Ako Albert Einstein bojoval za európsky mier a teoretickú fyziku

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 04:09

O tom, ako bola veda úzko prepojená s politikou.

Na samom začiatku dvadsiateho storočia sa vo fyzike uskutočnili kolosálne objavy, z ktorých mnohé patrili Albertovi Einsteinovi, tvorcovi všeobecnej teórie relativity.

Vedci boli na pokraji úplne nového pohľadu na Vesmír, ktorý od nich vyžadoval intelektuálnu odvahu, ochotu ponoriť sa do teórie a zručnosti pri práci so zložitým matematickým aparátom. Túto výzvu neprijali všetci, a ako sa niekedy stáva, vedecké spory sa prekrývali s politickými rozdielmi spôsobenými najskôr prvou svetovou vojnou a potom nástupom Hitlera k moci v Nemecku. Einstein bol tiež kľúčovou postavou, okolo ktorej sa lámali oštepy.

Einstein proti všetkým

Vypuknutie prvej svetovej vojny sprevádzal vlastenecký vzostup medzi obyvateľstvom zúčastnených štátov vrátane vedcov.

V Nemecku v roku 1914 93 vedcov a kultúrnych osobností vrátane Maxa Plancka, Fritza Habera a Wilhelma Roentgena zverejnilo manifest, v ktorom vyjadrili svoju plnú podporu štátu a vojne, ktorú vedie: „My, predstavitelia nemeckej vedy a umenia, protestujeme pred celý kultúrny svet proti klamstvám a ohováraniu, ktorými sa naši nepriatelia snažia znečistiť spravodlivú vec Nemecka v tvrdom boji o existenciu, ktorý jej bol uvalený. Bez nemeckého militarizmu by bola nemecká kultúra zničená už dávno pri svojom vzniku. Nemecký militarizmus je produktom nemeckej kultúry a zrodil sa v krajine, ktorá ako žiadna iná krajina na svete bola po stáročia vystavená predátorským nájazdom.

Napriek tomu sa našiel nemecký vedec, ktorý ostro vystúpil proti takýmto myšlienkam. Albert Einstein zverejnil v roku 1915 manifest odpovede „Európanom“: „Nikdy predtým vojna tak nenarušila interakciu kultúr. Je povinnosťou Európanov, vzdelaných a dobrej vôle, nenechať Európu podľahnúť. Túto výzvu však okrem samotného Einsteina podpísali len traja ľudia.

Einstein sa stal nemeckým vedcom pomerne nedávno, hoci sa narodil v Nemecku. Vyštudoval školu a univerzitu vo Švajčiarsku a potom ho takmer desať rokov rôzne univerzity v Európe odmietali zamestnať. Čiastočne to bolo spôsobené spôsobom, akým Einstein pristupoval k žiadosti zvážiť svoju kandidatúru.

Takže v liste Paulovi Drudeovi, tvorcovi elektronickej teórie kovov, najprv poukázal na dve chyby obsiahnuté v jeho teórii a až potom požiadal o prijatie do zamestnania.

V dôsledku toho sa Einstein musel zamestnať na švajčiarskom patentovom úrade v Berne a až na samom konci roku 1909 sa mu podarilo získať miesto na univerzite v Zürichu. A už v roku 1913 sám Max Planck spolu s budúcim laureátom Nobelovej ceny za chémiu Walterom Nernstom osobne prišli do Zürichu presvedčiť Einsteina, aby prijal nemecké občianstvo, presťahoval sa do Berlína a stal sa členom Pruskej akadémie vied a riaditeľom inštitútu. fyziky.

Einstein považoval svoju prácu na patentovom úrade za úžasne produktívnu z vedeckého hľadiska. „Keď niekto prešiel okolo, dal som svoje poznámky do zásuvky a predstieral som, že robím patentovú prácu,“spomínal. Rok 1905 sa zapísal do dejín vedy ako annus mirabilis, „rok zázrakov“.

Tento rok publikoval časopis Annalen der Physik štyri články od Einsteina, v ktorých dokázal teoreticky opísať Brownov pohyb, vysvetliť pomocou Planckovej predstavy o svetelných kvantách fotoefekt alebo efekt elektrónov unikajúcich z kovu pri je ožiarený svetlom (v takomto experimente objavil elektrón JJ Thomson) a rozhodujúcim spôsobom prispel k vytvoreniu špeciálnej teórie relativity.

