarisme er et produkt av tysk kultur, og det ble født i et land som, som ingen andre land i verden, har vært utsatt for rovdyrsangrep i århundrer."

Likevel var det en tysk vitenskapsmann som uttalte seg skarpt mot slike ideer. Albert Einstein publiserte et svarmanifest "Til europeerne" i 1915: "Aldri før har krig forstyrret samspillet mellom kulturer så mye. Det er europeernes plikt, utdannede og av god vilje, å ikke la Europa bukke under." Imidlertid ble denne appellen, foruten Einstein selv, signert av bare tre personer.

Einstein ble en tysk vitenskapsmann ganske nylig, selv om han ble født i Tyskland. Han ble uteksaminert fra skole og universitet i Sveits, og etter det i nesten ti år nektet forskjellige universiteter i Europa å ansette ham. Dette var delvis på grunn av måten Einstein nærmet seg forespørselen om å vurdere sitt kandidatur.

Så i et brev til Paul Drude, skaperen av den elektroniske teorien om metaller, påpekte han først to feil i teorien hans, og først da ba han om å bli ansatt.

Som et resultat måtte Einstein få jobb ved det sveitsiske patentkontoret i Bern, og først helt på slutten av 1909 kunne han få en stilling ved universitetet i Zürich. Og allerede i 1913 kom Max Planck selv, sammen med den fremtidige nobelprisvinneren i kjemi Walter Nernst, personlig til Zürich for å overtale Einstein til å akseptere tysk statsborgerskap, flytte til Berlin og bli medlem av det prøyssiske vitenskapsakademiet og direktør for instituttet av fysikk.

Einstein fant arbeidet sitt på patentkontoret forbløffende produktivt fra et vitenskapelig synspunkt. "Når noen gikk forbi, la jeg notatene mine i en skuff og latet som jeg holdt på med patentarbeid," husket han. Året 1905 gikk inn i vitenskapens historie som annus mirabilis, «miraklenes år».

I år publiserte tidsskriftet Annalen der Physik fire artikler av Einstein, der han teoretisk kunne beskrive Brownsk bevegelse, forklare, ved å bruke Planck-ideen om lyskvanter, fotoeffekten eller effekten av elektroner som rømmer fra et metall når det er bestrålt med lys (det var i et slikt eksperiment JJ Thomson oppdaget elektronet), og gir et avgjørende bidrag til opprettelsen av den spesielle relativitetsteorien.

En utrolig tilfeldighet: relativitetsteorien dukket opp nesten samtidig med kvanteteorien og endret like uventet og ugjenkallelig grunnlaget for fysikken.

På 1800-tallet var lysets bølgenatur godt etablert, og forskerne var interessert i hvordan stoffet som disse bølgene forplanter seg i er ordnet.

Til tross for at ingen ennå har observert eteren (dette er navnet på dette stoffet) direkte, oppsto det ikke tvil om at det eksisterer og gjennomsyrer hele universet: det var klart at bølgen skulle forplante seg i et slags elastisk medium, analogt med sirkler fra en stein kastet på vannet: vannoverflaten ved punktet hvor steinen faller begynner å svinge, og siden den er elastisk, overføres svingningene til nabopunkter, fra dem til nabopunkter, og så på. Etter oppdagelsen av atomer og elektroner overrasket heller ikke eksistensen av fysiske objekter som ikke kan sees med de eksisterende instrumentene.

Et av de enkle spørsmålene som klassisk fysikk ikke kunne finne svar på var dette: blir eteren båret bort av kropper som beveger seg i den? På slutten av 1800-tallet viste noen eksperimenter overbevisende at eteren ble fullstendig revet med av bevegelige kropper, mens andre, og ikke mindre overbevisende, at den bare delvis ble båret bort.

Sirkler på vannet er ett eksempel på en bølge i et elastisk medium. Hvis den bevegelige kroppen ikke bærer eteren med seg, vil lyshastigheten i forhold til kroppen være summen av lyshastigheten i forhold til eteren og selve kroppens hastighet. Hvis den tar med seg eteren fullstendig (slik som skjer når man beveger seg i en viskøs væske), vil lyshastigheten i forhold til kroppen være lik lyshastigheten i forhold til eteren og vil ikke på noen måte avhenge av hastigheten til den. kroppen selv.

Den franske fysikeren Louis Fizeau viste i 1851 at eteren delvis blir ført bort av den bevegelige vannstrømmen. I en serie eksperimenter fra 1880-1887 bekreftet amerikanerne Albert Michelson og Edward Morley på den ene siden Fizeaus konklusjon med høyere nøyaktighet, og på den andre fant de ut at Jorden, som kretser rundt Solen, tar med seg fullstendig eteren med den, det vil si lysets hastighet på jorden er uavhengig av hvordan den beveger seg.

