Jak Albert Einstein bojoval za evropský mír a teoretickou fyziku

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 03:50

O tom, jak byla věda úzce provázána s politikou.

Na samém počátku dvacátého století byly učiněny ve fyzice kolosální objevy, z nichž řada patřila Albertu Einsteinovi, tvůrci obecné teorie relativity.

Vědci stáli na prahu zcela nového pohledu na Vesmír, který od nich vyžadoval intelektuální odvahu, ochotu ponořit se do teorie a dovednosti v zacházení se složitým matematickým aparátem. Výzva nebyla přijata všemi, a jak se někdy stává, vědecké spory byly překryty politickými rozdíly způsobenými nejprve první světovou válkou a poté nástupem Hitlera k moci v Německu. Einstein byl také klíčovou postavou, kolem které se lámala oštěpy.

Einstein proti všem

Vypuknutí první světové války doprovázel vlastenecký vzestup mezi obyvatelstvem zúčastněných států, včetně vědců.

V Německu v roce 1914 93 vědců a kulturních osobností, včetně Maxe Plancka, Fritze Habera a Wilhelma Roentgena, zveřejnilo manifest vyjadřující svou plnou podporu státu a válce, kterou vede: „My, představitelé německé vědy a umění, protestujeme před celý kulturní svět proti lžím a pomluvám, kterými se naši nepřátelé pokoušejí znečistit spravedlivou věc Německa v tvrdém boji o existenci, který je na ni vnucován. Bez německého militarismu by německá kultura byla zničena už dávno při svém vzniku. Německý militarismus je produktem německé kultury a zrodil se v zemi, která jako žádná jiná země na světě byla po staletí vystavena predátorským nájezdům."

Přesto se našel německý vědec, který proti takovým myšlenkám ostře vystoupil. Albert Einstein vydal v roce 1915 manifest odpovědi „Evropanům“: „Nikdy předtím válka tak nenarušila interakci kultur. Je povinností Evropanů, vzdělaných a dobré vůle, nenechat Evropu podlehnout. Tuto výzvu však kromě samotného Einsteina podepsali pouze tři lidé.

Einstein se stal německým vědcem poměrně nedávno, ačkoli se narodil v Německu. Vystudoval školu a univerzitu ve Švýcarsku a poté ho téměř deset let různé univerzity v Evropě odmítaly zaměstnat. Částečně to bylo způsobeno tím, jak Einstein přistupoval k žádosti o zvážení své kandidatury.

V dopise Paulu Drudeovi, tvůrci elektronické teorie kovů, tedy nejprve poukázal na dvě chyby obsažené v jeho teorii a teprve poté požádal o přijetí.

V důsledku toho musel Einstein získat práci u švýcarského patentového úřadu v Bernu a teprve na samém konci roku 1909 se mu podařilo získat místo na univerzitě v Curychu. A již v roce 1913 sám Max Planck spolu s budoucím laureátem Nobelovy ceny za chemii Walterem Nernstem osobně přijeli do Curychu přesvědčit Einsteina, aby přijal německé občanství, přestěhoval se do Berlína a stal se členem Pruské akademie věd a ředitelem ústavu fyziky.

Einstein zjistil, že jeho práce v patentovém úřadu je z vědeckého hlediska neuvěřitelně produktivní. "Když někdo šel kolem, dal jsem své poznámky do šuplíku a předstíral, že dělám patentovou práci," vzpomínal. Rok 1905 vešel do dějin vědy jako annus mirabilis, „rok zázraků“.

V letošním roce publikoval časopis Annalen der Physik čtyři články od Einsteina, ve kterých dokázal teoreticky popsat Brownův pohyb, vysvětlit pomocí Planckovy představy světelných kvant fotoefekt neboli efekt úniku elektronů z kovu při je ozařován světlem (v takovém experimentu JJ Thomson objevil elektron) a rozhodujícím způsobem přispívá k vytvoření speciální teorie relativity.