Úžasná zhoda okolností: teória relativity sa objavila takmer súčasne s teóriou kvánt a rovnako nečakane a neodvolateľne zmenila základy fyziky.

V 19. storočí sa pevne ustálila vlnová podstata svetla a vedcov zaujímalo, ako je usporiadaná látka, v ktorej sa tieto vlny šíria.

Napriek tomu, že éter (tak sa táto látka volá) ešte nikto priamo nepozoroval, pochybnosti o jeho existencii a preniknutí do celého Vesmíru nevznikli: bolo jasné, že vlna sa má šíriť v nejakom elastickom prostredí, analogicky s kruhmi z kameňa hodeného na vodu: vodná hladina v bode pádu kameňa sa začne kývať, a keďže je elastická, oscilácie sa prenášajú do susedných bodov, z nich do susedných, atď. na. Po objavení atómov a elektrónov nikoho neprekvapila ani existencia fyzikálnych objektov, ktoré sa s existujúcimi prístrojmi nedajú vidieť.

Jedna z jednoduchých otázok, na ktorú klasická fyzika nevedela nájsť odpoveď, bola táto: je éter unášaný telesami, ktoré sa v ňom pohybujú? Koncom 19. storočia niektoré experimenty presvedčivo ukázali, že éter pohybujúce sa telesá úplne uniesli, iné, a nemenej presvedčivo, že len čiastočne.

Kruhy na vode sú jedným z príkladov vlny v elastickom médiu. Ak pohybujúce sa teleso neunáša éter, potom rýchlosť svetla vzhľadom na telo bude súčtom rýchlosti svetla vzhľadom k éteru a rýchlosti samotného tela. Ak úplne strhne éter (ako sa to stáva pri pohybe vo viskóznej kvapaline), potom sa rýchlosť svetla vzhľadom na telo bude rovnať rýchlosti svetla vzhľadom na éter a nebude nijako závisieť od rýchlosti samotné telo.

Francúzsky fyzik Louis Fizeau v roku 1851 ukázal, že éter je čiastočne unášaný pohybujúcim sa prúdom vody. V sérii experimentov z rokov 1880-1887 Američania Albert Michelson a Edward Morley na jednej strane potvrdili Fizeauov záver s vyššou presnosťou a na druhej strane zistili, že Zem obiehajúca okolo Slnka úplne strháva éter s ním, teda rýchlosť svetla na Zemi je nezávislá od toho, ako sa pohybuje.

Na určenie toho, ako sa Zem pohybuje vo vzťahu k éteru, Michelson a Morley skonštruovali špeciálny prístroj, interferometer (pozri obrázok nižšie). Svetlo zo zdroja dopadá na polopriepustnú dosku, odkiaľ sa čiastočne odráža v zrkadle 1 a čiastočne prechádza do zrkadla 2 (zrkadlá sú v rovnakej vzdialenosti od dosky). Lúče odrazené od zrkadiel potom opäť dopadajú na polopriepustnú dosku a z nej sa spoločne dostávajú k detektoru, na ktorom vzniká interferenčný obrazec.

Ak sa Zem pohybuje relatívne k éteru, napríklad v smere zrkadla 2, potom sa rýchlosť svetla v horizontálnom a vertikálnom smere nezhoduje, čo by malo viesť k fázovému posunu vĺn odrazených od rôznych zrkadiel na detektor (napríklad ako je znázornené na obrázku vpravo dole). V skutočnosti nebol pozorovaný žiadny posun (pozri vľavo dole).

Einstein vs. Newton

Pri pokusoch pochopiť pohyb éteru a šírenie svetla v ňom museli Lorentz a francúzsky matematik Henri Poincaré vychádzať z toho, že rozmery pohybujúcich sa telies sa menia v porovnaní s rozmermi stacionárnych a navyše čas pohybujúce sa telesá prúdi pomalšie. Je ťažké si to predstaviť - a Lorentz s týmito predpokladmi zaobchádzal skôr ako s matematickým trikom ako s fyzikálnym efektom - ale umožnili zosúladiť mechaniku, elektromagnetickú teóriu svetla a experimentálne údaje.

