Jak Albert Einstein walczył o europejski pokój i fizykę teoretyczną

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 04:07

O tym, jak nauka była ściśle spleciona z polityką.

Na samym początku XX wieku dokonano w fizyce kolosalnych odkryć, z których wiele należało do Alberta Einsteina, twórcy ogólnej teorii względności.

Naukowcy stanęli u progu zupełnie nowego spojrzenia na Wszechświat, które wymagało od nich odwagi intelektualnej, chęci zagłębienia się w teorię i umiejętności radzenia sobie ze skomplikowanym aparatem matematycznym. Wyzwanie to nie zostało przyjęte przez wszystkich i, jak to się czasem zdarza, spory naukowe nakładały się na różnice polityczne spowodowane najpierw I wojną światową, a potem dojściem Hitlera do władzy w Niemczech. Einstein był również kluczową postacią, wokół której łamały się włócznie.

Einstein przeciwko wszystkim

Wybuchowi I wojny światowej towarzyszył zryw patriotyczny wśród ludności uczestniczących państw, w tym naukowców.

W Niemczech w 1914 roku 93 naukowców i postaci kultury, w tym Max Planck, Fritz Haber i Wilhelm Roentgen, opublikowało manifest wyrażający pełne poparcie dla państwa i prowadzonej przez nie wojny: „My, przedstawiciele niemieckiej nauki i sztuki, protestujemy przed cały świat kultury przeciwko kłamstwom i oszczerstwom, którymi nasi wrogowie usiłują kalać słuszną sprawę Niemiec w narzuconej im ciężkiej walce o byt. Bez niemieckiego militaryzmu kultura niemiecka zostałaby zniszczona już dawno na samym początku. Militaryzm niemiecki jest wytworem kultury niemieckiej, a narodził się w kraju, który jak żaden inny kraj na świecie przez wieki był poddawany drapieżnym najazdom.”

Niemniej jednak był niemiecki naukowiec, który ostro wypowiadał się przeciwko takim pomysłom. Albert Einstein opublikował w 1915 r. manifest odpowiedzi „Do Europejczyków”: „Nigdy wcześniej wojna tak nie zakłóciła interakcji kultur. Obowiązkiem wykształconych i dobrej woli Europejczyków jest nie dopuścić do upadku Europy.” Jednak ten apel, oprócz samego Einsteina, podpisały tylko trzy osoby.

Einstein został niemieckim naukowcem całkiem niedawno, chociaż urodził się w Niemczech. Ukończył szkołę i uniwersytet w Szwajcarii, a potem przez prawie dziesięć lat różne uniwersytety w Europie odmawiały mu zatrudnienia. Częściowo wynikało to ze sposobu, w jaki Einstein podszedł do prośby o rozważenie jego kandydatury.

Tak więc w liście do Paula Drude, twórcy elektronicznej teorii metali, najpierw zwrócił uwagę na dwa błędy zawarte w jego teorii, a dopiero potem poprosił o zatrudnienie.

W rezultacie Einstein musiał dostać pracę w szwajcarskim urzędzie patentowym w Bernie i dopiero pod koniec 1909 roku mógł dostać posadę na Uniwersytecie w Zurychu. A już w 1913 roku sam Max Planck wraz z przyszłym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii Walterem Nernstem osobiście przyjechali do Zurychu, aby przekonać Einsteina do przyjęcia obywatelstwa niemieckiego, przeniesienia się do Berlina i zostania członkiem Pruskiej Akademii Nauk i dyrektorem Instytutu Fizyki.

Einstein uznał swoją pracę w urzędzie patentowym za zdumiewająco produktywną z naukowego punktu widzenia. „Kiedy ktoś przechodził obok, chowałem swoje notatki do szuflady i udawałem, że pracuję nad patentami” – wspominał. Rok 1905 przeszedł do historii nauki jako annus mirabilis, „rok cudów”.

W tym roku czasopismo Annalen der Physik opublikowało cztery artykuły Einsteina, w których był w stanie teoretycznie opisać ruchy Browna, wyjaśnić, wykorzystując ideę Plancka kwantów światła, efekt fotoelektryczny, czyli efekt ucieczki elektronów z metalu, gdy jest napromieniowany światłem (w takim eksperymencie JJ Thomson odkrył elektron) i ma decydujący wkład w powstanie szczególnej teorii względności.