For å bestemme hvordan jorden beveger seg i forhold til eteren, konstruerte Michelson og Morley et spesielt instrument, et interferometer (se diagrammet nedenfor). Lyset fra kilden faller på den halvgjennomsiktige platen, hvorfra det delvis reflekteres i speilet 1 og delvis går over til speilet 2 (speilene er i samme avstand fra platen). Strålene som reflekteres fra speilene faller så igjen på den halvtransparente platen og kommer fra den sammen til detektoren, hvor det oppstår et interferensmønster.

Hvis jorden beveger seg i forhold til eteren, for eksempel i retning av speil 2, vil ikke lyshastigheten i horisontal og vertikal retning falle sammen, noe som bør føre til en faseforskyvning av bølgene som reflekteres fra forskjellige speil på detektor (for eksempel som vist i diagrammet, nederst til høyre). I realiteten ble det ikke observert noen forskyvning (se nederst til venstre).

Einstein mot Newton

I sine forsøk på å forstå eterens bevegelse og lysets utbredelse i den, måtte Lorentz og den franske matematikeren Henri Poincaré anta at dimensjonene til bevegelige legemer endrer seg i forhold til dimensjonene til stasjonære, og dessuten tid for bevegelige kropper flyter saktere. Det er vanskelig å forestille seg – og Lorentz behandlet disse antakelsene mer som et matematisk triks enn en fysisk effekt – men de tillot forsoning av mekanikk, elektromagnetisk lysteori og eksperimentelle data.

Einstein var i to artikler i 1905 i stand til, på grunnlag av disse intuitive betraktningene, å skape en sammenhengende teori der alle disse fantastiske effektene er en konsekvens av to postulater:

• lysets hastighet er konstant og avhenger ikke av hvordan kilden og mottakeren beveger seg (og er lik ca. 300 000 kilometer per sekund);
• for ethvert fysisk system virker fysiske lover på samme måte, uavhengig av om det beveger seg uten akselerasjon (i hvilken som helst hastighet) eller er i ro.

Og han utledet den mest kjente fysiske formelen - E = mc²! I tillegg, på grunn av det første postulatet, sluttet bevegelsen av eteren å virke, og Einstein forlot det ganske enkelt - lys kan forplante seg i tomhet.

Spesielt tidsutvidelseseffekten fører til det berømte "tvillingparadokset". Hvis en av de to tvillingene, Ivan, drar på et romskip til stjernene, og den andre, Peter, gjenstår å vente på ham på jorden, vil det etter hjemkomsten vise seg at Ivan har blitt mindre enn Peter siden tiden. hans raskt bevegelige romskip fløt saktere enn på jorden.

Denne effekten, så vel som andre forskjeller mellom relativitetsteorien og vanlig mekanikk, manifesterer seg bare med en enorm bevegelseshastighet, sammenlignbar med lysets hastighet, og derfor møter vi den aldri i hverdagen. For de vanlige hastighetene vi møtes med på jorden, er brøkdelen v / c (gjenkalling, c = 300 000 kilometer per sekund) veldig lite forskjellig fra null, og vi vender tilbake til den kjente og koselige verdenen av skolemekanikk.

Likevel må virkningene av relativitetsteorien tas i betraktning, for eksempel ved synkronisering av klokker på GPS-satellitter med terrestriske for nøyaktig drift av posisjoneringssystemet. I tillegg manifesteres effekten av tidsutvidelse i studiet av elementære partikler. Mange av dem er ustabile og blir andre i løpet av svært kort tid. Imidlertid beveger de seg vanligvis raskt, og på grunn av dette strekkes tiden før deres transformasjon fra observatørens synspunkt, noe som gjør det mulig å registrere og studere dem.

Den spesielle relativitetsteorien oppsto fra behovet for å forene den elektromagnetiske teorien om lys med mekanikken til raskt (og med konstant hastighet) bevegelige kropper. Etter å ha flyttet til Tyskland, fullførte Einstein sin generelle relativitetsteori (GTR), hvor han la tyngdekraft til elektromagnetiske og mekaniske fenomener. Det viste seg at gravitasjonsfeltet kan beskrives som deformasjon av en massiv kropp av rom og tid.

En av konsekvensene av generell relativitetsteori er krumningen av strålebanen når lys passerer nær en stor masse. Det første forsøket på eksperimentell verifisering av generell relativitet skulle finne sted sommeren 1914 da man observerte en solformørkelse på Krim. Imidlertid ble et team med tyske astronomer internert i forbindelse med krigens utbrudd. Dette reddet på en måte omdømmet til generell relativitet, fordi teorien i det øyeblikket inneholdt feil og ga en feilaktig prediksjon av strålens avbøyningsvinkel.

