Kako se Albert Ajnštajn borio za evropski mir i teorijska fizika

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 03:49

O tome kako je nauka bila usko isprepletena sa politikom.

Na samom početku dvadesetog veka u fizici su napravljena kolosalna otkrića, od kojih je jedan broj pripadao Albertu Ajnštajnu, tvorcu opšte teorije relativnosti.

Naučnici su bili na pragu potpuno novog pogleda na Univerzum, što im je zahtijevalo intelektualnu hrabrost, spremnost da se urone u teoriju i vještine rada sa složenim matematičkim aparatom. Izazov nisu svi prihvatili i, kao što se ponekad dešava, naučni sporovi su se nadovezali na političke razlike izazvane prvo Prvim svetskim ratom, a zatim Hitlerovim dolaskom na vlast u Nemačkoj. Ajnštajn je takođe bio ključna figura oko koje su se lomila koplja.

Ajnštajn protiv svih

Izbijanje Prvog svetskog rata bilo je praćeno patriotskim usponom među stanovništvom država učesnica, uključujući i naučnike.

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

Ipak, postojao je njemački naučnik koji je oštro govorio protiv takvih ideja. Albert Ajnštajn je 1915. objavio manifest odgovora „Evropljanima”: „Nikad ranije rat nije toliko poremetio interakciju kultura. Dužnost je Evropljana, obrazovanih i dobre volje, da ne dopuste da Evropa podlegne.” Međutim, ovaj apel su, pored samog Ajnštajna, potpisale samo tri osobe.

Ajnštajn je nedavno postao nemački naučnik, iako je rođen u Nemačkoj. Završio je školu i fakultet u Švajcarskoj, a nakon toga su skoro deset godina razni univerziteti u Evropi odbijali da ga zaposle. To je dijelom bilo zbog načina na koji je Ajnštajn pristupio zahtjevu za razmatranje njegove kandidature.

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

Kao rezultat toga, Ajnštajn je morao da se zaposli u švajcarskom zavodu za patente u Bernu, a tek na samom kraju 1909. godine uspeo je da dobije poziciju na Univerzitetu u Cirihu. I već 1913. sam Max Planck, zajedno sa budućim nobelovcem za hemiju Walterom Nernstom, lično je došao u Cirih da ubijedi Ajnštajna da prihvati njemačko državljanstvo, preseli se u Berlin i postane član Pruske akademije nauka i direktor Instituta. of Physics.

Ajnštajn je smatrao da je njegov rad u patentnom zavodu zapanjujuće produktivan sa naučne tačke gledišta. “Kada bi neko prolazio, stavio bih svoje bilješke u fioku i pretvarao se da radim patente”, prisjetio se. Godina 1905. ušla je u istoriju nauke kao annus mirabilis, "godina čuda".

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

Nevjerovatna koincidencija: teorija relativnosti se pojavila gotovo istovremeno s teorijom kvanta i jednako neočekivano i nepovratno promijenila temelje fizike.

U 19. veku, talasna priroda svetlosti je čvrsto uspostavljena, a naučnike je zanimalo kako je raspoređena supstanca u kojoj se ti talasi šire.

Uprkos činjenici da još niko nije direktno posmatrao etar (ovo je ime ove supstance), sumnje da on postoji i da prožima ceo Univerzum nisu se pojavile: bilo je jasno da se talas treba širiti u nekoj vrsti elastičnog medija, po analogiji sa krugovima iz kamena bačenog na vodu: površina vode na mestu pada kamena počinje da osciluje, a pošto je elastična, oscilacije se prenose na susedne tačke, sa njih na susedne, i tako on. Nakon otkrića atoma i elektrona, nikog nije iznenadilo postojanje fizičkih objekata koji se ne mogu vidjeti postojećim instrumentima.

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

Krugovi na vodi su jedan primjer vala u elastičnom mediju. Ako tijelo koje se kreće ne nosi etar, tada će brzina svjetlosti u odnosu na tijelo biti zbir brzine svjetlosti u odnosu na eter i brzine samog tijela. Ako potpuno zahvati eter (kao što se dešava 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 telo.