Úžasná shoda okolností: teorie relativity se objevila téměř současně s teorií kvant a stejně nečekaně a neodvolatelně změnila základy fyziky.

V 19. století se pevně ustálila vlnová podstata světla a vědce zajímalo, jak je uspořádána látka, ve které se tyto vlny šíří.

Navzdory tomu, že éter (tak se tato látka jmenuje) ještě nikdo přímo nepozoroval, pochyby o tom, že existuje a prostupuje celým Vesmírem, nevznikly: bylo jasné, že by se vlna měla šířit v nějakém elastickém prostředí, analogicky s kruhy z kamene vrženého na vodu: vodní hladina v místě dopadu kamene začne kmitat, a protože je pružná, oscilace se přenášejí na sousední body, z nich na sousední atd. na. Po objevení atomů a elektronů nikoho nepřekvapila ani existence fyzických objektů, které nelze spatřit stávajícími přístroji.

Jedna z jednoduchých otázek, na kterou klasická fyzika nedokázala najít odpověď, byla tato: je éter unášen tělesy, která se v něm pohybují? Na konci 19. století některé experimenty přesvědčivě ukázaly, že éter byl zcela unesen pohybujícími se tělesy, zatímco jiné, a neméně přesvědčivě, že byl unášen jen částečně.

Kruhy na vodě jsou jedním příkladem vlny v elastickém prostředí. Pokud pohybující se těleso neunáší éter, pak rychlost světla vzhledem k tělu bude součtem rychlosti světla vzhledem k éteru a rychlosti samotného těla. Pokud zcela strhává éter (jak se to děje při pohybu ve viskózní kapalině), pak se rychlost světla vzhledem k tělesu bude rovnat rychlosti světla vzhledem k éteru a nebude nijak záviset na rychlosti samotné tělo.

Francouzský fyzik Louis Fizeau v roce 1851 ukázal, že éter je částečně unášen pohybujícím se proudem vody. V sérii experimentů z let 1880-1887 Američané Albert Michelson a Edward Morley jednak potvrdili Fizeauův závěr s vyšší přesností, jednak zjistili, že Země obíhající kolem Slunce zcela strhává éter s ním, tedy rychlost světla na Zemi je nezávislá na tom, jak se pohybuje.

Aby určili, jak se Země pohybuje ve vztahu k éteru, Michelson a Morley zkonstruovali speciální přístroj, interferometr (viz schéma níže). Světlo ze zdroje dopadá na polopropustnou desku, odkud se částečně odráží v zrcadle 1 a částečně přechází do zrcadla 2 (zrcadla jsou ve stejné vzdálenosti od desky). Paprsky odražené od zrcadel pak opět dopadají na polopropustnou desku a z ní společně docházejí k detektoru, na kterém vzniká interferenční obrazec.

Pokud se Země pohybuje vůči éteru např. ve směru zrcadla 2, pak se rychlost světla v horizontálním a vertikálním směru nebude shodovat, což by mělo vést k fázovému posunu vln odražených od různých zrcadel na zrcadle. detektor (například jak je znázorněno na obrázku vpravo dole). Ve skutečnosti nebyl pozorován žádný posun (viz vlevo dole).

Einstein vs. Newton

Při svých pokusech pochopit pohyb éteru a šíření světla v něm museli Lorentz a francouzský matematik Henri Poincaré předpokládat, že rozměry pohybujících se těles se mění ve srovnání s rozměry stacionárních a navíc čas pohybující se tělesa proudí pomaleji. Je těžké si to představit – a Lorentz s těmito předpoklady zacházel spíše jako s matematickým trikem než jako s fyzikálním efektem – ale umožňovaly sladění mechaniky, elektromagnetické teorie světla a experimentálních dat.

