¿Cuál es la mayor contribución de Einstein a la ciencia?
La carrera científica de Einstein comenzó en el invierno de 1900, cuando se encontraba en medio del desempleo después de graduarse de la universidad. De 1900 a 1904 escribió un artículo cada año y lo publicó en el German Physical Journal. Los dos primeros artículos tratan sobre la termodinámica de los niveles de líquidos y la electrólisis, intentando dar a la química una base mecánica. Más tarde descubrí que este camino no era factible, así que cambié y estudié las bases mecánicas de la termodinámica. Independientemente del trabajo de J.W. Gibbs en 1901, se propusieron algunas teorías básicas de la mecánica estadística. A este campo pertenecen tres artículos de 1902 a 1904. El artículo de 1902 dedujo la teoría del equilibrio térmico y la segunda ley de la termodinámica a partir de las leyes de la mecánica y las operaciones de probabilidad. El artículo de 1904 discutió el fenómeno de fluctuación predicho por la mecánica estadística y encontró que las fluctuaciones de energía (o la estabilidad térmica del sistema) dependían de la constante de Boltzmann. No sólo aplicó este resultado a sistemas mecánicos y fenómenos térmicos, sino que también lo aplicó audazmente a fenómenos de radiación, obteniendo la fórmula de fluctuación de la energía radiante y derivando así la ley de desplazamiento de Wien. Su investigación sobre los fenómenos de fluctuación le permitió lograr importantes avances tanto en la teoría de la radiación como en la teoría del movimiento molecular en 1905.
Milagro 1905 En 1905, Einstein creó un milagro que no tenía precedentes en la historia de la ciencia. Este año, escribió 6 artículos en los seis meses de marzo a septiembre, utilizó su tiempo libre después de trabajar 8 horas al día en la oficina de patentes para hacer 4 contribuciones que marcaron época en 3 campos.
Cuanto de luz
En el artículo "Un punto de vista especulativo sobre la generación y transformación de la luz" escrito en marzo de 1905, el concepto cuántico propuesto por Planck en 1900 se extendió a la luz. espacio, se propuso la hipótesis cuántica de la luz, que generalmente se acepta como: para el promedio temporal (es decir, el fenómeno promedio estadístico), la luz se comporta como fluctuación; para el valor instantáneo (es decir, fluctuación), la luz se comporta como partículas; Esta es la primera vez en la historia que se revela la unidad de las fluctuaciones y partículas de objetos microscópicos, es decir, la dualidad onda-partícula. Los avances posteriores en física demostraron que la dualidad onda-partícula es la característica más básica de todo el mundo microscópico. Este artículo también denomina "La entropía de un sistema en función de su probabilidad de estado" de L. Boltzmann como "principio de Boltzmann". Al final del artículo, explicó el fenómeno fotoeléctrico de una manera fácil de entender utilizando el concepto de cuantos de luz y dedujo la relación entre la energía máxima de los fotoelectrones y la frecuencia de la luz incidente. Fueron necesarios 10 años para que R.A. Millikan confirmara experimentalmente esta relación. Einstein ganó el Premio Nobel de Física en 1921 por descubrir la ley del efecto fotoeléctrico.
La teoría de la cinética molecular
En abril, mayo y febrero de 1905, escribió tres artículos sobre la teoría del movimiento de partículas suspendidas en líquidos. Este movimiento fue descubierto por primera vez por el botánico británico R. Brown en 1827 y se llama movimiento browniano. El propósito de Einstein en ese momento era determinar el tamaño real de las moléculas observando el movimiento aleatorio de las partículas suspendidas causado por las fluctuaciones en el movimiento molecular, resolviendo así el problema de la existencia de los átomos que había sido debatido en los círculos científicos y filosóficos durante más más de medio siglo. Tres años más tarde, el físico francés J.B. Perrin confirmó las predicciones teóricas de Einstein con experimentos precisos. Esto llevó a F.W. Ostwald, el químico alemán que más firmemente se opuso a la teoría atómica en su momento y fundador de la "energética", a declarar proactivamente en 1908: "La hipótesis atómica se ha convertido en una teoría científica con una base sólida.
