Hur Albert Einstein kämpade för europeisk fred och teoretisk fysik

2024 Författare: Malcolm Clapton | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 04:11

Om hur vetenskapen var tätt sammanflätad med politiken.

Allra i början av 1900-talet gjordes kolossala upptäckter inom fysiken, av vilka ett antal tillhörde Albert Einstein, skaparen av den allmänna relativitetsteorin.

Forskare var på gränsen till en helt ny syn på universum, vilket krävde intellektuellt mod, en vilja att fördjupa sig i teori och färdigheter i att hantera en komplex matematisk apparat. Utmaningen accepterades inte av alla och, som ibland händer, överlagrades vetenskapliga dispyter på politiska meningsskiljaktigheter som orsakades först av första världskriget, sedan av Hitlers tillträde till makten i Tyskland. Einstein var också en nyckelfigur kring vilken spjut bröts.

Einstein mot alla

Utbrottet av första världskriget åtföljdes av ett patriotiskt uppsving bland befolkningen i de deltagande staterna, inklusive vetenskapsmän.

I Tyskland 1914 publicerade 93 vetenskapsmän och kulturpersonligheter, inklusive Max Planck, Fritz Haber och Wilhelm Roentgen, ett manifest som uttryckte sitt fulla stöd för staten och det krig den utkämpar:”Vi, representanter för tysk vetenskap och konst, protesterar före hela kulturvärlden mot de lögner och förtal med vilka våra fiender försöker förorena Tysklands rättvisa sak i den hårda kamp för tillvaron som påtvingats henne. Utan tysk militarism skulle den tyska kulturen ha förstörts för länge sedan redan i början. Tysk militarism är en produkt av tysk kultur, och den föddes i ett land som, som inget annat land i världen, har utsatts för rovdjursangrepp i århundraden."

Ändå fanns det en tysk vetenskapsman som uttalade sig skarpt mot sådana idéer. Albert Einstein publicerade ett svarsmanifest "Till européerna" 1915: "Aldrig tidigare har krig stört samspelet mellan kulturer så mycket. Det är européernas plikt, utbildade och av god vilja, att inte låta Europa ge efter." Detta upprop, förutom Einstein själv, undertecknades dock av endast tre personer.

Einstein blev en tysk vetenskapsman ganska nyligen, även om han föddes i Tyskland. Han tog examen från skola och universitet i Schweiz, och efter det i nästan tio år vägrade olika universitet i Europa att anställa honom. Detta berodde delvis på det sätt på vilket Einstein närmade sig begäran om att överväga sin kandidatur.

Så, i ett brev till Paul Drude, skaparen av den elektroniska teorin om metaller, påpekade han först två fel i hans teori, och först då bad han om att bli anställd.

Som ett resultat var Einstein tvungen att få ett jobb på det schweiziska patentverket i Bern, och först i slutet av 1909 kunde han få en tjänst vid universitetet i Zürich. Och redan 1913 kom Max Planck själv, tillsammans med den blivande nobelpristagaren i kemi Walter Nernst, personligen till Zürich för att övertala Einstein att acceptera tyskt medborgarskap, flytta till Berlin och bli medlem av Preussiska vetenskapsakademin och direktör för institutet av fysik.

Einstein fann sitt arbete på patentverket häpnadsväckande produktivt ur vetenskaplig synvinkel. "När någon gick förbi lade jag mina anteckningar i en låda och låtsades att jag höll på med patentarbete", mindes han. Året 1905 gick till vetenskapens historia som annus mirabilis, "miraklens år".

I år publicerade tidskriften Annalen der Physik fyra artiklar av Einstein, där han teoretiskt kunde beskriva Brownsk rörelse, förklara, med hjälp av Planck-idén om ljuskvanta, fotoeffekten eller effekten av elektroner som flyr från en metall när den bestrålas med ljus (det var i ett sådant experiment som JJ Thomson upptäckte elektronen), och ger ett avgörande bidrag till skapandet av den speciella relativitetsteorin.