I 1919 kunne den engelske fysikeren Arthur Eddington, da han observerte en solformørkelse på Principe Island utenfor Afrikas vestkyst, bekrefte at lyset til en stjerne (det ble synlig på grunn av det faktum at solen ikke formørket det), som passerer solen, avviker nøyaktig i samme vinkel som forutsagt Einsteins ligninger.

Eddingtons oppdagelse gjorde Einstein til en superstjerne.

Den 7. november 1919, midt under fredskonferansen i Paris, da all oppmerksomhet så ut til å være rettet mot hvordan verden ville eksistere etter første verdenskrig, publiserte London-avisen The Times en lederartikkel: «A Revolution in Science: A Ny teori om universet, Newtons ideer er beseiret."

Reportere jaget Einstein overalt, plaget ham med forespørsler om å forklare relativitetsteorien i et nøtteskall, og salene der han holdt offentlige forelesninger var overfylte (samtidig, etter vurderingene fra hans samtidige, var Einstein ikke en veldig god foreleser; publikum forsto ikke essensen av foredraget, men kom likevel for å se kjendisen).

I 1921 dro Einstein, sammen med den engelske biokjemikeren og fremtidige presidenten i Israel, Chaim Weizmann, på en foredragsturné i USA for å samle inn midler til å støtte jødiske bosetninger i Palestina. Ifølge The New York Times, "Hvert sete ved Metropolitan Opera ble tatt, fra orkestergraven til siste rad i galleriet, hundrevis av mennesker sto i gangene."Avisens korrespondent understreket: «Einstein snakket tysk, men ivrig etter å se og høre en mann som kompletterte det vitenskapelige konseptet om universet med en ny teori om rom, tid og bevegelse, tok alle plassene i salen».

Til tross for suksessen med allmennheten, ble relativitetsteorien akseptert med store vanskeligheter i det vitenskapelige miljøet.

Fra 1910 til 1921 nominerte progressive kollegaer Einstein til Nobelprisen i fysikk ti ganger, men den konservative Nobelkomiteen nektet hver gang, med henvisning til at relativitetsteorien ennå ikke hadde fått tilstrekkelig eksperimentell bekreftelse.

Etter Eddingtons ekspedisjon begynte dette å føles mer og mer skandaløst, og i 1921, fortsatt ikke overbevist, tok medlemmene av komiteen en elegant beslutning - å tildele Einstein en pris, uten å nevne relativitetsteorien i det hele tatt, nemlig: For tjenester til teoretisk fysikk og spesielt for hans oppdagelse av loven om den fotoelektriske effekten”.

Arisk fysikk versus Einstein

Einsteins popularitet i Vesten vakte en smertefull reaksjon fra kolleger i Tyskland, som befant seg praktisk talt isolert etter det militante manifestet i 1914 og nederlaget i første verdenskrig. I 1921 var Einstein den eneste tyske vitenskapsmannen som mottok en invitasjon til World Solvay Physics Congress i Brussel (som han imidlertid ignorerte til fordel for en reise til USA med Weizmann).

På samme tid, til tross for ideologiske forskjeller, klarte Einstein å opprettholde vennlige forhold til de fleste av sine patriotiske kolleger. Men fra den ekstreme høyrefløyen av studenter og akademikere har Einstein fått et rykte som en forræder som fører tysk vitenskap på villspor.

En av representantene for denne fløyen var Philip Leonard. Til tross for at Lenard i 1905 mottok Nobelprisen i fysikk for den eksperimentelle studien av elektroner produsert av den fotoelektriske effekten, led han hele tiden på grunn av det faktum at hans bidrag til vitenskapen ikke var tilstrekkelig anerkjent.

Først lånte han i 1893 et utladningsrør av egen produksjon til Roentgen, og i 1895 oppdaget Roentgen at utladningsrørene sendte ut stråler som fortsatt var ukjent for vitenskapen. Lenard mente at oppdagelsen i det minste burde betraktes som felles, men all ære av oppdagelsen og Nobelprisen i fysikk i 1901 gikk til Roentgen alene. Lenard ble indignert og erklærte at han var strålenes mor, mens Roentgen bare var jordmor. Samtidig brukte tilsynelatende ikke Roentgen Lenard-røret i avgjørende eksperimenter.