Einstein ve dvou článcích z roku 1905 dokázal na základě těchto intuitivních úvah vytvořit koherentní teorii, ve které jsou všechny tyto úžasné efekty důsledkem dvou postulátů:

• rychlost světla je konstantní a nezávisí na pohybu zdroje a přijímače (a rovná se asi 300 000 kilometrům za sekundu);
• pro jakýkoli fyzikální systém působí fyzikální zákony stejně, bez ohledu na to, zda se pohybuje bez zrychlení (jakýmikoli rychlostmi) nebo je v klidu.

A odvodil nejslavnější fyzikální vzorec - E = mc²! Navíc kvůli prvnímu postulátu přestalo na pohybu éteru záležet a Einstein ho prostě opustil – světlo se může šířit prázdnotou.

Zejména efekt dilatace času vede ke slavnému „paradoxu dvojčat“. Pokud se jedno ze dvou dvojčat, Ivan, vydá na vesmírné lodi ke hvězdám a druhé, Peter, na něj zůstane čekat na Zemi, pak se po jeho návratu ukáže, že Ivan od pradávna zestárnul méně než Petr. jeho rychle se pohybující vesmírná loď proudila pomaleji.než na Zemi.

Tento efekt, stejně jako další rozdíly mezi teorií relativity a běžnou mechanikou, se projevuje až při ohromné rychlosti pohybu, srovnatelné s rychlostí světla, a proto se s ním v běžném životě nikdy nesetkáme. Pro obvyklé rychlosti, se kterými se setkáváme na Zemi, se zlomek v/c (připomeňme, c = 300 000 kilometrů za sekundu) jen velmi málo liší od nuly a vracíme se do známého a útulného světa školní mechaniky.

Přesto je třeba vlivy teorie relativity vzít v úvahu například při synchronizaci hodin na satelitech GPS s těmi pozemními pro přesné fungování systému určování polohy. Při studiu elementárních částic se navíc projevuje vliv dilatace času. Mnohé z nich jsou nestabilní a během velmi krátké doby se promění v jiné. Obvykle se však pohybují rychle a díky tomu se prodlužuje doba před jejich proměnou z pohledu pozorovatele, což umožňuje jejich registraci a studium.

Speciální teorie relativity vznikla z potřeby uvést do souladu elektromagnetickou teorii světla s mechanikou rychle (a konstantní rychlostí) se pohybujících těles. Po přestěhování do Německa dokončil Einstein svou obecnou teorii relativity (GTR), kde k elektromagnetickým a mechanickým jevům přidal gravitaci. Ukázalo se, že gravitační pole lze popsat jako deformaci masivním tělesem prostoru a času.

Jedním z důsledků obecné teorie relativity je zakřivení trajektorie paprsku při průchodu světla blízko velké hmoty. První pokus o experimentální ověření obecné teorie relativity se měl uskutečnit v létě 1914 při pozorování zatmění Slunce na Krymu. V souvislosti s vypuknutím války byl ale internován tým německých astronomů. To v jistém smyslu zachránilo pověst obecné teorie relativity, protože v tu chvíli teorie obsahovala chyby a dávala nesprávnou předpověď úhlu vychýlení paprsku.

V roce 1919 anglický fyzik Arthur Eddington při pozorování zatmění Slunce na ostrově Principe u západního pobřeží Afriky dokázal potvrdit, že světlo hvězdy (zviditelnila se díky tomu, že ji nezatmělo Slunce), procházející kolem Slunce se odchyluje přesně ve stejném úhlu jako předpovídané Einsteinovy rovnice.

Eddingtonův objev udělal z Einsteina superstar.

7. listopadu 1919, uprostřed pařížské mírové konference, kdy se zdálo, že se veškerá pozornost soustředila na to, jak bude svět existovat po první světové válce, zveřejnily londýnské noviny The Times úvodník: „Revoluce ve vědě: A Nová teorie vesmíru, Newtonovy myšlenky jsou poraženy."

Reportéři všude honili Einsteina, otravovali ho žádostmi o vysvětlení teorie relativity v kostce a sály, kde měl veřejné přednášky, byly přeplněné (přitom, soudě podle recenzí jeho současníků, Einstein nebyl příliš dobrým přednášejícím Publikum nepochopilo podstatu přednášky, přesto se na celebritu přišlo podívat).

