Coś ty ludziom uczynił, Einsteinie?

Coś ty ludziom uczynił, Einsteinie?

Dr hab. inż. Włodzimierz Salejda

, prof. nadzw. PWr,

Instytut Fizyki PWr oraz

Bogumił Konopka, Marek Skiba i Paweł Sobecki

studenci I roku studiów WPPT PWr

Θ

E-mail: wlodzimierz.salejda@pwr.wroc.pl Strona domowa:

Strona domowa: www.if.pwr.wroc.pl/~wsalejda/

1. Biografia naukowa

2. O atomach, molekułach i ruchach Browna

3. Szczególna teoria względności (SzTW) 4. Fotoefekt

5. Zakończenie

Nie przejmuj się, jeżeli masz problemy z matematyką. Zapewniam C

Nie przejmuj się, jeżeli masz problemy z matematyką. Zapewniam Cię, że ja ię, że ja mam jeszcze większe (z listu do uczennicy szkoły średniej, 7 I 1

mam jeszcze większe (z listu do uczennicy szkoły średniej, 7 I 1943) 943)

dokonaniom (uczynkom ^♠ ) naukowym

Alberta Einsteina (1879-1955) w 1905 roku zwanym

w fizyce rokiem cudów (annus mirabilis)

Coś ty ludziom uczynił,

Einsteinie w 1905 r. - roku cudów?

♠ Uczynek - to, co się czyni lub uczyniło; rzecz przez kogoś dokonana; czyn, postępek

Moje ciało ma zostać spalone, aby ludzie nie czcili moich kości.

Urodził się 14 III 1879 w Ulm (Niemcy)

Matka, Paulina Ojciec, Herman

1. W 1884 r. w Monachium rozpoczyna naukę pod kierunkiem prywatnego nauczyciela; zaczyna uczyć się gry na skrzypcach.

2. W Monachium od 1886 r. uczęszcza do szkoły publicznej; w domu uczy się judaizmu.

3. W Monachium w 1888 r. wstępuje do gimnazjum.

Nie wiem

Nie wiem,, na co bęna co będzie trzecia wojna dzie trzecia wojna śświatowawiatowa,, ale czwarta bęale czwarta będzie na pewno na maczugi. dzie na pewno na maczugi.

4. 1891—95 zapoznaje się z elementami matematyki wyższej.

5. Wiosną 1895 r. porzuca naukę w gimnazjum i wyjeżdża do Pawii we Włoszech, gdzie od 1894 r. przebywa jego rodzina. Jesienią nie zdaje egzaminu wstępnego do ETH (Związkowa Wyższa Szkoła Techniczna) w Zurychu (Szwajcaria).

6. W 1986 r. kończy szkołę kantonalną w Aarau, co pozwala mu

wstąpić do ETH (oceny: 6 z historii, algebry, geometrii, geometrii opisowej i fizyki).

Prawd

Prawdąą jest to, co wytrzyma prjest to, co wytrzyma próbóbęę dośdoświadczenia.wiadczenia.

Biografia naukowa (2)

A.E. AD 1896 Z żoną Milewą i synem Hansem

Urzędnik biura patentowego

7. W 1900 r. kończy ETH w Zurichu (oceny: 5,5 z teorii funkcji, 5 z fizyki teoretycznej, doświadczalnej i astronomii); zostaje w wieku 21 lat wykwalifikowanym nauczycielem fizyki i matematyki; nic nie wiadomo o jego pracy dyplomowej; 13 XII wysyła pierwszą pracę naukową do Annalen der Physik.

8. 1901 — otrzymuje obywatelstwo szwajcarskie; 13 III zostaje uznany za niezdolnego do służby wojskowej z powodu

płaskostopia i żylaków.

9. 1902 — w wieku 23 lat zostaje zatrudniony na czas próbny na stanowisku eksperta technicznego trzeciej klasy w biurze

patentowym w Bernie.

7. 1903 — ślub z Milevą Maric.

8. 1904 — mianowanie na stałe do pracy w biurze patentowym w Bernie.

Zdjęcie ślubne, 1903

MajMając dwadzieąc dwadzieśścia lat myścia lat myślalałłem tylko o kochaniu. Potem kochaem tylko o kochaniu. Potem kochałłem juem jużż tylko myśtylko myślelećć. .

12.Rok 1905 – annus mirabilis; ^A.E.

ma 26 lat

ƒ kończy pracę o kwantowej naturze światła (17 III),

ƒ kończy rozprawę doktorska pt.

