Documentos do Annus Mirabilis - Annus Mirabilis papers

Einstein em 1904 ou 1905, sobre a época em que escreveu os Annus Mirabilis papéis

Os Annus mirabilis papéis (de Latin annus mirabilis , "ano milagroso") são os quatro papéis que Albert Einstein publicados em Annalen der Physik ( Annals of Physics ), uma revista científica , em 1905. Esses quatro papéis eram grandes contribuições para a fundação de física moderna . Eles revolucionaram a compreensão da ciência dos conceitos fundamentais de espaço , tempo , massa e energia . Como Einstein publicou esses notáveis ​​artigos em um único ano, 1905 é chamado de seu annus mirabilis ( ano milagroso em inglês ou Wunderjahr em alemão).

O primeiro artigo explicava o efeito fotoelétrico , que foi a única descoberta específica mencionada na citação que concedeu a Einstein o Prêmio Nobel de Física . O segundo artigo explicava o movimento browniano , que levou físicos relutantes a aceitar a existência de átomos . O terceiro artigo apresentou a teoria da relatividade especial de Einstein . O quarto, conseqüência da teoria da relatividade especial, desenvolveu o princípio da equivalência massa-energia , expresso na famosa equação e que levou à descoberta e ao uso da energia atômica . Esses quatro artigos, juntamente com a mecânica quântica e a posterior teoria da relatividade geral de Einstein , são a base da física moderna.

Fundo

O Einsteinhaus na Kramgasse em Berna, residência de Einstein na época. A maioria dos papéis foi escrita em seu apartamento no primeiro andar acima do nível da rua.

Na época em que os artigos foram escritos, Einstein não tinha acesso fácil a um conjunto completo de materiais de referência científica, embora lesse e contribuísse regularmente com revisões para Annalen der Physik . Além disso, eram poucos os colegas científicos disponíveis para discutir suas teorias . Ele trabalhou como examinador no Escritório de Patentes em Berna , Suíça, e mais tarde disse de um colega de trabalho lá, Michele Besso , que "não poderia ter encontrado uma caixa de ressonância melhor para minhas idéias em toda a Europa". Além disso, colegas de trabalho e outros membros da autodenominada " Academia Olympia " ( Maurice Solovine e Conrad Habicht ) e sua esposa, Mileva Marić , tiveram alguma influência no trabalho de Einstein, mas o quanto não está claro.

Por meio desses artigos, Einstein abordou algumas das questões e problemas mais importantes da física. Em 1900, Lord Kelvin , em uma palestra intitulada "Nuvens do Século XIX sobre a Teoria Dinâmica de Calor e Luz", sugeriu que a física não tinha explicações satisfatórias para os resultados do experimento de Michelson-Morley e para a radiação do corpo negro. Conforme apresentado, a relatividade especial forneceu uma explicação para os resultados dos experimentos de Michelson-Morley. A explicação de Einstein do efeito fotoelétrico ampliou a teoria quântica que Max Planck desenvolvera em sua explicação bem-sucedida da radiação do corpo negro.

Apesar da maior fama alcançada por seus outros trabalhos, como o da relatividade especial , foi seu trabalho sobre o efeito fotoelétrico que lhe rendeu o Prêmio Nobel em 1921. O comitê do Nobel esperou pacientemente pela confirmação experimental da relatividade especial; no entanto, nenhum estava disponível até os experimentos de dilatação do tempo de Ives e Stilwell (1938 e 1941) e Rossi e Hall (1941).

Papéis

Efeito fotoelétrico

O artigo "Sobre um ponto de vista heurístico sobre a produção e transformação da luz ", recebido em 18 de março e publicado em 9 de junho, propôs a ideia de quanta de energia . Esta ideia, motivada pela derivação anterior de Max Planck da lei da radiação do corpo negro , assume que a energia luminosa pode ser absorvida ou emitida apenas em quantidades discretas, chamadas quanta . Einstein afirma,

A energia, durante a propagação de um raio de luz, não é continuamente distribuída em espaços cada vez maiores, mas consiste em um número finito de quanta de energia localizados em pontos no espaço , movendo-se sem se dividir e podendo ser absorvidos ou gerados apenas como entidades .

Ao explicar o efeito fotoelétrico, a hipótese de que a energia consiste em pacotes discretos , como ilustra Einstein, também pode ser aplicada diretamente a corpos negros .

A ideia de quanta de luz em contradição com a teoria de ondas de luz que decorre naturalmente James Clerk Maxwell 's equações para electromagnética comportamento e, mais geralmente, a suposição de divisibilidade infinita de energia em sistemas físicos.