Francuski fizičar Louis Fizeau je 1851. godine pokazao da se etar djelomično odnosi pokretnim mlazom vode. U nizu eksperimenata od 1880-1887, Amerikanci Albert Michelson i Edward Morley, s jedne strane, potvrdili su Fizeauov zaključak s većom preciznošću, as druge su otkrili da se Zemlja, okrećući se oko Sunca, potpuno zanosi eter sa njim, odnosno brzina svetlosti na Zemlji je nezavisna od toga kako se kreće.

Da 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 djelimično reflektuje u ogledalu 1, a djelimično prelazi u ogledalo 2 (ogledala su na istoj udaljenosti od ploče). Zrake koje se reflektuju od ogledala zatim ponovo padaju na poluprozirnu ploču i iz nje zajedno stižu do detektora, na kojem nastaje interferentni obrazac.

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

Einstein protiv Newtona

U svojim pokušajima da shvate kretanje etra i širenje svjetlosti u njemu, Lorentz i francuski matematičar Henri Poincaré morali su pretpostaviti da se dimenzije pokretnih tijela mijenjaju u poređenju s dimenzijama stacionarnih, i, osim toga, vrijeme za tijela koja se kreću teče sporije. Teško je zamisliti - a Lorentz je ove pretpostavke tretirao više kao matematički trik nego fizički efekat - ali su one omogućile pomirenje mehanike, elektromagnetske teorije svjetlosti i eksperimentalnih podataka.

Ajnštajn je, u dva članka iz 1905. godine, uspeo, na osnovu ovih intuitivnih razmatranja, da stvori koherentnu teoriju u kojoj su svi ovi neverovatni efekti posledica dva postulata:

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

I izveo je najpoznatiju fizičku formulu - E = mc²! Osim toga, zbog prvog postulata, kretanje etra je prestalo da bude bitno, a Ajnštajn ga je jednostavno napustio - svjetlost se može širiti u praznini.

Efekat vremenske dilatacije, posebno, dovodi do čuvenog "paradoksa blizanaca". Ako jedan od dva blizanca, Ivan, ode svemirskim brodom do zvijezda, a drugi, Peter, ostane da ga čeka na Zemlji, onda će se nakon njegovog povratka ispostaviti da je Ivan ostario manje od Petra, od vremena pa nadalje. njegov svemirski brod koji se brzo kretao sporije je kretao nego na Zemlji.

Ovaj efekat, kao i druge razlike između teorije relativnosti i obične mehanike, ispoljava se samo pri ogromnoj brzini kretanja, koja je uporediva sa brzinom svetlosti, pa ga stoga nikada ne susrećemo u svakodnevnom životu. Za uobičajene brzine s kojima se susrećemo na Zemlji, razlomak v/c (podsjetimo, c = 300.000 kilometara u sekundi) se vrlo malo razlikuje od nule, i vraćamo se u poznati i ugodan svijet školske mehanike.

Ipak, efekti teorije relativnosti moraju se uzeti u obzir, na primjer, prilikom sinhronizacije satova na GPS satelitima sa zemaljskim za precizan rad sistema pozicioniranja. Pored toga, efekat dilatacije vremena se manifestuje u proučavanju elementarnih čestica. Mnogi od njih su nestabilni i pretvaraju se u druge za vrlo kratko vrijeme. Međutim, obično se kreću brzo, pa je zbog toga vrijeme prije njihove transformacije sa stanovišta posmatrača rastegnuto, što omogućava njihovo registrovanje i proučavanje.

Specijalna teorija relativnosti proizašla je iz potrebe da se pomiri elektromagnetna teorija svjetlosti sa mehanikom brzo (i sa konstantnom brzinom) tijela koja se kreću. Nakon preseljenja u Njemačku, Ajnštajn je završio svoju opštu teoriju relativnosti (GTR), gde je dodao gravitaciju elektromagnetnim i mehaničkim fenomenima. Pokazalo se da se gravitaciono 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 verifikacije opšte teorije relativnosti trebalo je da se desi u leto 1914. kada se posmatra pomračenje Sunca na Krimu. Međutim, tim njemačkih astronoma je interniran u vezi s izbijanjem rata. To je, na neki način, spasilo reputaciju opšte teorije relativnosti, jer je u tom trenutku teorija sadržavala greške i davala je netačno predviđanje ugla skretanja zraka.