V roce 1921 se Einstein spolu s anglickým biochemikem a budoucím prezidentem Izraele Chaimem Weizmannem vydal na přednáškové turné po Spojených státech, aby získal finanční prostředky na podporu židovských osad v Palestině. Podle listu The New York Times bylo „v Metropolitní opeře obsazeno každé místo, od orchestřiště až po poslední řadu galerie, stovky lidí stály v uličkách.“Korespondent deníku zdůraznil: "Einstein mluvil německy, ale dychtivě vidět a slyšet muže, který doplnil vědeckou koncepci vesmíru o novou teorii prostoru, času a pohybu, zaujal všechna místa v sále."

Navzdory úspěchu u široké veřejnosti byla teorie relativity ve vědecké komunitě přijímána s velkými obtížemi.

V letech 1910 až 1921 progresivně smýšlející kolegové desetkrát nominovali Einsteina na Nobelovu cenu za fyziku, ale konzervativní Nobelova komise to pokaždé odmítla s odkazem na skutečnost, že teorie relativity dosud nezískala dostatečné experimentální potvrzení.

Po Eddingtonově výpravě to začalo být čím dál skandálnější a v roce 1921, stále nepřesvědčeni, členové komise učinili elegantní rozhodnutí - udělit Einsteinovi cenu, aniž by se vůbec zmínili o teorii relativity, totiž: „Pro zásluhy o teoretickou fyziku a zejména za objev zákona o fotoelektrickém jevu“.

Árijská fyzika versus Einstein

Einsteinova popularita na Západě vyvolala bolestnou reakci kolegů v Německu, kteří se po militantní manifestaci z roku 1914 a porážce v první světové válce ocitli prakticky izolováni. Einstein byl v roce 1921 jediným německým vědcem, který obdržel pozvání na Světový fyzikální kongres Solvaye v Bruselu (který však ignoroval ve prospěch cesty s Weizmannem do USA).

Einsteinovi se přitom i přes ideologické rozdíly dařilo udržovat přátelské vztahy s většinou svých vlasteneckých kolegů. Ale od krajně pravicového křídla vysokoškolských studentů a akademiků si Einstein získal pověst zrádce, který svádí německou vědu na scestí.

Jedním z představitelů tohoto křídla byl Philip Leonard. Navzdory tomu, že Lenard v roce 1905 obdržel Nobelovu cenu za fyziku za experimentální studium elektronů produkovaných fotoelektrickým jevem, neustále trpěl tím, že jeho přínos vědě nebyl dostatečně uznán.

Nejprve v roce 1893 zapůjčil Roentgenovi výbojku vlastní výroby a v roce 1895 Roentgen zjistil, že výbojky vyzařují paprsky, které věda dosud neznala. Lenard věřil, že objev by měl být přinejmenším považován za společný, ale veškerá sláva objevu a Nobelova cena za fyziku v roce 1901 připadla pouze Roentgenovi. Lenard byl rozhořčen a prohlásil, že je matkou paprsků, zatímco Roentgen je pouze porodní bába. Roentgen přitom zřejmě nepoužil Lenardovu trubici v rozhodujících experimentech.

Výbojka, se kterou Lenard studoval elektrony ve fotoelektrickém jevu, a Roentgen objevil jeho záření

Výbojka, se kterou Lenard studoval elektrony ve fotoelektrickém jevu, a Roentgen objevil jeho záření

Za druhé, Lenard byl hluboce uražen britskou fyzikou. Zpochybnil prioritu Thomsonova objevu elektronu a obvinil anglického vědce z nesprávného odkazu na jeho práci. Lenard vytvořil model atomu, který lze považovat za předchůdce Rutherfordova modelu, ale nebyl náležitě zaznamenán. Není divu, že Lenard nazval Brity národem žoldáků a prolhaných obchodníků a Němce naopak národem hrdinů a po vypuknutí první světové války navrhl uspořádat intelektuální kontinentální blokádu Velké Británie..