Zadziwiający zbieg okoliczności: teoria względności pojawiła się niemal równocześnie z teorią kwantów i równie nieoczekiwanie i nieodwołalnie zmieniła podstawy fizyki.

W XIX wieku falowa natura światła została mocno ugruntowana, a naukowcy byli zainteresowani tym, jak ułożona jest substancja, w której te fale się rozchodzą.

Pomimo tego, że nikt jeszcze bezpośrednio nie zaobserwował eteru (tak nazywa się ta substancja), nie pojawiły się wątpliwości, że istnieje i przenika cały Wszechświat: było jasne, że fala powinna się rozchodzić w jakimś elastycznym ośrodku, przez analogię do kręgów z kamienia rzuconego na wodę: powierzchnia wody w miejscu upadku kamienia zaczyna oscylować, a ponieważ jest sprężysta, oscylacje są przenoszone na sąsiednie punkty, z nich na sąsiednie, i tak na. Po odkryciu atomów i elektronów istnienie obiektów fizycznych, których nie można zobaczyć za pomocą istniejących instrumentów, również nikogo nie dziwiło.

Jedno z prostych pytań, na które fizyka klasyczna nie mogła znaleźć odpowiedzi, brzmiało: czy eter jest unoszony przez poruszające się w nim ciała? Pod koniec XIX wieku niektóre eksperymenty w przekonujący sposób wykazały, że eter został całkowicie uniesiony przez poruszające się ciała, podczas gdy inne, nie mniej przekonująco, że został uniesiony tylko częściowo.

Kręgi na wodzie to jeden z przykładów fali w ośrodku elastycznym. Jeżeli poruszające się ciało nie unosi eteru, to prędkość światła względem ciała będzie sumą prędkości światła względem eteru i prędkości samego ciała. Jeśli całkowicie porywa eter (jak to ma miejsce podczas poruszania się w lepkiej cieczy), to prędkość światła względem ciała będzie równa prędkości światła względem eteru i nie będzie w żaden sposób zależeć od prędkości samo ciało.

Francuski fizyk Louis Fizeau wykazał w 1851 roku, że eter jest częściowo unoszony przez poruszający się strumień wody. W serii eksperymentów z lat 1880-1887 Amerykanie Albert Michelson i Edward Morley z jednej strony potwierdzili wniosek Fizeau z większą dokładnością, a z drugiej odkryli, że Ziemia, krążąc wokół Słońca, całkowicie porywa. eter z nim, to znaczy prędkość światła na Ziemi jest niezależna od tego, jak się porusza.

Aby określić, jak Ziemia porusza się w stosunku do eteru, Michelson i Morley skonstruowali specjalny instrument, interferometr (patrz diagram poniżej). Światło ze źródła pada na półprzezroczystą płytkę, skąd częściowo odbija się w lustrze 1, a częściowo przechodzi do zwierciadła 2 (lusterka znajdują się w tej samej odległości od płyty). Promienie odbite od luster ponownie padają na półprzezroczystą płytkę i razem docierają do detektora, na którym powstaje wzór interferencyjny.

Jeżeli Ziemia porusza się względem eteru, na przykład w kierunku lustra 2, to prędkość światła w kierunku poziomym i pionowym nie będzie się pokrywać, co powinno doprowadzić do przesunięcia fazowego fal odbitych od różnych luster na detektor (na przykład, jak pokazano na schemacie w prawym dolnym rogu). W rzeczywistości nie zaobserwowano przemieszczenia (patrz na dole po lewej).

Einstein kontra Newton

W swoich próbach zrozumienia ruchu eteru i rozchodzenia się w nim światła Lorentz i francuski matematyk Henri Poincaré musieli założyć, że wymiary ciał poruszających się zmieniają się w porównaniu z wymiarami ciał nieruchomych, a ponadto czas na poruszające się ciała płyną wolniej. Trudno to sobie wyobrazić - a Lorentz potraktował te założenia bardziej jak sztuczkę matematyczną niż efekt fizyczny - ale pozwoliły na pogodzenie mechaniki, elektromagnetycznej teorii światła i danych eksperymentalnych.

Einstein w dwóch artykułach z 1905 roku był w stanie, na podstawie tych intuicyjnych rozważań, stworzyć spójną teorię, w której wszystkie te niesamowite efekty są konsekwencją dwóch postulatów:

• prędkość światła jest stała i nie zależy od ruchu źródła i odbiornika (i wynosi około 300 000 kilometrów na sekundę);
• dla każdego układu fizycznego prawa fizyczne działają w ten sam sposób, niezależnie od tego, czy porusza się bez przyspieszenia (z dowolną prędkością), czy jest w spoczynku.