Ett fantastiskt sammanträffande: relativitetsteorin dök upp nästan samtidigt med kvantateorin och förändrade lika oväntat och oåterkalleligt fysikens grunder.

På 1800-talet var ljusets vågnatur fast etablerad, och forskare var intresserade av hur ämnet som dessa vågor utbreder sig i är ordnat.

Trots det faktum att ingen ännu har observerat etern (det här är namnet på detta ämne) direkt, uppstod inte tvivel om att den existerar och genomsyrar hela universum: det var tydligt att vågen skulle fortplanta sig i något slags elastiskt medium, i analogi med cirklar från en sten som kastas på vattnet: vattenytan när stenen faller börjar svänga, och eftersom den är elastisk överförs svängningarna till närliggande punkter, från dem till närliggande, och så på. Efter upptäckten av atomer och elektroner överraskade inte heller förekomsten av fysiska föremål som inte kan ses med de befintliga instrumenten någon.

En av de enkla frågorna som den klassiska fysiken inte kunde hitta ett svar på var denna: bärs etern bort av kroppar som rör sig i den? I slutet av 1800-talet visade vissa experiment på ett övertygande sätt att etern helt fördes bort av rörliga kroppar, medan andra, och inte mindre övertygande, att den bara delvis fördes bort.

Cirklar på vattnet är ett exempel på en våg i ett elastiskt medium. Om den rörliga kroppen inte bär med sig etern, kommer ljusets hastighet i förhållande till kroppen att vara summan av ljusets hastighet i förhållande till etern och själva kroppens hastighet. Om det helt drar in etern (som händer när man rör sig i en trögflytande vätska), så kommer ljusets hastighet i förhållande till kroppen att vara lika med ljusets hastighet i förhållande till etern och beror inte på något sätt på hastigheten hos kroppen själv.

Den franske fysikern Louis Fizeau visade 1851 att etern delvis förs bort av den rörliga vattenströmmen. I en serie experiment från 1880-1887 bekräftade amerikanerna Albert Michelson och Edward Morley å ena sidan Fizeaus slutsats med högre noggrannhet, och å andra sidan fick de reda på att jorden, som kretsar runt solen, helt drar med sig etern med den, det vill säga ljusets hastighet på jorden är oberoende av hur den rör sig.

För att avgöra hur jorden rör sig i förhållande till etern, konstruerade Michelson och Morley ett speciellt instrument, en interferometer (se diagram nedan). Ljuset från källan faller på den halvtransparenta plattan, varifrån det delvis reflekteras i spegeln 1 och delvis passerar till spegeln 2 (speglarna är på samma avstånd från plattan). Strålarna som reflekteras från speglarna faller sedan återigen på den halvtransparenta plattan och kommer från den tillsammans till detektorn, på vilken ett interferensmönster uppstår.

Om jorden rör sig i förhållande till etern, till exempel i riktning mot spegel 2, kommer ljusets hastighet i horisontella och vertikala riktningar inte att sammanfalla, vilket bör leda till en fasförskjutning av vågorna som reflekteras från olika speglar på detektor (till exempel som visas i diagrammet, längst ner till höger). I verkligheten observerades ingen förskjutning (se längst ner till vänster).

Einstein mot Newton

I sina försök att förstå eterns rörelse och ljusets utbredning i den, var Lorentz och den franske matematikern Henri Poincaré tvungna att anta att dimensionerna hos rörliga kroppar förändras i jämförelse med dimensionerna hos stationära, och dessutom tid för rörliga kroppar flyter långsammare. Det är svårt att föreställa sig - och Lorentz behandlade dessa antaganden mer som ett matematiskt trick än en fysisk effekt - men de möjliggjorde försoning av mekanik, elektromagnetisk teori om ljus och experimentella data.