Einstein v dvoch článkoch z roku 1905 dokázal na základe týchto intuitívnych úvah vytvoriť koherentnú teóriu, v ktorej sú všetky tieto úžasné efekty dôsledkom dvoch postulátov:

• rýchlosť svetla je konštantná a nezávisí od toho, ako sa zdroj a prijímač pohybujú (a rovná sa asi 300 000 kilometrov za sekundu);
• pre každý fyzikálny systém pôsobia fyzikálne zákony rovnako, bez ohľadu na to, či sa pohybuje bez zrýchlenia (akoukoľvek rýchlosťou) alebo je v pokoji.

A odvodil najznámejší fyzikálny vzorec - E = mc²! Navyše kvôli prvému postulátu prestal mať pohyb éteru význam a Einstein ho jednoducho opustil – svetlo sa môže šíriť prázdnotou.

Najmä efekt dilatácie času vedie k slávnemu „paradoxu dvojčiat“. Ak sa jedno z dvoch dvojčiat, Ivan, vydá na vesmírnej lodi ku hviezdam a druhé, Peter, naňho ostane čakať na Zemi, potom sa po jeho návrate ukáže, že Ivan zostarol menej ako Peter, od jeho rýchlo sa pohybujúca vesmírna loď prúdila pomalšie.než na Zemi.

Tento efekt, ako aj ďalšie rozdiely medzi teóriou relativity a bežnou mechanikou, sa prejavuje až pri ohromnej rýchlosti pohybu, porovnateľnej s rýchlosťou svetla, a preto sa s ním v bežnom živote nikdy nestretávame. Pre zvyčajné rýchlosti, s ktorými sa stretávame na Zemi, sa zlomok v / c (vybavenie, c = 300 000 kilometrov za sekundu) len veľmi málo líši od nuly a vraciame sa do známeho a útulného sveta školskej mechaniky.

Napriek tomu treba brať do úvahy efekty teórie relativity napríklad pri synchronizácii hodín na GPS satelitoch s pozemskými pre presné fungovanie systému určovania polohy. Okrem toho sa pri štúdiu elementárnych častíc prejavuje efekt dilatácie času. Mnohé z nich sú nestabilné a vo veľmi krátkom čase sa menia na iné. Väčšinou sa však pohybujú rýchlo a vďaka tomu sa naťahuje čas pred ich premenou z pohľadu pozorovateľa, čo umožňuje ich registráciu a štúdium.

Špeciálna teória relativity vznikla z potreby zosúladiť elektromagnetickú teóriu svetla s mechanikou rýchlo (a konštantnou rýchlosťou) sa pohybujúcich telies. Po presťahovaní do Nemecka dokončil Einstein svoju všeobecnú teóriu relativity (GTR), kde k elektromagnetickým a mechanickým javom pridal gravitáciu. Ukázalo sa, že gravitačné pole možno opísať ako deformáciu masívnym telesom priestoru a času.

Jedným z dôsledkov všeobecnej teórie relativity je zakrivenie trajektórie lúča pri prechode svetla blízko veľkej hmoty. Prvý pokus o experimentálne overenie všeobecnej teórie relativity sa mal uskutočniť v lete 1914 pri pozorovaní zatmenia Slnka na Kryme. V súvislosti s vypuknutím vojny bol však internovaný tím nemeckých astronómov. To v istom zmysle zachránilo povesť všeobecnej teórie relativity, pretože v tom momente teória obsahovala chyby a dávala nesprávnu predpoveď uhla vychýlenia lúča.

V roku 1919 anglický fyzik Arthur Eddington pri pozorovaní zatmenia Slnka na ostrove Principe pri západnom pobreží Afriky dokázal potvrdiť, že svetlo hviezdy (zviditeľnila sa vďaka tomu, že ju nezatmilo Slnko), prechádzajúci okolo Slnka, sa odchyľuje presne pod rovnakým uhlom ako predpovedané Einsteinove rovnice.

Eddingtonov objav urobil z Einsteina superstar.

7. novembra 1919, uprostred Parížskej mierovej konferencie, keď sa všetka pozornosť sústredila na to, ako bude svet existovať po prvej svetovej vojne, londýnske noviny The Times uverejnili úvodník: „Revolúcia vo vede: A Nová teória vesmíru, Newtonove myšlienky sú porazené."