O nowej metodzie wyznaczania rozmiarów molekuł (30 IV);

przedstawiona na Uniwersytecie w Zurichu; przyjęta w lipcu,

ƒ 11 V redakcja Annalen der Physik (AdP) otrzymuje pracę o ruchach

Browna,

patentowego w Bernie

Najpiękniejszym, co możemy odkryć, jest tajemniczość.

12. Rok 1905 – annus mirabilis;

A.E. ma 26 lat

ƒ 30 VI do redakcji AdP wpływa pierwsza praca o szczególnej teorii względności,

ƒ 27 IX wysyła do redakcji AdP drugą pracę o szczególnej

teorii względności, która zawiera wzór E = mc

,

ƒ 19 XII do redakcji AdP wpływa druga praca o ruchach Browna.

student student

Biuro patentowe w Bernie

Czysto logiczne rozumowanie nie da nam żadnej wiedzy o realnym świecie.

13. 1906

awans na stanowisko eksperta technicznego drugiej klasy; XI kończy pierwszą pracę z zakresu kwantowej teorii ciała stałego dotyczącą ciepła

właściwego ciał stałych.

14. 1907

odkrywa zasadę

równoważności (powiedział o niej najszczęśliwsza myśl mojego życia).

15. 1909

rozpoczyna pracę na stanowisku profesora

nadzwyczajnego Uniwersytetu w Zurichu.

Dwie rzeczy s

Dwie rzeczy sąą nieskońnieskończone czone —— WszechśWszechświat i gwiat i głłupota ludzka. upota ludzka.

Co do tej pierwszej istniej

Co do tej pierwszej istniejąą jeszcze wąjeszcze wątpliwotpliwośści.ci.

16. 1911

zostaje mianowany dekretem cesarza Austro-Węgier Franciszka

Józefa na stanowisko profesora Uniwersytetu Karola Ferdynanda w Pradze; pierwsza konferencja Solvaya (30 X

3 XI), wygłasza

referat pt. Obecny stan zagadnienia ciepła właściwego.

17. 1912

zostaje mianowany profesorem zwyczajnym

Uniwersytetu w Zurichu; wspólnie z Grossmanem rozpoczyna pracę nad podstawami ogólnej teorii

względności.

19121912

19141914

Świat Amerykanina jest tak wielki, jak jego gazeta. Świat Amerykanina jest tak wielki, jak jego gazeta.

18. 1913

zostaje członkiem Pruskiej Akademii Nauk i profesorem Uniwersytetu w Berlinie.

19. 1915

ƒ prowadzi eksperymenty żyromagnetyczne,

ƒ podpisuje Manifest do Europejczyków wzywający

wszystkich, którym droga jest kultura europejska, do wstąpienia do Ligi Europejczyków,

ƒ przełom VI i VII w Getyndze wygłasza 6 wykładów o ogólnej teorii względności,

ƒ XI znajduje wyjaśnienie precesji peryhelium Merkurego i podaje poprawne wyrażenie na ugięcie promieni światła przechodzących w pobliżu Słońca.

CCóżóż to za smutna epoka, w ktto za smutna epoka, w której órej łłatwiej rozbiatwiej rozbićć atom, niżatom, niż zniweczyćzniweczyć przesąprzesąd. d.

20.1916 ^—

ƒ formułuje ogólną teorię względności (OTW),

ƒ przewiduje istnienie fal grawitacyjnych,

ƒ podaje teorię oddziaływania światła z materią (sugeruje istnienie emisji

wymuszonej podstawy akcji laserowej),

ƒ stwierdza, że kwanty energii h ν niosą pęd h ν /c,

ƒ wyraża zaniepokojenie losowym charakterem fizyki kwantowej.

Im bardziej dana cywilizacja zrozumie,

Im bardziej dana cywilizacja zrozumie, żże jej obraz e jej obraz świata jest fikcjświata jest fikcją, ą, tym wy

tym wyżższy jest jej poziom nauki. szy jest jej poziom nauki.

21.1917

ƒ pisze pierwsza pracę o kosmologii,

ƒ wprowadza wyraz kosmologiczny,

ƒ cierpi z powodu choroby wątroby i wrzodów żołądka, (zdrowie

odzyskuje w 1920 r.),

ƒ zostaje dyrektorem Instytutu Fizyki Cesarza Wilhelma

w Berlinie.