La relatividad especial en la era de la innovación
En junio de 1905, Einstein escribió un largo artículo sobre la electrodinámica de los objetos en movimiento, marcando el comienzo de una nueva era de la física y proponiendo a fondo la teoría de la relatividad especial. el resultado de sus 10 años de planificación y exploración, que resolvieron en gran medida la crisis de la física clásica a finales de 1900 y promovieron la revolución de toda la teoría física para superar la contradicción entre los nuevos hechos experimentales y el antiguo sistema teórico. La generación anterior de físicos representada por Lorenz adoptó el método de reparar las lagunas y propuso innumerables hipótesis para ampliar aún más el viejo sistema teórico. Einstein creía que la salida era cambiar fundamentalmente toda la base teórica. unidad de las fronteras naturales, se examinan las siguientes preguntas: ¿Por qué el principio de relatividad generalmente establecido en el campo de la mecánica newtoniana (las leyes de la mecánica son invariantes para cualquier sistema inercial) no está establecido en la electrodinámica según el experimento de inducción electromagnética de M. Faraday? , este tipo de principio no está establecido. La inconsistencia obviamente no es inherente al fenómeno actual, y el problema debe residir en la base teórica de la física clásica.
Absorbió la crítica al trascendentalismo del filósofo empirista D. Hume y la crítica de E. Mach a los conceptos de espacio absoluto y tiempo absoluto de I. Newton. Partiendo de la "simultaneidad" de dos eventos espacialmente separados, negó la simultaneidad absoluta que no tiene base empírica, y luego negó la existencia del tiempo absoluto, el espacio absoluto y el "éter", creyendo que el concepto tradicional de tiempo y espacio debe ser revisado. Promovió el hecho experimental básico de importancia universal, la relatividad del movimiento mecánico descubierto por Galileo, a un principio básico que todas las teorías físicas deben seguir, al mismo tiempo, todos los experimentos de "deriva del éter" demostraron que la luz siempre se propaga a una determinada velocidad; en el vacío. Los hechos básicos se generalizan como principios. Si el principio de relatividad y el principio de invariancia de la velocidad de la luz se cumplen al mismo tiempo, entonces la transformación entre coordenadas de diferentes sistemas inerciales ya no puede ser una transformación galileana, sino que debería ser otra transformación similar a la desarrollada por Lorentz. en 1904. De hecho, Einstein no estaba al tanto del trabajo de Lorentz en 1904. La forma de transformación que propusieron originalmente solo era consistente con la primera potencia de □/□; la transformación de Lorentz ahora se refiere esencialmente a la forma de Einstein. Con la transformación de Lorentz, las longitudes del espacio y del tiempo ya no son las mismas, pero las leyes de la física, incluidas las ecuaciones de Maxwell, son las mismas (covariantes). Las leyes de la mecánica newtoniana son covariantes con las transformaciones galileanas y deben modificarse para satisfacer la covarianza bajo las transformaciones de Lorentz. Esta transformación es en realidad una generalización, considerando la mecánica clásica como el caso límite de la mecánica relativista a bajas velocidades. De esta manera se unifican la mecánica y el electromagnetismo a partir de la cinemática.