Reportéri všade prenasledovali Einsteina, otravovali ho žiadosťami o vysvetlenie teórie relativity v skratke a sály, v ktorých mal verejné prednášky, boli preplnené (v tom istom čase, súdiac podľa recenzií jeho súčasníkov, Einstein nebol veľmi dobrý lektor Publikum nepochopilo podstatu prednášky, no aj tak sa prišlo pozrieť na celebritu).

V roku 1921 sa Einstein spolu s anglickým biochemikom a budúcim prezidentom Izraela Chaimom Weizmannom vybrali na prednáškové turné po Spojených štátoch, aby získali prostriedky na podporu židovských osád v Palestíne. Podľa denníka The New York Times bolo „každé miesto v Metropolitnej opere obsadené, od orchestrálnej jamy až po posledný rad galérie, stovky ľudí stáli v uličkách.“Korešpondent novín zdôraznil: "Einstein hovoril po nemecky, ale dychtivý vidieť a počuť muža, ktorý doplnil vedecký koncept vesmíru o novú teóriu priestoru, času a pohybu, zaujal všetky miesta v sále."

Napriek úspechu u širokej verejnosti bola teória relativity vo vedeckej komunite prijímaná len veľmi ťažko.

V rokoch 1910 až 1921 progresívne zmýšľajúci kolegovia desaťkrát nominovali Einsteina na Nobelovu cenu za fyziku, no konzervatívny Nobelov výbor to zakaždým odmietol s odvolaním sa na skutočnosť, že teória relativity ešte nezískala dostatočné experimentálne potvrdenie.

Po Eddingtonovej expedícii to začalo byť čoraz škandalóznejšie a v roku 1921, stále nepresvedčení, členovia výboru urobili elegantné rozhodnutie - udeliť Einsteinovi cenu, pričom vôbec nespomenuli teóriu relativity, a to: „Za zásluhy o teoretickú fyziku a najmä za objav zákona o fotoelektrickom jave“.

Árijská fyzika verzus Einstein

Einsteinova popularita na Západe vyvolala bolestivú reakciu kolegov v Nemecku, ktorí sa po militantnom manifeste z roku 1914 a porážke v prvej svetovej vojne ocitli prakticky izolovaní. V roku 1921 bol Einstein jediným nemeckým vedcom, ktorý dostal pozvanie na Svetový kongres fyziky Solvay do Bruselu (ktoré však ignoroval v prospech cesty s Weizmannom do USA).

Zároveň sa Einsteinovi napriek ideologickým rozdielom podarilo udržiavať priateľské vzťahy s väčšinou svojich vlasteneckých kolegov. Ale od extrémnej pravice vysokoškolákov a akademikov si Einstein získal povesť zradcu, ktorý zvádza nemeckú vedu na scestie.

Jedným z predstaviteľov tohto krídla bol Philip Leonard. Napriek tomu, že v roku 1905 Lenard dostal Nobelovu cenu za fyziku za experimentálne štúdium elektrónov produkovaných fotoelektrickým javom, celý čas trpel tým, že jeho prínos pre vedu nebol dostatočne uznaný.

Najprv v roku 1893 zapožičal Roentgenovi výbojku vlastnej výroby av roku 1895 Roentgen zistil, že výbojky vyžarujú lúče, ktoré veda ešte nepoznala. Lenard veril, že objav by sa mal považovať prinajmenšom za spoločný, ale všetka sláva objavu a Nobelova cena za fyziku v roku 1901 pripadla iba Roentgenovi. Lenard bol rozhorčený a vyhlásil, že on je matkou lúčov, kým Roentgen je len pôrodná asistentka. Zároveň sa zdá, že Roentgen nepoužil Lenardovu trubicu v rozhodujúcich experimentoch.

Výbojka, s ktorou Lenard študoval elektróny vo fotoelektrickom jave, a Roentgen objavil jeho žiarenie

Výbojka, s ktorou Lenard študoval elektróny vo fotoelektrickom jave, a Roentgen objavil jeho žiarenie

Po druhé, Lenarda hlboko urazila britská fyzika. Spochybnil prioritu Thomsonovho objavu elektrónu a obvinil anglického vedca, že sa nesprávne odvolával na jeho prácu. Lenard vytvoril model atómu, ktorý možno považovať za predchodcu Rutherfordovho modelu, čo však nebolo náležite zaznamenané. Nie je prekvapujúce, že Lenard nazval Britov národom žoldnierov a podvodných obchodníkov a Nemcov naopak národom hrdinov a po vypuknutí prvej svetovej vojny navrhol usporiadať intelektuálnu kontinentálnu blokádu Veľkej Británie..