Najbardziej niezrozumia

Najbardziej niezrozumiałąłą kwestiąkwestią dotycządotycząccąą świata jest to, świata jest to, że on jest zrozumiaże on jest zrozumiałły.y.

22.1919

ƒ 29 V całkowite zaćmienie Słońca, pomiar ugięcia promieni,

ƒ 9 XI ogłoszenie oficjalnych wyników pomiarów potwierdzających

przewidywania OTW,

ƒ nagłówki w londyńskim Timesie:

Rewolucja w nauce. Nowa teoria Wszechświata. Obalenie idei

Newtona,

ƒ w The New York Timesie: Promienie wykrzywione na całym niebie.

Ludzie nauki poruszeni wynikami obserwacji zaćmienia. Tryumf teorii Einsteina,

ƒ Einstein zdobywa światową sławę.

WyjaśWyjaśnienia powinny bynienia powinny byćć tak proste jak jest to możtak proste jak jest to możliwe, ale nie prostsze.liwe, ale nie prostsze.

23.9 XI 1922 — otrzymuje nagrodę Nobla za

wyjątkowe zasługi w dziedzinie fizyki teoretycznej,

a w szczególności za wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego.

for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery

of the law of the photoelectric effect

Dobry B

Dobry Bóg nie gra w koóg nie gra w kośści.ci. _{NoblistaNoblista}

24. 1924

odkrycie kondensacji Bosego

Einsteina.

25. 1927

początek debaty

z Bohrem na temat podstaw mechaniki kwantowej.

26. 1932

zostaje profesorem Instytutu Studiów

Zaawansowanych w Princeton;

opuszcza Niemcy i przenosi się do USA.

27. 1939

wysyła list do F.D.

Franklina zwracając uwagę na militarne konsekwencje badań nad energią atomową.

Nauka uleg

Nauka uległłaby stagnacji, gdyby miaby stagnacji, gdyby miała sała słłuużżyyćć wyłąwyłącznie celom praktycznym.cznie celom praktycznym.

27 c.d. A.E. podpisuje list wysłany

2 VIII 1939 list do F.D. Franklina

— prezydenta USA Wskazał na możliwość

skonstruowania broni atomowej i podkreślił wagę, jaką ma

wyprzedzenie Niemiec przez USA

w budowie takiej broni. List ten przyczynił się do rozpoczęcia prac nad Projektem Manhattan,

które doprowadziły do

zbudowania pierwszej bomby atomowej.

To, co nazywamy fizyk

To, co nazywamy fizyką, obejmuje caą, obejmuje całąłą grupęgrupę nauk przyrodniczych, któnauk przyrodniczych, które opierajre opierająą swe teorie na swe teorie na pomiarach i kt

pomiarach i któórych idee i twierdzenia dajrych idee i twierdzenia dająąsięsię sformułsformułowaowaćć za pomocza pomocąą matematyki.matematyki.

Nauka uległaby stagnacji, gdyby miała Nauka uległaby stagnacji, gdyby miała służyć wyłącznie celom praktycznym

służyć wyłącznie celom praktycznym Biografia naukowa (16)

28. 1940 r.

otrzymuje

obywatelstwo amerykańskie.

29. 1948 r.

wykrycie tętniaka aorty brzusznej.

30. 1950 r.

podpisuje i pieczętuje testament.

31. 13 IV 1955

pęknięcie

tętniaka aorty (ma 76 lat).

32. 18 IV 1955 — umiera w nocy o godzinie 1.15 w Princeton USA.

A.E. przyjmuje obywatelstwo USA, 1940 r.

Jednej rzeczy nauczy

Jednej rzeczy nauczyłłem siem sięę w moim dłw moim długim ugim życiu: życiu: żże cae całła nasza nauka a nasza nauka w konfrontacji z rzeczywisto

w konfrontacji z rzeczywistośściciąą wydaje siwydaje sięęprymitywna i dziecinna —prymitywna i dziecinna — a jednak jest to najcenniejsza rzecz, jak

a jednak jest to najcenniejsza rzecz, jakąą posiadamy.posiadamy.

Kim był?

1. Izrealitą, który przeżył holocaust.

2. Mężem (ślub

1903, rozwód 1919).

3. Ojcem (Hans

1904

1973, Eduard – 1910

1965).

4. Mężem (drugi ślub 1919)

i ojczymem (dwie córki drugiej żony z pierwszego

małżeństwa).