Godine 1919., engleski fizičar Arthur Eddington, kada je promatrao pomračenje Sunca na ostrvu Principe kod zapadne obale Afrike, uspio je potvrditi da svjetlost zvijezde (postala je vidljiva zbog činjenice da je Sunce nije pomračilo), prolazeći pored Sunca, odstupa tačno pod istim uglom kao i predviđene Ajnštajnove jednačine.

Edingtonovo otkriće učinilo je Ajnštajna superzvijezdom.

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

Novinari su svuda jurili Ajnštajna, gnjavili ga molbama da ukratko objasni teoriju relativnosti, a sale u kojima je držao javna predavanja bile su pretrpane (istovremeno, sudeći po recenzijama savremenika, Ajnštajn nije bio baš dobar predavač; publika nije shvatila suštinu predavanja, ali je ipak došla da vidi slavnu ličnost).

Godine 1921. Ajnštajn je, zajedno sa engleskim biohemičarem i budućim predsednikom Izraela, Chaimom Weizmanom, otišao na predavanje po Sjedinjenim Državama kako bi prikupio sredstva za podršku jevrejskim naseljima u Palestini. Prema The New York Timesu, "Svako mjesto u Metropoliten operi je zauzeto, od orkestarske jame do posljednjeg reda galerije, stotine ljudi je stajalo u prolazima."Dopisnik lista je naglasio: "Ajnštajn je govorio nemački, ali željan da vidi i čuje čoveka koji je dopunio naučni koncept univerzuma novom teorijom prostora, vremena i kretanja, zauzeo je sva mesta u sali."

Uprkos uspehu u široj javnosti, teorija relativnosti je teško prihvaćena u naučnoj zajednici.

Od 1910. do 1921. progresivno nastrojene kolege nominovale su Einsteina za Nobelovu nagradu za fiziku deset puta, ali je konzervativni Nobelov komitet svaki put to odbio, navodeći činjenicu da teorija relativnosti još nije dobila dovoljno eksperimentalne potvrde.

Nakon Eddingtonove ekspedicije, to je postalo sve skandaloznije i 1921. godine, još uvijek neuvjereni, članovi komiteta su donijeli elegantnu odluku - da Ajnštajnu dodijele nagradu, ne pominjući uopće teoriju relativnosti, naime: „Za zasluge teorijskoj fizici i, posebno, za njegovo otkriće zakona fotoelektričnog efekta”.

Arijevska fizika protiv Ajnštajna

Ajnštajnova popularnost na Zapadu izazvala je bolnu reakciju kolega u Nemačkoj, koji su se posle militantnog manifesta 1914. i poraza u Prvom svetskom ratu našli praktično izolovani. Godine 1921. Ajnštajn je bio jedini nemački naučnik koji je dobio pozivnicu na Svetski Solvejev kongres fizike u Briselu (koju je on, međutim, ignorisao u korist putovanja u Sjedinjene Države sa Weizmanom).

Istovremeno, uprkos ideološkim razlikama, Ajnštajn je uspeo da održi prijateljske odnose sa većinom svojih patriotskih kolega. Ali od ekstremno desnog krila studenata i akademika, Ajnštajn je stekao reputaciju izdajnika koji vodi nemačku nauku krivim putem.

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, on je cijelo vrijeme patio zbog činjenice da njegov doprinos nauci nije bio dovoljno priznat.

Prvo je 1893. godine posudio Roentgenu cijev za pražnjenje vlastite proizvodnje, a 1895. Roentgen je otkrio da cijevi za pražnjenje emituju zrake koje su još uvijek bile nepoznate nauci. Lenard je vjerovao da bi otkriće barem trebalo smatrati zajedničkim, ali sva slava otkrića i Nobelove nagrade za fiziku 1901. pripala je samo Rentgenu. Lenard je bio ogorčen i izjavio da je on majka zraka, dok je Rentgen bila samo babica. U isto vrijeme, očigledno, Roentgen nije koristio Lenardovu cijev u odlučujućim eksperimentima.