I wyprowadził najsłynniejszy wzór fizyczny - E = mc²! Ponadto, z powodu pierwszego postulatu, ruch eteru przestał mieć znaczenie, a Einstein po prostu go porzucił - światło może rozchodzić się w pustce.

W szczególności efekt dylatacji czasu prowadzi do słynnego „paradoksu bliźniąt”. Jeśli jeden z dwóch bliźniaków, Iwan, leci statkiem kosmicznym do gwiazd, a drugi, Piotr, pozostaje, by na niego czekać na Ziemi, to po jego powrocie okaże się, że Iwan postarzał się mniej od Piotra od tamtego czasu jego szybko poruszający się statek kosmiczny płynął wolniej niż na Ziemi.

Efekt ten, podobnie jak inne różnice między teorią względności a zwykłą mechaniką, objawia się tylko przy ogromnej prędkości ruchu, porównywalnej z prędkością światła, a zatem nigdy nie spotykamy się z nim w życiu codziennym. Dla zwykłych prędkości, z jakimi spotykamy się na Ziemi, ułamek v / c (przypomnijmy, c = 300 000 kilometrów na sekundę) niewiele różni się od zera i wracamy do znanego i przytulnego świata mechaniki szkolnej.

Niemniej jednak efekty teorii względności muszą być brane pod uwagę np. podczas synchronizacji zegarów na satelitach GPS z naziemnymi dla dokładnego działania systemu pozycjonowania. Ponadto efekt dylatacji czasu przejawia się w badaniu cząstek elementarnych. Wiele z nich jest niestabilnych i w bardzo krótkim czasie zmienia się w inne. Zwykle jednak poruszają się szybko, przez co wydłuża się czas do ich przekształcenia z punktu widzenia obserwatora, co umożliwia ich rejestrację i badanie.

Szczególna teoria względności powstała z potrzeby pogodzenia elektromagnetycznej teorii światła z mechaniką szybko (i ze stałą prędkością) poruszających się ciał. Po przeprowadzce do Niemiec Einstein ukończył swoją ogólną teorię względności (GTR), w której dodał grawitację do zjawisk elektromagnetycznych i mechanicznych. Okazało się, że pole grawitacyjne można opisać jako deformację masywnego ciała czasoprzestrzeni.

Jedną z konsekwencji ogólnej teorii względności jest krzywizna trajektorii promienia, gdy światło przechodzi w pobliżu dużej masy. Pierwsza próba eksperymentalnej weryfikacji ogólnej teorii względności miała mieć miejsce latem 1914 roku podczas obserwacji zaćmienia Słońca na Krymie. Jednak zespół niemieckich astronomów został internowany w związku z wybuchem wojny. To w pewnym sensie uratowało reputację ogólnej teorii względności, ponieważ w tamtym momencie teoria zawierała błędy i dawała błędną prognozę kąta ugięcia wiązki.

W 1919 r. angielski fizyk Arthur Eddington, obserwując zaćmienie Słońca na wyspie Principe u zachodniego wybrzeża Afryki, był w stanie potwierdzić, że światło gwiazdy (stało się widoczne dzięki temu, że Słońce jej nie zaćmiło), przechodząc obok Słońca, odchyla się dokładnie pod tym samym kątem, co przewidywane równania Einsteina.

Odkrycie Eddingtona uczyniło Einsteina supergwiazdą.

7 listopada 1919 r., w środku paryskiej konferencji pokojowej, kiedy cała uwaga wydawała się być skupiona na tym, jak świat będzie istniał po pierwszej wojnie światowej, londyńska gazeta The Times opublikowała artykuł wstępny: „Rewolucja w nauce: A Nowa Teoria Wszechświata, idee Newtona zostają pokonane.”

Reporterzy wszędzie gonili Einsteina, dokuczając mu prośbami o wyjaśnienie teorii względności w pigułce, a sale, w których wygłaszał publiczne wykłady, były przepełnione (jednocześnie, sądząc po recenzjach współczesnych, Einstein nie był zbyt dobrym wykładowcą publiczność nie zrozumiała istoty wykładu, ale i tak przyjechała zobaczyć celebrytę).