Moralno

Moralnośćść czczłowieka zalełowieka zależży od zdolnoy od zdolnośści wspci wspóółłodczuwaniaodczuwania z innymi ludźz innymi ludźmi, wyksztami, wykształłcenia cenia oraz wi

oraz więęzi i potrzeb spozi i potrzeb społłecznych; ecznych; żadna religia nie jest do tego potrzebna. żadna religia nie jest do tego potrzebna.

Kim był?

5. Postacią charyzmatyczną, znaną i sławną na całym świecie.

6. Pacyfistą, zwolennikiem supranacjo- nalizmu;

koncepcję powołania jednego rządu światowego i wyłącznie pokojowego wykorzystania energii atomowej.

7. Nigdy nie wybaczył Niemcom holocaustu

(kuzynka zginęła w Auschwitz).

8. Miłośnikiem sprawiedliwości, mądrości i wolności;

znajomi mówili: to człowiek najbardziej

wolnym, wśród tych, których kiedykolwiek i gdziekolwiek spotkali i znali.

CzłCzłowiek byowiek byłłby zaiste by zaiste żżaałłosnosnąą istotąistotą, gdyby kierowa, gdyby kierowałł sięsię w żw życiu yciu wyłąwyłącznie strachem przed karcznie strachem przed karąą i nadziejąi nadzieją na nagrodęna nagrodę po po śśmierci.mierci.

19201920

Kim był?

9. Człowiekiem kochającym

muzykę; lubił Mozarta, Bacha, Vivaldiego, Scarlattiego,

Schuberta (uwielbiał), Wagnera - nie cierpiał.

10. Po mistrzowsku władał językiem niemieckim; wszystkie prace

napisał po niemiecku, był mistrzem opisu i niuansów.

Nie potrafi

Nie potrafięę wyobrazićwyobrazić sobie Boga, któsobie Boga, który nagradza i karze istoty przez siebie samego ry nagradza i karze istoty przez siebie samego stworzone, kt

stworzone, któórego zamysrego zamysłły przykrojone sy przykrojone sąą na nasząna naszą miaręmiarę —— krkrótko mótko móówiwiąąc, Boga, c, Boga, któktóry nie jest niczym innym, jak odbiciem ludzkich sry nie jest niczym innym, jak odbiciem ludzkich słłaboabośści.ci.

Kim był?

11. Genialnym naukowcem,

najwybitniejszym uczonym XX w.

12. Żywą legendą — znajomi w jego towarzystwie czuli się dobrze

i swobodnie, nie umacniał swojej legendy, która nie napawała go nawet radością.

Tym niemniej podczas sympozjum zorganizowanym w Princeton

19 III 1949 r. z okazji siedemdziesiątych urodzin, gdy A.E. wszedł na salę wszyscy obecni wstali z miejsc.

Przy wpajaniu ludziom tego, co moralnie słuszne, kaznodzieje powinni zdobyć się na odwagę i odrzucić doktrynę osobowego Boga, to znaczy nie powoływać się dłużej na owo źródło strachu

i nadziei, dzięki któremu w przeszłości kapłani skupiali w swych rękach tak ogromną władzę.

Kim był?

12 c.d. Irytował się, gdy ktoś wykorzystywał jego pozycję.

Pewien profesor X w rozmowie z Einsteinem usłyszał od niego opinię:

Pana wyniki byłyby bardzo ważne,

gdyby były poprawne. Profesor X, w celu podniesienia własnej reputacji i uniwersytetu, przekazał do prasy

zniekształconą i skróconą opinię Einsteina nie zawierającą słów po przecinku będących ważnym

zastrzeżeniem. Einstein już nigdy nie

A.E. w Berlinie

przyjął profesora X.

Jestem przekonany, że aby uświadomić sobie zasadnicze znaczenie zasad moralnych w czynieniu naszego życia lepszym i szlachetniejszym, nie musimy odwoływać się do idei osobowego prawodawcy, zwłaszcza takiego, który

karze nagradza. Osobowość kształtuje się nie przez piękne słowa lecz pracą i własnym wysiłkiem.

Kim był?

13. Filozofem - studiował przez całe życie dzieła filozoficzne; dużą wagę przykładał do

epistemologii:

Nauka bez epistemologii jest prymitywna i niejasna.