Einstein kunde i två artiklar 1905, på grundval av dessa intuitiva överväganden, skapa en sammanhängande teori där alla dessa fantastiska effekter är en konsekvens av två postulat:

• ljusets hastighet är konstant och beror inte på hur källan och mottagaren rör sig (och är lika med cirka 300 000 kilometer per sekund);
• för alla fysiska system fungerar fysiska lagar på samma sätt, oavsett om det rör sig utan acceleration (i vilken hastighet som helst) eller är i vila.

Och han härledde den mest kända fysiska formeln - E = mc²! Dessutom, på grund av det första postulatet, upphörde eterns rörelse att vara materia, och Einstein övergav det helt enkelt - ljus kan fortplanta sig i tomhet.

Särskilt tidsutvidgningseffekten leder till den berömda "tvillingparadoxen". Om en av de två tvillingarna, Ivan, åker på ett rymdskepp till stjärnorna och den andra, Peter, återstår för att vänta på honom på jorden, kommer det efter hans återkomst att visa sig att Ivan har åldrats mindre än Peter sedan tiden. hans snabbrörliga rymdskepp flödade långsammare än på jorden.

Denna effekt, liksom andra skillnader mellan relativitetsteorin och vanlig mekanik, visar sig endast med en enorm rörelsehastighet, jämförbar med ljusets hastighet, och därför möter vi den aldrig i vardagen. För de vanliga hastigheterna som vi möts med på jorden skiljer sig bråkdelen v / c (återkallelse, c = 300 000 kilometer per sekund) mycket lite från noll, och vi återvänder till skolmekanikens välbekanta och mysiga värld.

Ändå måste effekterna av relativitetsteorin beaktas, till exempel vid synkronisering av klockor på GPS-satelliter med markbundna för noggrann drift av positioneringssystemet. Dessutom manifesteras effekten av tidsutvidgning i studiet av elementarpartiklar. Många av dem är instabila och förvandlas till andra inom mycket kort tid. De rör sig dock vanligtvis snabbt, och på grund av detta sträcks tiden innan deras förvandling ur observatörens synvinkel, vilket gör det möjligt att registrera och studera dem.

Den speciella relativitetsteorin uppstod ur behovet av att förena den elektromagnetiska teorin om ljus med mekaniken hos snabbt (och med konstant hastighet) rörliga kroppar. Efter att ha flyttat till Tyskland avslutade Einstein sin allmänna relativitetsteori (GTR), där han lade till gravitation till elektromagnetiska och mekaniska fenomen. Det visade sig att gravitationsfältet kan beskrivas som deformation av en massiv kropp av rum och tid.

En av konsekvenserna av allmän relativitet är krökningen av strålbanan när ljus passerar nära en stor massa. Det första försöket med experimentell verifiering av allmän relativitet skulle äga rum sommaren 1914 när man observerade en solförmörkelse på Krim. Ett team tyska astronomer internerades dock i samband med krigets utbrott. Detta räddade på sätt och vis ryktet om allmän relativitet, eftersom teorin i det ögonblicket innehöll fel och gav en felaktig förutsägelse av strålens avböjningsvinkel.

1919 kunde den engelske fysikern Arthur Eddington, när han observerade en solförmörkelse på Principe Island utanför Afrikas västkust, bekräfta att ljuset från en stjärna (det blev synligt på grund av att solen inte förmörkade det), som passerar förbi solen, avviker exakt i samma vinkel som förutspått Einsteins ekvationer.

Eddingtons upptäckt gjorde Einstein till en superstjärna.

Den 7 november 1919, mitt under fredskonferensen i Paris, när all uppmärksamhet verkade fokuseras på hur världen skulle existera efter första världskriget, publicerade Londontidningen The Times en ledare: "A Revolution in Science: A Ny teori om universum, Newtons idéer är besegrade."

Reportrar jagade Einstein överallt och plågade honom med förfrågningar om att förklara relativitetsteorin i ett nötskal, och salarna där han höll offentliga föreläsningar var överfulla (samtidigt, att döma av recensionerna från hans samtida, var Einstein inte en särskilt bra föreläsare; publiken förstod inte essensen av föreläsningen, men kom ändå för att se kändisen).