W 1921 Einstein wraz z angielskim biochemikiem i przyszłym prezydentem Izraela Chaimem Weizmannem udał się z wykładami do Stanów Zjednoczonych, aby zebrać fundusze na wsparcie żydowskich osiedli w Palestynie. Według The New York Times „Każde miejsce w Metropolitan Opera zostało zajęte, od orkiestry do ostatniego rzędu galerii, w przejściach stały setki ludzi”. Korespondent gazety podkreślił: „Einstein mówił po niemiecku, ale chętny, aby zobaczyć i usłyszeć człowieka, który uzupełnił naukową koncepcję Wszechświata o nową teorię przestrzeni, czasu i ruchu, zajął wszystkie miejsca w sali”.

Pomimo sukcesu w opinii publicznej, teoria względności została przyjęta z wielkim trudem w środowisku naukowym.

Od 1910 do 1921 postępowi koledzy dziesięciokrotnie nominowali Einsteina do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, ale konserwatywny Komitet Nobla za każdym razem odmawiał, powołując się na fakt, że teoria względności nie otrzymała jeszcze wystarczającego potwierdzenia doświadczalnego.

Po wyprawie Eddingtona zaczęło to być coraz bardziej skandaliczne, a w 1921 r., wciąż nieprzekonani, członkowie komitetu podjęli elegancką decyzję - przyznać Einsteinowi nagrodę, nie wspominając w ogóle o teorii względności, a mianowicie: „Za zasługi dla fizyki teoretycznej, a zwłaszcza za odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego”.

Fizyka aryjska kontra Einstein

Popularność Einsteina na Zachodzie wywołała bolesną reakcję kolegów w Niemczech, którzy znaleźli się praktycznie w izolacji po bojowym manifeście z 1914 roku i klęsce w I wojnie światowej. W 1921 roku Einstein był jedynym niemieckim naukowcem, który otrzymał zaproszenie na Światowy Kongres Fizyki Solvaya w Brukseli (które jednak zignorował na rzecz podróży do Stanów Zjednoczonych z Weizmannem).

Jednocześnie, mimo różnic ideologicznych, Einsteinowi udało się utrzymać przyjazne stosunki z większością swoich patriotycznych kolegów. Ale ze skrajnie prawicowego skrzydła studentów i naukowców Einstein zyskał reputację zdrajcy, który sprowadza niemiecką naukę na manowce.

Jednym z przedstawicieli tego skrzydła był Philip Leonard. Pomimo tego, że w 1905 roku Lenard otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za eksperymentalne badanie elektronów wytwarzanych przez efekt fotoelektryczny, cały czas cierpiał z powodu niedostatecznego uznania jego wkładu w naukę.

Po pierwsze, w 1893 wypożyczył Roentgenowi lampę wyładowczą własnej produkcji, aw 1895 Roentgen odkrył, że lampy wyładowcze emitują promienie, które wciąż były nieznane nauce. Lenard uważał, że odkrycie należy przynajmniej uznać za wspólne, ale cała chwała odkrycia i nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1901 r. powędrowała wyłącznie do Roentgena. Lenard był oburzony i oświadczył, że jest matką promieni, podczas gdy Roentgen był tylko położną. Jednocześnie najwyraźniej Roentgen nie używał tuby Lenarda w decydujących eksperymentach.

Rurka wyładowcza, za pomocą której Lenard badał elektrony w efekcie fotoelektrycznym, a Roentgen odkrył jego promieniowanie

Rurka wyładowcza, za pomocą której Lenard badał elektrony w efekcie fotoelektrycznym, a Roentgen odkrył jego promieniowanie

Po drugie, Lenard był głęboko urażony brytyjską fizyką. Zakwestionował pierwszeństwo odkrycia elektronu przez Thomsona i zarzucił angielskiemu naukowcowi błędne nawiązanie do jego pracy. Lenard stworzył model atomu, który można uznać za poprzednika modelu Rutherforda, ale nie zostało to właściwie odnotowane. Nic dziwnego, że Lenard nazwał Brytyjczyków narodem najemników i podstępnych handlarzy, a Niemców narodem bohaterów, a po wybuchu I wojny światowej zaproponował zorganizowanie intelektualnej blokady kontynentalnej na Wielką Brytanię.