Utladningsrøret som Lenard studerte elektroner i den fotoelektriske effekten med, og Roentgen oppdaget strålingen hans

Utladningsrøret som Lenard studerte elektroner i den fotoelektriske effekten med, og Roentgen oppdaget strålingen hans

For det andre ble Lenard dypt fornærmet av britisk fysikk. Han bestred prioriteringen av Thomsons oppdagelse av elektronet og anklaget den engelske forskeren for feilaktig å referere til arbeidet hans. Lenard laget en modell av atomet, som kan betraktes som forgjengeren til Rutherfords modell, men dette ble ikke riktig notert. Det er ikke overraskende at Lenard kalte britene en nasjon av leiesoldater og svikefulle handelsmenn, og tyskerne tvert imot en nasjon av helter, og etter utbruddet av første verdenskrig foreslo han å arrangere en intellektuell kontinental blokade av Storbritannia.

For det tredje var Einstein i stand til å teoretisk forklare den fotoelektriske effekten, og Lenard i 1913, selv før uenighetene knyttet til krigen, til og med anbefalte ham for et professorat. Men Nobelprisen for oppdagelsen av loven om den fotoelektriske effekten i 1921 ble gitt til Einstein alene.

De tidlige 1920-årene var generelt en vanskelig tid for Lenard. Han kolliderte med entusiastiske venstreorienterte studenter og ble offentlig ydmyket da han, etter attentatet på den liberale politikeren av jødisk opprinnelse og Tysklands utenriksminister Walter Rathenau, nektet å senke flagget på bygningen til instituttet sitt i Heidelberg.

Sparepengene hans, investert i statsgjeld, ble brent ut av inflasjon, og i 1922 døde hans eneste sønn av virkningene av underernæring under krigen. Lenard ble tilbøyelig til å tro at problemene i Tyskland (inkludert i tysk vitenskap) er et resultat av en jødisk konspirasjon.

En nær medarbeider av Lenard på dette tidspunktet var Johannes Stark, nobelprisvinneren i fysikk i 1919, som også var tilbøyelig til å skylde på jødenes innspill for sine egne feil. Etter krigen organiserte Stark, i opposisjon til det liberale Physics Society, det konservative "German Professional Community of University Teachers", ved hjelp av hvilket han forsøkte å kontrollere finansieringen av forskning og utnevnelser til vitenskapelige og lærerstillinger, men lyktes ikke.. Etter et mislykket forsvar av en doktorgradsstudent i 1922, erklærte Stark at han var omringet av beundrere av Einstein, og trakk seg som professor ved universitetet.

I 1924, seks måneder etter Beer Putsch, publiserte Grossdeutsche Zeitung en artikkel av Lenard og Stark, "Hitler's Spirit and Science." Forfatterne sammenlignet Hitler med slike vitenskapsgiganter som Galileo, Kepler, Newton og Faraday ("For en velsignelse at dette geni i kjødet bor blant oss!"), og roste også det ariske geniet og fordømte den korrumperende jødedommen.

I følge Lenard og Stark, i vitenskapen, manifesterte den skadelige jødiske innflytelsen seg i nye retninger av teoretisk fysikk - kvantemekanikk og relativitetsteorien, som krevde en avvisning av gamle konsepter og brukte et komplekst og ukjent matematisk apparat.

For eldre forskere, selv de så talentfulle som Lenard, var dette en utfordring som få var i stand til å akseptere.

Lenard kontrasterte «jødisk», det vil si teoretisk, fysikk med «arisk», altså eksperimentell, og krevde at tysk vitenskap skulle fokusere på sistnevnte. I forordet til læreboka «Tysk fysikk» skrev han: «Tysk fysikk? – vil folk spørre. Jeg kan også si arisk fysikk, eller de nordiske folks fysikk, sannhetssøkernes fysikk, fysikken til de som grunnla vitenskapelig forskning."

I lang tid forble den "ariske fysikken" til Lenard og Stark et marginalt fenomen, og fysikere av ulik opprinnelse var engasjert i teoretisk og eksperimentell forskning på høyeste nivå i Tyskland.

Alt endret seg da Adolf Hitler ble kansler i Tyskland i 1933. Einstein, som på den tiden var i USA, ga avkall på tysk statsborgerskap og medlemskap i Vitenskapsakademiet, og akademipresident Max Planck ønsket denne avgjørelsen velkommen: "Til tross for den dype kløften som deler våre politiske synspunkter, vil våre personlige vennskap alltid forbli uendret ", forsikret han at han er Einsteins personlige korrespondanse. Samtidig irriterte enkelte medlemmer av akademiet seg over at Einstein ikke var blitt demonstrativt utvist fra det.

Johannes Stark ble snart president for Institutt for fysikk og teknologi og det tyske forskningsselskapet. I løpet av det neste året forlot en fjerdedel av alle fysikere og halvparten av teoretiske fysikere Tyskland.