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

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

Drugo, Lenard je bio duboko uvrijeđen britanskom fizikom. On je osporio prioritet Tomsonovog otkrića elektrona i optužio engleskog naučnika da se pogrešno poziva na njegov rad. Lenard je stvorio model atoma, koji se može smatrati prethodnikom Rutherfordovog modela, ali to nije pravilno zabilježeno. Nije iznenađujuće što je Lenard Britance nazvao nacijom plaćenika i lažnih trgovaca, a Nijemce, naprotiv, nacijom heroja, a nakon izbijanja Prvog svjetskog rata predložio je organiziranje intelektualne kontinentalne blokade Velike Britanije..

Treće, Ajnštajn je mogao teoretski da objasni fotoelektrični efekat, a Lenard ga je 1913. godine, čak i pre nesuglasica vezanih za rat, čak preporučio za profesora. Ali Nobelovu nagradu za otkriće zakona fotoelektričnog efekta 1921. dobio je samo Ajnštajn.

Početkom 1920-ih bilo je općenito teško vrijeme za Lenarda. Sukobio se sa oduševljenim studentima ljevičarima i bio javno ponižen kada je nakon ubistva liberalnog političara jevrejskog porijekla i njemačkog ministra vanjskih poslova Waltera Rathenaua odbio spustiti zastavu na zgradi svog instituta u Hajdelbergu.

Njegovu ušteđevinu, uloženu u državni dug, izgorjela je inflacija, a 1922. godine njegov jedini sin je umro od posljedica neuhranjenosti tokom rata. Lenard je postao sklon da misli da su problemi Njemačke (uključujući i njemačku nauku) rezultat jevrejske zavjere.

Lenardov bliski saradnik u to vreme bio je Johanes Stark, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1919. godine, takođe sklon da za svoje neuspehe okrivi mahinacije Jevreja. Nakon rata, Stark je, nasuprot liberalnom Društvu za fiziku, organizirao konzervativnu "Njemačku profesionalnu zajednicu univerzitetskih nastavnika", uz pomoć koje je pokušavao kontrolisati finansiranje istraživanja i imenovanja na naučna i nastavna mjesta, ali nije uspio.. Nakon neuspješne odbrane postdiplomca 1922., Stark je izjavio da je okružen obožavateljima Ajnštajna i dao ostavku na mjesto profesora na univerzitetu.

Godine 1924, šest mjeseci nakon pivskog puča, Grossdeutsche Zeitung je objavio članak Lenarda i Starka, "Hitlerov duh i nauka". Autori su upoređivali Hitlera sa gigantima nauke kao što su Galileo, Kepler, Newton i Faraday ("Kakav je blagoslov što ovaj genije u telu živi među nama!"), a takođe su pohvalili arijevskog genija i osudili kvareći judaizam.

Prema Lenardu i Starku, u nauci se pogubni jevrejski uticaj manifestovao u novim pravcima teorijske fizike - kvantnoj mehanici i teoriji relativnosti, koje su zahtevale odbacivanje starih koncepata i koristile složen i nepoznat matematički aparat.

Za starije naučnike, čak i one talentovane kao što je Lenard, ovo je bio izazov koji je malo ko mogao da prihvati.

Lenard je suprotstavio "židovsku", odnosno teorijsku, fiziku "arijevskoj", odnosno eksperimentalnoj, i zahtijevao da se njemačka nauka fokusira na ovo drugo. U predgovoru udžbenika „Nemačka fizika“napisao je: „Nemačka fizika? - pitaće ljudi. Mogao bih reći i arijevsku fiziku, ili fiziku nordijskih naroda, fiziku tražitelja istine, fiziku onih koji su osnovali naučna istraživanja."

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

Sve se promijenilo kada je Adolf Hitler postao njemački kancelar 1933. Ajnštajn, koji je u to vreme boravio u Sjedinjenim Državama, odrekao se nemačkog državljanstva i članstva u Akademiji nauka, a predsednik Akademije Maks Plank pozdravio je ovu odluku: „Uprkos dubokom ponoru koji deli naše političke stavove, naša lična prijateljstva će uvek ostati nepromenjena “, uvjeravao je da je to Ajnštajnova lična prepiska. Istovremeno, pojedini članovi akademije bili su iznervirani što Ajnštajn nije demonstrativno izbačen iz nje.

Johannes Stark je ubrzo postao predsjednik Instituta za fiziku i tehnologiju i Njemačkog istraživačkog društva. Tokom naredne godine, četvrtina svih fizičara i polovina fizičara teoretičara napustila je Njemačku.