1921 åkte Einstein, tillsammans med den engelske biokemisten och blivande Israels president, Chaim Weizmann, på en föreläsningsturné i USA för att samla in pengar för att stödja judiska bosättningar i Palestina. Enligt The New York Times, "Varje plats på Metropolitan Opera togs, från orkesterhålet till sista raden i galleriet, hundratals människor stod i gångarna."Tidningens korrespondent betonade: "Einstein talade tyska, men ivrig efter att se och höra en man som kompletterade det vetenskapliga konceptet om universum med en ny teori om rum, tid och rörelse, tog alla platser i salen."

Trots framgångarna med allmänheten accepterades relativitetsteorin med stora svårigheter i det vetenskapliga samfundet.

Från 1910 till 1921 nominerade progressiva kollegor Einstein till Nobelpriset i fysik tio gånger, men den konservativa Nobelkommittén vägrade varje gång, med hänvisning till att relativitetsteorin ännu inte hade fått tillräcklig experimentell bekräftelse.

Efter Eddingtons expedition började detta kännas mer och mer skandalöst, och 1921, fortfarande inte övertygade, fattade medlemmarna i kommittén ett elegant beslut - att ge Einstein ett pris, utan att nämna relativitetsteorin alls, nämligen: För att tjänster till teoretisk fysik och särskilt för hans upptäckt av lagen om den fotoelektriska effekten”.

Arisk fysik kontra Einstein

Einsteins popularitet i väst väckte en smärtsam reaktion från kollegor i Tyskland, som befann sig praktiskt taget isolerade efter det militanta manifestet 1914 och nederlaget i första världskriget. 1921 var Einstein den ende tyska forskaren som fick en inbjudan till World Solvay Physics Congress i Bryssel (som han dock ignorerade till förmån för en resa till USA med Weizmann).

Samtidigt lyckades Einstein, trots ideologiska skillnader, upprätthålla vänskapliga relationer med de flesta av sina patriotiska kollegor. Men från den extrema högerflygeln av studenter och akademiker har Einstein skaffat sig ett rykte som en förrädare som leder tysk vetenskap vilse.

En av representanterna för denna flygel var Philip Leonard. Trots det faktum att Lenard 1905 fick Nobelpriset i fysik för den experimentella studien av elektroner som produceras av den fotoelektriska effekten, led han hela tiden på grund av att hans bidrag till vetenskapen inte var tillräckligt erkänd.

Först lånade han 1893 ett egentillverkat urladdningsrör till Roentgen, och 1895 upptäckte Roentgen att urladdningsrören avgav strålar som fortfarande var okända för vetenskapen. Lenard ansåg att upptäckten åtminstone borde betraktas som gemensam, men hela upptäcktens ära och Nobelpriset i fysik 1901 gick enbart till Röntgen. Lenard blev indignerad och förklarade att han var strålarnas mor, medan Röntgen bara var barnmorska. Samtidigt använde Roentgen tydligen inte Lenard-röret i avgörande experiment.

Urladdningsröret med vilket Lenard studerade elektroner i den fotoelektriska effekten, och Roentgen upptäckte sin strålning

Urladdningsröret med vilket Lenard studerade elektroner i den fotoelektriska effekten, och Roentgen upptäckte sin strålning

För det andra var Lenard djupt kränkt av brittisk fysik. Han bestred prioriteringen av Thomsons upptäckt av elektronen och anklagade den engelska vetenskapsmannen för att felaktigt hänvisa till hans arbete. Lenard skapade en modell av atomen, som kan betraktas som föregångaren till Rutherfords modell, men detta noterades inte ordentligt. Det är inte förvånande att Lenard kallade britterna en nation av legosoldater och bedrägliga handlare, och tyskarna, tvärtom, en nation av hjältar, och efter första världskrigets utbrott föreslog han att ordna en intellektuell kontinental blockad mot Storbritannien.