Moje pogl

Moje pogląądy bliskie sdy bliskie sąą pogląpoglądomdom Spinozy: podziw dla piSpinozy: podziw dla pięękna oraz wiara w logicznkna oraz wiara w logicznąą prostotęprostotę porząporządku i harmonii, ktdku i harmonii, któóre w naszej znikomore w naszej znikomośści możci możemy pojemy pojąćąć jedynie w sposójedynie w sposób bardzo b bardzo

niedoskona

niedoskonałły. Uway. Uważżam, am, że musimy siże musimy sięę pogodzićpogodzić z tąz tą niedoskonałniedoskonałoośściciąąnaszej wiedzy naszej wiedzy i poznania oraz traktowa

i poznania oraz traktowaćć wartośwartości i powci i powiinnonnośści moralne jako problemy czysto ludzkie.ci moralne jako problemy czysto ludzkie.

19311931

Kim był?

14. Dogmatycznie bronił koncepcji obiektywnej rzeczywistości.

Mechanika kwantowa to teoria

prowizoryczna i tymczasowa, którą A.E. zaakceptował.

Brak przyczynowości w mechanice

kwantowej niepokoił go bardzo.

Problemem naszego wieku nie jest bomba atomowa, lecz serce ludzk Problemem naszego wieku nie jest bomba atomowa, lecz serce ludzkieie

Kim był?

14 c.d. Mechanika kwantowa

budziła w nim namiętne uczucia graniczące z manią

prześladowczą; dużo czasu i wysiłku poświęcił koncepcji komplementarności

i obiektywnej rzeczywistości.

Poświęciłem sto razy więcej czasu problemom mechaniki kwantowej niż ogólnej teorii

względności.

Nie mam żadnych szczególnych uzdolnień. Cechuje mnie tylko Nie mam żadnych szczególnych uzdolnień. Cechuje mnie tylko

niepohamowana ciekawość.

niepohamowana ciekawość.

Kim nie był?

ƒ Rewolucjonistą

cenił Lenina:

Szanuję Lenina jako człowieka, który oddał wszystkie swoje siły walce o sprawiedliwość społeczną.

Nie uważam natomiast, by jego metody były właściwe.

ƒ Politykiem ani buntownikiem

zdobycie władzy nigdy nie było jego celem; uznawał władzę rozumu.

ƒ Promotorem pracy doktorskiej.

ƒ Nie był dobrym wykładowcą, ponieważ nie lubił wykładać.

ƒ Współpracownikiem lub

współautorem ważnych prac naukowych (napisał je

Lata 40-te XX w Bóg dał mi upór muła i dość Bóg dał mi upór muła i dość

dobry węch dobry węch

samodzielnie).

Kim nie był?

ƒ Człowiekiem wierzącym

nie zwykł modlić się ani uwielbiać Boga; wierzył głęboko w istnienie praw Natury,

które należy odkrywać; temu

poświęcił całe swoje życie. Świadczą o tym stwierdzenia: Pan Bóg jest

wyrafinowany, lecz nie perfidny, oraz: Przyroda skrywa swoje

tajemnice, ponieważ jest wyniosła, a nie dlatego, że chce nas wywieść w pole.

W kwestii istnienia Boga zajmuję stanowisko agnostyka.

Uczynki A.E. w 1905 r; annus mirabilis (1)

1. 17 III kończy pracę na temat kwantów światła i fotoefektu, za którą otrzymał nagrodę Nobla

2. 30 III kończy rozprawę doktorską na temat sposobu określenia rozmiarów atomów i cząsteczek

3. 11 V do redakcji czasopisma Annalen der Physik dociera praca na temat ruchów Browna

Najgorzej, gdy szkoła ucieka się do takich metod, jak zastraszanie, przemoc, sztuczny autorytet. Metody te niszczą u uczniów naturalne odruchy, szczerość i wiarę w siebie,

czyniąc z nich ludzi uległych (Albana, NY, 15 X 1936)

Uczynki A.E. w 1905 r ; annus mirabilis (2)

4. 30 VI redakcja AdP otrzymuje pierwszą pracę o SzTW 5. 27 IX redakcja AdP czasopisma otrzymuje drugą

pracę o SzTW zawierającą najsłynniejszy wzór XX wieku: E = mc

.

6. 27 XII do redakcji czasopisma AdP wpływa druga praca na temat ruchów Browna.

Zadaniem systemu edukacyjnego powinno być kształtowanie niezależnie myślących i działających jednostek, które jednakże uznawałyby służbę dobru ogólnemu za swój

najwyższy cel w życiu (Albana, NY, 15 X 1936)

Prace te dotyczyły podstawowych problemów fizyki z początków XX wieku:

¾ Istnienia (realności) atomów i cząstek; w jaki sposób można udowodnić ich istnienie?