Existe uma profunda diferença formal entre os conceitos teóricos que os físicos formaram sobre gases e outros corpos ponderáveis ​​e a teoria de Maxwell dos processos eletromagnéticos no chamado espaço vazio. Embora consideremos o estado de um corpo completamente determinado pelas posições e velocidades de um número realmente muito grande, embora finito, de átomos e elétrons, fazemos uso de funções espaciais contínuas para determinar o estado eletromagnético de um volume do espaço, de modo que um número finito de quantidades não pode ser considerado suficiente para a determinação completa do estado eletromagnético do espaço.

... [isso] leva a contradições quando aplicado aos fenômenos de emissão e transformação da luz.

De acordo com a visão de que a luz incidente consiste em quanta de energia ..., a produção de raios catódicos pela luz pode ser concebida da seguinte maneira. A camada superficial do corpo é penetrada por quanta de energia, cuja energia é convertida, pelo menos parcialmente, em energia cinética dos elétrons. A concepção mais simples é que um quantum de luz transfere toda a sua energia para um único elétron ....

Einstein observou que o efeito fotoelétrico depende do comprimento de onda e, portanto, da frequência da luz. Em uma frequência muito baixa, mesmo a luz intensa não produzia elétrons. No entanto, uma vez que uma certa frequência foi alcançada, mesmo a luz de baixa intensidade produziu elétrons. Ele comparou isso a hipótese de Planck que a luz poderia ser emitida apenas em pacotes de energia dadas por hf , onde h é constante de Planck e f é a frequência. Ele então postulou que a luz viaja em pacotes cuja energia depende da frequência e, portanto, apenas a luz acima de uma certa frequência traria energia suficiente para liberar um elétron.

Mesmo depois que os experimentos confirmaram que as equações de Einstein para o efeito fotoelétrico eram precisas, sua explicação não foi universalmente aceita. Niels Bohr , em seu discurso no Nobel de 1922, afirmou: "A hipótese dos quanta-luz não é capaz de lançar luz sobre a natureza da radiação."

Em 1921, quando Einstein recebeu o Prêmio Nobel e seu trabalho sobre fotoeletricidade foi mencionado nominalmente na citação do prêmio, alguns físicos aceitaram que a equação ( ) estava correta e os quanta leves eram possíveis. Em 1923, Arthur Compton 's experimento de espalhamento de raios-X ajudou mais da comunidade científica para aceitar esta fórmula. A teoria dos quanta de luz era um forte indicador da dualidade onda-partícula , um princípio fundamental da mecânica quântica . Um quadro completo da teoria da fotoeletricidade foi realizado após a maturidade da mecânica quântica.

movimento browniano

O artigo " Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen " ("Sobre o movimento de pequenas partículas suspensas em um líquido estacionário, conforme exigido pela teoria cinética molecular do calor"), recebido em 11 de maio e publicado em 18 de julho, delineou um modelo estocástico do movimento browniano .

Neste artigo será mostrado que, de acordo com a teoria cinética molecular do calor, corpos de tamanho microscopicamente visível suspensos em líquidos devem, como resultado de movimentos moleculares térmicos, realizar movimentos de magnitudes tais que podem ser facilmente observados com um microscópio. É possível que os movimentos a serem discutidos aqui sejam idênticos ao chamado movimento molecular browniano; no entanto, os dados de que disponho sobre este último são tão imprecisos que não pude formar um juízo sobre a questão ...

Expressões derivadas de Einstein para o deslocamento quadrático médio de partículas. Usando a teoria cinética dos gases , que na época era polêmica, o artigo estabelecia que o fenômeno, que carecia de explicação satisfatória mesmo décadas depois de ter sido observado pela primeira vez, fornecia evidências empíricas para a realidade do átomo . Também deu crédito à mecânica estatística , que também era polêmica na época. Antes deste artigo, os átomos eram reconhecidos como um conceito útil, mas os físicos e químicos debatiam se os átomos eram entidades reais. A discussão estatística de Einstein sobre o comportamento atômico deu aos experimentalistas uma maneira de contar átomos olhando através de um microscópio comum. Wilhelm Ostwald , um dos líderes da escola anti-átomo, disse mais tarde a Arnold Sommerfeld que ele havia sido convencido da existência de átomos pelos subsequentes experimentos de movimento browniano de Jean Perrin .

Relatividade especial

Artigo de Einstein no alemão original, "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", Annalen der Physik , 26 de setembro de 1905.