För det tredje kunde Einstein teoretiskt förklara den fotoelektriska effekten, och Lenard 1913, redan innan oenigheterna relaterade till kriget, rekommenderade honom till och med för en professur. Men Nobelpriset för upptäckten av lagen om den fotoelektriska effekten 1921 gavs bara till Einstein.

Det tidiga 1920-talet var i allmänhet en svår tid för Lenard. Han stötte ihop med entusiastiska vänsterstudenter och blev offentligt förödmjukad när han efter mordet på den liberala politikern av judiskt ursprung och Tysklands utrikesminister Walter Rathenau vägrade att sänka flaggan på byggnaden av sitt institut i Heidelberg.

Hans besparingar, investerade i statsskulder, brändes ut av inflationen, och 1922 dog hans ende son av effekterna av undernäring under kriget. Lenard blev benägen att tro att Tysklands problem (även i tysk vetenskap) är resultatet av en judisk konspiration.

En nära medarbetare till Lenard vid denna tidpunkt var Johannes Stark, 1919 års nobelpristagare i fysik, som också var benägen att skylla på judarnas intrig för sina egna misslyckanden. Efter kriget organiserade Stark, i opposition till det liberala fysiksällskapet, den konservativa "tyska yrkesgemenskapen för universitetslärare", med vars hjälp han försökte kontrollera finansieringen av forskning och tillsättningar till vetenskapliga och lärartjänster, men lyckades inte. Efter ett misslyckat försvar av en doktorand 1922, förklarade Stark att han var omgiven av beundrare av Einstein, och avgick som professor vid universitetet.

År 1924, sex månader efter Beer Putsch, publicerade Grossdeutsche Zeitung en artikel av Lenard och Stark, "Hitler's Spirit and Science". Författarna jämförde Hitler med sådana vetenskapsjättar som Galileo, Kepler, Newton och Faraday ("Vilken välsignelse att detta geni i köttet lever bland oss!"), och hyllade också det ariska geniet och fördömde den korrumperande judendomen.

Enligt Lenard och Stark, inom vetenskapen, manifesterade det skadliga judiska inflytandet sig i nya riktningar av teoretisk fysik - kvantmekaniken och relativitetsteorin, som krävde ett förkastande av gamla begrepp och använde en komplex och obekant matematisk apparat.

För äldre forskare, även de så begåvade som Lenard, var detta en utmaning som få kunde acceptera.

Lenard kontrasterade "judisk", det vill säga teoretisk, fysik med "arisk", det vill säga experimentell, och krävde att tysk vetenskap skulle fokusera på det senare. I förordet till läroboken "Tysk fysik" skrev han: "Tysk fysik? – kommer folk att fråga. Jag skulle också kunna säga arisk fysik, eller det nordiska folkets fysik, sanningssökarnas fysik, fysiken hos dem som grundade vetenskaplig forskning."

Lenards och Starks "ariska fysik" förblev under lång tid ett marginellt fenomen, och fysiker av olika ursprung var engagerade i teoretisk och experimentell forskning på högsta nivå i Tyskland.

Allt förändrades när Adolf Hitler blev förbundskansler i Tyskland 1933. Einstein, som vid den tiden befann sig i USA, avsade sig tyskt medborgarskap och medlemskap i Vetenskapsakademien, och akademins president Max Planck välkomnade detta beslut: "Trots den djupa klyftan som delar våra politiska åsikter kommer våra personliga vänskaper alltid att förbli oförändrade ", försäkrade han att han är Einsteins personliga korrespondens. Samtidigt irriterade sig en del medlemmar i akademin över att Einstein inte hade blivit demonstrativt utesluten från den.

Johannes Stark blev snart president för Institutet för fysik och teknik och det tyska forskningssällskapet. Under nästa år lämnade en fjärdedel av alla fysiker och hälften av de teoretiska fysikerna Tyskland.