Za třetí, Einstein dokázal teoreticky vysvětlit fotoelektrický jev a Lenard ho v roce 1913, ještě před neshodami souvisejícími s válkou, dokonce doporučil na profesuru. Ale Nobelovu cenu za objev zákona o fotoelektrickém jevu v roce 1921 dostal pouze Einstein.

Počátek dvacátých let byl pro Lenarda obecně těžkým obdobím. Střetl se s nadšenými levicovými studenty a byl veřejně ponížen, když po atentátu na liberálního politika židovského původu a německého ministra zahraničí Waltera Rathenaua odmítl spustit vlajku na budově svého institutu v Heidelbergu.

Jeho úspory, investované do státního dluhu, byly spáleny inflací a v roce 1922 zemřel jeho jediný syn na následky podvýživy během války. Lenard se přiklonil k názoru, že problémy Německa (včetně německé vědy) jsou výsledkem židovského spiknutí.

Blízkým Lenardovým spolupracovníkem byl v této době Johannes Stark, nositel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1919, který měl také sklon vinit ze svých vlastních neúspěchů machinace Židů. Po válce Stark v opozici vůči liberální Fyzikální společnosti zorganizoval konzervativní „Německé profesní společenství vysokoškolských učitelů“, s jehož pomocí se snažil kontrolovat financování výzkumu a jmenování do vědeckých a pedagogických funkcí, ale neuspěl. Po neúspěšné obhajobě postgraduálního studenta v roce 1922 Stark prohlásil, že je obklopen obdivovateli Einsteina, a rezignoval jako profesor na univerzitě.

V roce 1924, šest měsíců po pivním puči, vydal Grossdeutsche Zeitung článek Lenarda a Starka „Hitlerův duch a věda“. Autoři srovnávali Hitlera s takovými giganty vědy, jako jsou Galileo, Kepler, Newton a Faraday („Jaké požehnání, že tento génius v těle žije mezi námi!“), a také chválili árijského génia a odsoudili korumpující judaismus.

Podle Lenarda a Starka se ve vědě zhoubný židovský vliv projevil v nových směrech teoretické fyziky – kvantové mechanice a teorii relativity, které vyžadovaly odmítnutí starých konceptů a využívaly složitý a neznámý matematický aparát.

Pro starší vědce, dokonce i tak talentované jako Lenard, to byla výzva, kterou byl málokdo schopen přijmout.

Lenard stavěl do protikladu „židovskou“, tedy teoretickou, fyziku s „árijskou“, tedy experimentální, a požadoval, aby se německá věda zaměřila na to druhé. V předmluvě k učebnici „Německá fyzika“napsal: „Německá fyzika? - lidé se budou ptát. Mohl bych také říci árijská fyzika nebo fyzika severských lidí, fyzika hledačů pravdy, fyzika těch, kteří založili vědecký výzkum."

„Árijská fyzika“Lenarda a Starka zůstávala dlouho okrajovým fenoménem a fyzici různého původu se v Německu zabývali teoretickým a experimentálním výzkumem nejvyšší úrovně.

To vše se změnilo, když se v roce 1933 stal německým kancléřem Adolf Hitler. Einstein, který byl v té době ve Spojených státech, se vzdal německého občanství a členství v Akademii věd a prezident Akademie Max Planck toto rozhodnutí uvítal: „Navzdory hluboké propasti, která rozděluje naše politické názory, naše osobní přátelství zůstanou vždy nezměněna. “ujistil, že jde o Einsteinovu osobní korespondenci. Některým členům akademie přitom vadilo, že z ní nebyl Einstein demonstrativně vyloučen.

Johannes Stark se brzy stal prezidentem Institutu fyziky a technologie a Německé výzkumné společnosti. Během příštího roku opustila Německo čtvrtina všech fyziků a polovina teoretických fyziků.