O "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" ("Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento") de Einstein, seu terceiro artigo naquele ano, foi recebido em 30 de junho e publicado em 26 de setembro. Ele reconcilia as equações de Maxwell para eletricidade e magnetismo com as leis da mecânica, introduzindo mudanças na mecânica perto da velocidade da luz . Posteriormente, isso ficou conhecido como a teoria da relatividade especial de Einstein .

O artigo menciona os nomes de apenas cinco outros cientistas: Isaac Newton , James Clerk Maxwell , Heinrich Hertz , Christian Doppler e Hendrik Lorentz . Não contém nenhuma referência a outras publicações. Muitas das idéias já haviam sido publicadas por outros, conforme detalhado na história da relatividade especial e na disputa de prioridades da relatividade . No entanto, o artigo de Einstein apresenta uma teoria de tempo, distância, massa e energia que era consistente com o eletromagnetismo , mas omitia a força da gravidade .

Na época, sabia-se que as equações de Maxwell, quando aplicadas a corpos em movimento, levavam a assimetrias ( ímã em movimento e problema de condutor ), e que não havia sido possível descobrir qualquer movimento da Terra em relação ao 'meio leve' ( ou seja, éter) . Einstein apresenta dois postulados para explicar essas observações. Primeiro, ele aplica o princípio da relatividade , que afirma que as leis da física permanecem as mesmas para qualquer referencial não acelerado (chamado referencial inercial), às leis da eletrodinâmica e óptica , bem como da mecânica. No segundo postulado, Einstein propõe que a velocidade da luz tem o mesmo valor em todos os referenciais, independente do estado de movimento do corpo emissor.

A relatividade especial é, portanto, consistente com o resultado do experimento Michelson-Morley , que não detectou um meio de condutância (ou éter ) para ondas de luz, ao contrário de outras ondas conhecidas que requerem um meio (como água ou ar). Einstein pode não saber sobre esse experimento, mas afirma,

Exemplos desse tipo , junto com as tentativas malsucedidas de descobrir qualquer movimento da Terra em relação ao " meio leve ", sugerem que os fenômenos da eletrodinâmica , bem como da mecânica, não possuem propriedades correspondentes à ideia de repouso absoluto .

A velocidade da luz é fixa e, portanto, não relativa ao movimento do observador. Isso era impossível sob a mecânica clássica newtoniana . Einstein argumenta,

as mesmas leis da eletrodinâmica e da ótica serão válidas para todos os sistemas de referência para os quais as equações da mecânica são válidas . Iremos elevar esta conjectura (cujo significado doravante será chamado de "Princípio da Relatividade") ao status de um postulado , e também introduziremos outro postulado, que é apenas aparentemente irreconciliável com o anterior, a saber, que a luz é sempre propagada no espaço vazio com uma velocidade definida c que é independente do estado de movimento do corpo emissor. Esses dois postulados são suficientes para a obtenção de uma teoria simples e consistente da eletrodinâmica de corpos em movimento baseada na teoria de Maxwell para corpos estacionários. A introdução de um " éter luminífero " provará ser supérflua na medida em que a vista aqui a ser desenvolvida não exigirá um "espaço absolutamente estacionário" dotado de propriedades especiais, nem designará um vetor de velocidade a um ponto do espaço vazio em que ocorrem os processos eletromagnéticos. A teoria ... é baseada - como toda eletrodinâmica - na cinemática do corpo rígido , uma vez que as afirmações de qualquer teoria têm a ver com as relações entre corpos rígidos ( sistemas de coordenadas ), relógios e processos eletromagnéticos . A consideração insuficiente desta circunstância está na raiz das dificuldades que a eletrodinâmica dos corpos em movimento atualmente encontra.

Já havia sido proposto, por George FitzGerald em 1889 e por Lorentz em 1892, independentemente um do outro, que o resultado de Michelson-Morley poderia ser contabilizado se os corpos em movimento fossem contraídos na direção de seu movimento. Algumas das principais equações do artigo, as transformadas de Lorentz , foram publicadas por Joseph Larmor (1897, 1900), Hendrik Lorentz (1895, 1899, 1904) e Henri Poincaré (1905), em um desenvolvimento do artigo de 1904 de Lorentz. A apresentação de Einstein diferia das explicações dadas por FitzGerald, Larmor e Lorentz, mas era semelhante em muitos aspectos à formulação de Poincaré (1905).