Masa equivalente en energía
En septiembre de 1905, Einstein escribió un breve artículo, ¿Está relacionada la inercia de un objeto con la energía que contiene? , como corolario de la teoría de la relatividad, revela la equivalencia de masa (□) y energía (□): □ = □□□□, y explica así por qué los elementos radiactivos (como el radio) pueden liberar una gran cantidad de energía. La equivalencia masa-energía es la base teórica de la física nuclear y de la física de partículas y también abrió el camino para la liberación y utilización de la energía nuclear en los años 40. Mayor desarrollo de la teoría cuántica Einstein propuso la teoría cuántica de la luz, a la que se opuso casi toda la generación anterior de físicos. Incluso Planck, que fue el primero en proponer el concepto de cuántica y el primero en apoyar con entusiasmo la teoría especial de la relatividad, creyó seriamente que se trataba de un "error" por parte de Einstein hasta 1913. No obstante, trabajando solo, Einstein perseveró y desarrolló la teoría cuántica. En 1906 amplió el concepto cuántico a la vibración en el interior de un objeto y explicó básicamente la relación entre la capacidad calorífica específica de los sólidos a bajas temperaturas y la temperatura. En 1912 aplicó el concepto de cuantos de luz a los fenómenos fotoquímicos y estableció las leyes de la fotoquímica. En 1916, publicó el artículo "Teoría cuántica de la radiación", que sintetizó los resultados del desarrollo de la teoría cuántica, propuso una teoría estadística del proceso de absorción y emisión de radiación y derivó la fórmula de radiación de Planck a partir del concepto de salto cuántico en N. Bohr 1913. El concepto de emisión estimulada propuesto en este artículo proporcionó una base teórica para el auge de la tecnología láser en la década de 1960, inspirada en el concepto de dualidad onda-partícula revelado por la teoría cuántica de la luz, la teoría de la onda de materia fue propuesta por L.V. 1923. Esta teoría fue apoyada con entusiasmo por primera vez por Einstein. No sólo eso, cuando en 1924 recibió el artículo del joven físico S. Bose sobre la teoría estadística cuántica de la luz, lo tradujo inmediatamente al alemán y recomendó su publicación, y combinó esta teoría con el concepto de ondas de materia y propuso una. Teoría estadística cuántica de gases monoatómicos. Esta es la estadística de Bose-Einstein para partículas con espín entero (ver Estadísticas cuánticas). Inspirado por el trabajo de Einstein, E. Schrödinger extendió las ondas de Broglie a partículas unidas y estableció la mecánica ondulatoria en 1926 (ver teoría de la representación y mecánica cuántica). Por lo tanto, el físico estadounidense A. Pais cree que "Einstein no es sólo uno de los tres mayores de la teoría cuántica (Planck, Einstein, N. Poe), sino también el único padrino de la mecánica ondulatoria". es un pionero” y “nuestro líder y abanderado” en la lucha por conquistar el páramo de los fenómenos cuánticos.
Explorando el principio de equivalencia de la relatividad general
Tras el establecimiento de la relatividad especial, Einstein no quedó satisfecho e intentó ampliar el ámbito de aplicación del principio de la relatividad a sistemas no inerciales. Encontró un gran avance en el antiguo hecho experimental de que todos los objetos en el campo gravitacional tienen la misma aceleración (es decir, la masa inercial es igual a la masa gravitacional) descubierto por Galileo, y propuso el principio de equivalencia en 1907: "La fuerza equivalente del campo gravitacional y el sistema de referencia es Físicamente son completamente equivalentes.
"Y se dedujo que en el campo gravitacional, el reloj se movería más rápido, la longitud de onda de la luz cambiaría y la luz se curvaría. En este año, su profesor universitario y el famoso geómetra H. Minkowski propuso la teoría especial de la relatividad. La representación espacial en cuatro dimensiones proporcionó una herramienta matemática útil para el desarrollo posterior de la teoría de la relatividad. Lamentablemente, Einstein no se dio cuenta de su valor en ese momento y la aprovechó. El viaje de exploración continuó
El segundo logro científico
Los tres años desde 1915. hasta 1917 fueron el segundo período pico de los logros científicos de Einstein. Al igual que en 1905, también logró logros históricos en tres campos diferentes, además de ser reconocido como uno de los mayores logros en la historia del pensamiento humano. finalmente se completó en 1915. En 1916, la teoría cuántica de la radiación logró un gran avance y en 1917 se fundó la cosmología científica moderna. Se cometió el error de abandonar el requisito de la covarianza de todo cuando se estableció la teoría general de la relatividad. , lo que hizo que Einstein siguiera tomando desvíos durante más de dos años. No fue hasta julio de 1915 que se dio cuenta gradualmente de este error y se centró en la exploración de nuevas ecuaciones del campo gravitacional. En el primer artículo, obtuvo la ecuación del campo gravitacional covariante universal que satisface la ley de conservación (ver teoría general de la relatividad), pero agregó una restricción innecesaria, que solo permitía transformaciones de un solo pico. En el tercer artículo, basándose en la nueva ecuación del campo gravitacional, se calcula que la desviación de la luz que pasa por la superficie del sol debe ser □, que es el doble del valor anterior; también se calcula que el valor de precesión restante del perihelio de Mercurio cada; 100 años es 43□, lo que es completamente consistente con los resultados de las observaciones, resolviendo por completo un problema importante en astronomía durante más de 60 años y brindando a Einstein un gran estímulo. En su artículo "Ecuaciones del campo gravitacional" del 25 de octubre de 19115, abandonó las restricciones innecesarias sobre el grupo de transformación y estableció una ecuación covariante del campo gravitacional verdaderamente universal, declarando que "la relatividad general como estructura lógica finalmente se ha completado". Al mismo tiempo, el matemático alemán D. Hilbert también obtuvo de forma independiente la ecuación del campo de fuerza covariante universal en Gotinga el 20 de octubre de 1915438+065438+. En la primavera de 1916, Einstein escribió un ensayo final "Los fundamentos de la teoría general de la relatividad"; a finales del mismo año escribió un folleto muy popular "Sobre la teoría general y especial de la relatividad".