Po trzecie, Einstein był w stanie teoretycznie wyjaśnić efekt fotoelektryczny, a Lenard w 1913 roku, jeszcze przed nieporozumieniami związanymi z wojną, zarekomendował go nawet na stanowisko profesora. Ale Nagrodę Nobla za odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego w 1921 r. otrzymał sam Einstein.

Początek lat dwudziestych był ogólnie trudnym okresem dla Lenarda. Starł się z rozentuzjazmowanymi studentami lewicowymi i został publicznie upokorzony, gdy po zabójstwie liberalnego polityka żydowskiego pochodzenia i niemieckiego ministra spraw zagranicznych Waltera Rathenaua odmówił opuszczenia flagi na budynku swojego instytutu w Heidelbergu.

Jego oszczędności, zainwestowane w rządowy dług, zostały wypalone przez inflację, aw 1922 jego jedyny syn zmarł z powodu niedożywienia podczas wojny. Lenard skłonny był sądzić, że problemy Niemiec (w tym w niemieckiej nauce) są wynikiem żydowskiego spisku.

Bliskim współpracownikiem Lenarda w tym czasie był Johannes Stark, zdobywca Nagrody Nobla z 1919 roku w dziedzinie fizyki, również skłonny obwiniać machinacje Żydów za własne niepowodzenia. Po wojnie Stark, w opozycji do liberalnego Towarzystwa Fizycznego, zorganizował konserwatywną „Niemiecką Wspólnotę Zawodową Nauczycieli Uniwersyteckich”, z pomocą której próbował kontrolować finansowanie badań i obsadzania stanowisk naukowych i dydaktycznych, ale bezskutecznie. Po nieudanej obronie doktoranta w 1922 roku, Stark oświadczył, że jest otoczony wielbicielami Einsteina i zrezygnował z funkcji profesora na uniwersytecie.

W 1924 roku, sześć miesięcy po puczu piwnym, Grossdeutsche Zeitung opublikował artykuł Lenarda i Starka „Duch i nauka Hitlera”. Autorzy porównywali Hitlera z takimi gigantami nauki jak Galileusz, Kepler, Newton i Faraday („Cóż za błogosławieństwo, że ten geniusz w ciele żyje wśród nas!”), a także chwalili geniusz aryjski i potępiali zepsuty judaizm.

Według Lenarda i Starka, w nauce zgubny wpływ Żydów przejawiał się w nowych kierunkach fizyki teoretycznej - mechanice kwantowej i teorii względności, która wymagała odrzucenia starych pojęć i posługiwała się złożonym i nieznanym aparatem matematycznym.

Dla starszych naukowców, nawet tak utalentowanych jak Lenard, było to wyzwanie, którego niewielu było w stanie zaakceptować.

Lenard przeciwstawił „żydowską”, czyli teoretyczną fizykę, „aryjskiej”, czyli eksperymentalnej, i zażądał, aby niemiecka nauka skupiła się na tym drugim. W przedmowie do podręcznika „Fizyka niemiecka” napisał: „Fizyka niemiecka? - zapytają ludzie. Mógłbym też powiedzieć, że fizyka aryjska lub fizyka ludu nordyckiego, fizyka poszukiwaczy prawdy, fizyka tych, którzy założyli badania naukowe.”

Przez długi czas „fizyka aryjska” Lenarda i Starka pozostawała zjawiskiem marginalnym, a fizycy różnego pochodzenia zajmowali się w Niemczech badaniami teoretycznymi i eksperymentalnymi na najwyższym poziomie.

Wszystko zmieniło się, gdy Adolf Hitler został kanclerzem Niemiec w 1933 roku. Einstein, który przebywał w tym czasie w Stanach Zjednoczonych, zrzekł się niemieckiego obywatelstwa i członkostwa w Akademii Nauk, a prezes Akademii Max Planck z zadowoleniem przyjął tę decyzję: „Pomimo głębokiej przepaści, która dzieli nasze poglądy polityczne, nasze osobiste przyjaźnie zawsze pozostaną niezmienione”, zapewnił, że jest osobistą korespondencją Einsteina. Jednocześnie niektórzy członkowie akademii byli zirytowani, że Einstein nie został z niej demonstracyjnie wyrzucony.

Johannes Stark wkrótce został prezesem Instytutu Fizyki i Technologii oraz Niemieckiego Towarzystwa Badawczego. W ciągu następnego roku z Niemiec wyjechała jedna czwarta wszystkich fizyków i połowa fizyków teoretycznych.