Sua explicação surge de dois axiomas. A primeira é a ideia de Galileu de que as leis da natureza deveriam ser as mesmas para todos os observadores que se movem com velocidade constante em relação uns aos outros. Einstein escreve,

As leis pelas quais os estados dos sistemas físicos sofrem mudanças não são afetadas, sejam essas mudanças de estado relacionadas a um ou a outro dos dois sistemas de coordenadas em movimento translatório uniforme.

O segundo axioma é a regra de que a velocidade da luz é a mesma para todos os observadores.

Qualquer raio de luz se move no sistema "estacionário" de coordenadas com a velocidade determinada c , seja o raio emitido por um corpo estacionário ou em movimento.

A teoria, agora chamada de teoria da relatividade especial , a distingue de sua posterior teoria da relatividade geral , que considera todos os observadores como equivalentes. A relatividade especial ganhou ampla aceitação com notável rapidez, confirmando o comentário de Einstein de que estava "madura para ser descoberta" em 1905. Reconhecendo o papel de Max Planck na disseminação inicial de suas ideias, Einstein escreveu em 1913 "A atenção que essa teoria recebeu tão rapidamente de colegas deve ser atribuída em grande parte à determinação e cordialidade com que ele [Planck] interveio em favor dessa teoria ". Além disso, a formulação matemática aprimorada da teoria por Hermann Minkowski em 1907 foi influente em ganhar aceitação para a teoria. Além disso, e mais importante, a teoria foi apoiada por um corpo cada vez maior de evidências experimentais confirmatórias.

Equivalência massa-energia

Em 21 de novembro, Annalen der Physik publicou um quarto artigo (recebido em 27 de setembro) "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?" ("A inércia de um corpo depende de seu conteúdo energético?"), Em que Einstein deduziu o que é indiscutivelmente a mais famosa de todas as equações: E  =  mc 2 .

Einstein considerou a equação de equivalência de suma importância porque mostrou que uma partícula massiva possui uma energia, a "energia de repouso", distinta de suas energias cinética e potencial clássicas . O artigo é baseado nas investigações de James Clerk Maxwell e Heinrich Rudolf Hertz e, além disso, nos axiomas da relatividade, como afirma Einstein,

Os resultados da investigação anterior conduzem a uma conclusão muito interessante, que aqui pode ser deduzida.

A investigação anterior foi baseada "nas equações de Maxwell-Hertz para o espaço vazio , junto com a expressão Maxwelliana para a energia eletromagnética do espaço ..."

As leis pelas quais os estados dos sistemas físicos se alteram são independentes da alternativa, à qual de dois sistemas de coordenadas, em movimento uniforme de translação paralela em relação ao outro, essas alterações de estado se referem (princípio da relatividade).

A equação estabelece que a energia de um corpo em repouso ( E ) é igual a sua massa ( m ) vezes a velocidade da luz ( c ) ao quadrado, ou E  =  mc 2 .

Se um corpo emite energia L na forma de radiação, sua massa diminui em L / c 2 . O fato de que a energia retirada do corpo se torna energia de radiação, evidentemente, não faz diferença, de modo que somos levados à conclusão mais geral de que

A massa de um corpo é uma medida de seu conteúdo de energia; se a energia muda em L , a massa muda no mesmo sentido em L / (9 × 10 20 ) , a energia sendo medida em ergs e a massa em gramas.

...

Se a teoria corresponder aos fatos, a radiação veicula inércia entre os corpos emissores e absorvedores.

A relação massa-energia pode ser usada para prever quanta energia será liberada ou consumida por reações nucleares ; simplesmente mede-se a massa de todos os constituintes e a massa de todos os produtos e multiplica a diferença entre os dois por c 2 . O resultado mostra quanta energia será liberada ou consumida, geralmente na forma de luz ou calor. Quando aplicada a certas reações nucleares, a equação mostra que uma quantidade extraordinariamente grande de energia será liberada, milhões de vezes mais do que na combustão de explosivos químicos , onde a quantidade de massa convertida em energia é desprezível. Isso explica por que as armas nucleares e os reatores nucleares produzem quantidades fenomenais de energia, pois liberam energia de ligação durante a fissão nuclear e a fusão nuclear , e convertem uma parte da massa subatômica em energia.

Comemoração

A União Internacional de Física Pura e Aplicada ( IUPAP ) resolveu comemorar o 100º ano da publicação da extensa obra de Einstein em 1905 como o Ano Mundial da Física 2005 . Isso foi posteriormente endossado pelas Nações Unidas .

Referências

Citações

Fontes primárias

Fontes secundárias

links externos