Ondas de gravedad
Después de que Einstein completó el resumen de la relatividad general en marzo de 1916, estudió la integral aproximada de la ecuación del campo gravitacional en junio y descubrió que cuando un sistema mecánico cambia Cuando, Inevitablemente se emitirán ondas gravitacionales que se propagan a la velocidad de la luz.
Señaló que la existencia de órbitas estables libres de radiación en los átomos es un misterio tanto desde la perspectiva electromagnética como gravitacional. Por lo tanto, "la teoría cuántica no sólo debe transformar la electrodinámica de Maxwell, sino también la nueva teoría de la gravedad". En otoño, volvió al problema de la radiación cuántica, y con esta intención propuso los conceptos de transiciones espontáneas y transiciones estimuladas, y expresó. su aprecio por Plann. Se hizo una nueva derivación de la fórmula de radiación. La existencia de ondas gravitacionales provocó desacuerdo entre algunos científicos, y Einstein más tarde discutió su existencia y propiedades muchas veces. Las ondas gravitacionales son demasiado débiles para ser detectadas y durante mucho tiempo han pasado desapercibidas. Desde la década de 1960, los experimentos para detectar ondas gravitacionales se han convertido gradualmente en una moda, pero no han alcanzado la precisión mínima requerida para la detección. El anuncio de 1979 confirmó indirectamente la existencia de ondas gravitacionales a través de cuatro años de observación continua de los cambios periódicos del binario de pulso de radio PSR1913+16 descubierto en 1974.
La fundación de la cosmología
En 1917, Einstein utilizó los resultados de la relatividad general para estudiar la estructura espacio-temporal de todo el universo y publicó su innovador artículo "An Overview of Cosmology Based sobre la Relatividad General." Este artículo analiza el concepto tradicional de "el universo es infinito en el espacio" y señala que es incompatible con la teoría de la gravedad newtoniana y la teoría de la gravedad de la relatividad general. De hecho, la gente no puede dar condiciones límite razonables para la ecuación del campo gravitacional a una distancia infinita en el espacio. Él cree que una posible salida es ver el universo como una "región continua autocerrada de volumen espacial finito (tridimensional)". Utilizar argumentos científicos para inferir que el universo es finito e ilimitado en el espacio es una iniciativa audaz en la historia de la humanidad. Libera a la cosmología de la especulación pura y entra en el campo de la ciencia moderna. Partiendo del hecho de que las velocidades estelares observadas en la astronomía en aquella época eran muy pequeñas, Einstein creía que la distribución de la materia era casi estática. Para garantizar esta condición, introdujo una constante universal desconocida (término cósmico) en el campo gravitacional. Durante este período, el astrónomo holandés W. De Sitt, que mantenía correspondencia frecuente con Einstein, propuso otro modelo del universo con una densidad de masa promedio de cero. En 1922, el físico soviético A.A. Friedman señaló que el término cosmológico era innecesario, obteniendo así un modelo de universo en expansión de densidad de materia distinta de cero directamente a partir de los resultados originales de Einstein. Einstein no estuvo de acuerdo en ese momento, pero un año después se retractó públicamente de su crítica equivocada y admitió que la teoría de Friedman era correcta. Desde el descubrimiento del corrimiento al rojo de las líneas espectrales de las galaxias extragalácticas en 1929, la teoría de la expansión del universo ha recibido un fuerte apoyo. Después de 1946, se convirtió en la cosmología del Big Bang, que es la teoría cosmológica de mayor éxito hasta la fecha.