Po tretie, Einstein dokázal teoreticky vysvetliť fotoelektrický jav a Lenard ho v roku 1913, ešte pred nezhodami súvisiacimi s vojnou, dokonca odporučil na profesúru. Ale Nobelovu cenu za objav zákona o fotoelektrickom jave v roku 1921 dostal len Einstein.

Začiatok 20. rokov bol pre Lenarda vo všeobecnosti ťažkým obdobím. Stretol sa s nadšenými ľavicovými študentmi a bol verejne potupený, keď po atentáte na liberálneho politika židovského pôvodu a nemeckého ministra zahraničia Waltera Rathenaua odmietol spustiť zástavu na budove svojho inštitútu v Heidelbergu.

Jeho úspory, investované do štátneho dlhu, spálila inflácia a v roku 1922 zomrel jeho jediný syn na následky podvýživy počas vojny. Lenard sa priklonil k názoru, že problémy Nemecka (vrátane nemeckej vedy) sú výsledkom židovského sprisahania.

Lenardovým blízkym spolupracovníkom bol v tom čase Johannes Stark, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1919, ktorý mal tiež sklon viniť machinácie Židov za svoje vlastné zlyhania. Po vojne Stark v opozícii voči liberálnej fyzikálnej spoločnosti zorganizoval konzervatívnu „Nemeckú odbornú komunitu vysokoškolských učiteľov“, pomocou ktorej sa snažil kontrolovať financovanie výskumu a menovanie do vedeckých a pedagogických funkcií, no nepodarilo sa mu to.. Po neúspešnej obhajobe postgraduálneho študenta v roku 1922 Stark vyhlásil, že je obklopený obdivovateľmi Einsteina, a vzdal sa postu profesora na univerzite.

V roku 1924, šesť mesiacov po Pivnom puči, Grossdeutsche Zeitung uverejnil článok Lenarda a Starka „Hitlerov duch a veda“. Autori porovnávali Hitlera s takými gigantmi vedy ako Galileo, Kepler, Newton a Faraday ("Aké požehnanie, že tento génius v tele žije medzi nami!"), A tiež chválili árijského génia a odsudzovali kaziaci judaizmus.

Podľa Lenarda a Starka sa vo vede zhubný židovský vplyv prejavil v nových smeroch teoretickej fyziky – kvantovej mechanike a teórii relativity, ktoré si vyžadovali odmietnutie starých konceptov a používali zložitý a neznámy matematický aparát.

Pre starších vedcov, dokonca aj takých talentovaných ako Lenard, to bola výzva, ktorú málokto dokázal prijať.

Lenard postavil „židovskú“, teda teoretickú fyziku do protikladu k „árijskej“, teda experimentálnej, a požadoval, aby sa nemecká veda zamerala na to druhé. V predslove k učebnici „Nemecká fyzika“napísal: „Nemecká fyzika? - budú sa pýtať ľudia. Mohol by som povedať aj árijskú fyziku alebo fyziku severských ľudí, fyziku hľadačov pravdy, fyziku tých, ktorí založili vedecký výskum."

„Árijská fyzika“Lenarda a Starka zostala dlho okrajovým fenoménom a fyzici rôzneho pôvodu sa v Nemecku venovali teoretickému a experimentálnemu výskumu najvyššej úrovne.

Všetko sa zmenilo, keď sa v roku 1933 stal kancelárom Nemecka Adolf Hitler. Einstein, ktorý bol v tom čase v Spojených štátoch, sa vzdal nemeckého občianstva a členstva v Akadémii vied a prezident Akadémie Max Planck toto rozhodnutie privítal: „Napriek hlbokej priepasti, ktorá rozdeľuje naše politické názory, naše osobné priateľstvá zostanú vždy nezmenené. “uistil, že ide o Einsteinovu osobnú korešpondenciu. Niektorým členom akadémie zároveň vadilo, že Einsteina z nej demonštratívne nevylúčili.

Johannes Stark sa čoskoro stal prezidentom Ústavu fyziky a technológie a Nemeckej výskumnej spoločnosti. V priebehu budúceho roka Nemecko opustila štvrtina všetkých fyzikov a polovica teoretických fyzikov.