La larga y difícil búsqueda de una teoría de campo unificado
Después de completar la relatividad general, Einstein todavía se sentía insatisfecho. Es necesario ampliar la relatividad general para incluir no sólo el campo gravitacional sino también el campo electromagnético, es decir, buscar una teoría de campo unificada. Él cree que esta es la tercera etapa del desarrollo de la teoría de la relatividad, que no sólo unifica el campo gravitacional y el campo electromagnético, sino que también unifica la teoría de la relatividad y la teoría cuántica, proporcionando una base teórica razonable para la física cuántica. Esperaba obtener una solución sin puntos singulares en la teoría de campo unificado que intentaba establecer, que podría usarse para representar partículas, es decir, utilizar el concepto de campo para explicar la estructura de la materia y los fenómenos cuánticos. La teoría del campo unificado original fue popularizada por el matemático H. Weil en 1918. Einstein apreció esto, pero señaló que la teoría daba elementos lineales que no eran inmutables sino que estaban relacionados con su historia pasada, lo que contradecía el hecho de que todos los átomos de hidrógeno tienen el mismo espectro. Luego, en 1919, el matemático T.F.E. Karrucha intentó realizar una teoría de campo unificada utilizando variedades de cinco dimensiones, que fue muy elogiada por Einstein. El primer artículo de Einstein sobre la teoría del campo unificado, completado en 1922, trataba sobre la teoría de Kalucha. Después de 1925, Einstein hizo todo lo posible para explorar una teoría de campo unificado. En los primeros años se mostró muy optimista y la victoria estaba a la vista; más tarde encontró muchas dificultades y sintió que las herramientas matemáticas existentes no eran suficientes; después de 1928, se dedicó a la exploración de las matemáticas puras; Intentó utilizar varios métodos, a veces en cinco dimensiones, a veces en cuatro dimensiones, pero no obtuvo ningún resultado de verdadera importancia física.
En los 30 años transcurridos entre 1925 y 1955, además de completar la mecánica cuántica, las ondas gravitacionales y la relatividad general, Einstein dedicó casi toda su energía científica y creativa a la exploración de una teoría de campo unificado.
En 1937, con la cooperación de dos asistentes, derivó las ecuaciones de movimiento a partir de las ecuaciones del campo gravitacional de la relatividad general, revelando aún más la unidad entre el espacio-tiempo, la materia y el movimiento. Este fue un desarrollo importante de la relatividad general y también del trabajo de Einstein. El último gran logro de Stan en las actividades de creación científica. Sin embargo, nunca logró unificar la teoría de campos. Enfrentó innumerables fracasos, pero nunca se desanimó y siempre empezó desde el principio con confianza. Debido a que en ese momento estaba lejos de la corriente principal de la investigación en física, trabajó solo para abordar problemas irresolubles en ese momento y, por lo tanto, se opuso a la dominante Escuela de Copenhague, contrariamente a la situación en. En la década de 1920, estuvo muy aislado en la comunidad física en sus últimos años. Pero se mantuvo valiente y siguió inquebrantablemente su propio camino para explorar la verdad. Hasta el día antes de su muerte, todavía estaba en cama preparándose para continuar con sus cálculos matemáticos sobre la teoría de campos unificados. En 1948 se dio cuenta de que "no podré completar esta obra; será olvidada pero redescubierta en el futuro". El desarrollo de la historia no le falló. Dado que una serie de experimentos en las décadas de 1970 y 1980 apoyaron firmemente la teoría unificada electrodébil, la idea de la teoría de campos unificados mostró su vitalidad en una nueva forma, proporcionando una perspectiva prometedora para el desarrollo futuro de la física.