Śmierć nie jest kresem naszego istnienia – żyjemy w naszych dzieciach

i następnych pokoleniach. Albowiem oni to dalej my, a nasze ciała to zwiędłe liście na drzewie życia

A.E. i atomy (1)

Nowa metoda wyznaczania

rozmiarów molekuł

oraz w pracy

O ruchu cząsteczek zawieszonych w cieczach spoczynku, wynikającym z

molekularno-kinetycznej teorii

ciepła z 1905 r. podał nowe metody wyznaczania wartości liczby

Avogadro i rozmiarów molekuł.

Zbrodnia Niemców jest zaiste najbardziej odrażającym czynem, jaki zna historia tzw.

narodów cywilizowanych. Niemieccy intelektualiści – jako grupa – zachowali się nie lepiej niż motłoch (w liście do Otto Hahna, 28 I 1949)

A.E. i atomy (2)

promienia cząsteczek:

1 nm = 10^-9 m (1905 r.) oraz po weryfikacji 6•10^-10 m (1906 r.)

Na podstawie (ówczesnych) danych doświadczalnych:

N_A=2,1 ∗ 10²³.

Po weryfikacji w 1906 r.:

N_A=4,15 ∗ 10²³.

Po zwiększeniu dokładności pomiarów 1911 r.

oszacował wartość liczby Avogadro na N_A=6,6 ∗ 10²³.

Dokładna wartość: N_A=6,0221367(36) ∗ 10²³; dokładność: 10%.

W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy, W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy,

co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym.

co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym.

A.E. i atomy (3)

„Einstein i atomy…”

Bogumił Konopka

Wydział Podstawowych Problemów Techniki

Inżynieria Biomedyczna

Annus mirabilis – rok cudów

ƒ 1905 – wielki rok Alberta Einsteina;

publikacje prac:

z

o wyznaczaniu

rozmiarów molekuł

z

o ruchach Browna

z

o szczególnej teorii względności

z

o fotoefekcie

Rozprawa doktorska –

30 kwietnia 1905 (20.07.1905)

ƒ Pierwszą rozprawę wycofał (1902)

ƒ Druga rozprawa:

„ Nowa metoda wyznaczania rozmiarów molekuł”

z

Dwie niewiadome :

• N – liczba Avogadra

• r – promień molekuły

z

dwa równania

promień - radius

równanie - equation

Rozprawa doktorska –

30 kwietnia 1905 (20.07.1905)

ƒ Związek pomiędzy współczynnikami

lepkości cieczy z molekułami substancji

rozpuszczonej (η

) i bez nich (η):

r

m

N ⋅ ⋅

= ρ π

ϕ 3

4

r

– masa substancji na jednostkę objętości

– masa cząsteczkowa – promień molekuł

ρ

m

( ^ϕ )

η

η

= 1 + ϕ

N

– część objętości

zajmowanej przez molekuły – liczba Avogadra

Rozprawa doktorska –

30 kwietnia 1905 (20.07.1905)

ƒ Wykorzystanie prawa Stokesa

(hydrodynamika klasyczna) oraz prawa van’t Hoffa (zjawisko osmozy)

r N

D RT

πη 6

⋅ 1

=

– liczba Avogadra – lepkość cieczy – promień molekuł

D T

r η

N

– współczynnik dyfuzji

– uniwersalna stała gazowa – temperatura cieczy

R

Rozprawa doktorska –

30 kwietnia 1905 (20.07.1905)

ƒ Ostateczne wyniki:

z

Wyznaczone rozmiary molekuł cukru:

z

Otrzymana wartość liczby Avogadra:

cm r = 9 , 9 × 10

10

1 ,

2 ×

N =

ze sobą wspólnego?

Ruchy Browna

ƒ W 1827 r. brytyjski botanik Robert Brown

zaobserwował chaotyczne ruchy wykonywane przez badane przez niego pyłki kwiatowe.

ƒ Stworzone hipotezy:

z

działanie drobnoustrojów;

z

gradienty temperatur;

z

prądy konwekcyjne;

z

zjawiska kapilarne;

z

…

Ruchy Browna

ƒ Prawidłową teorię niezależnie stworzyło trzech fizyków: Giovanni Cantoni, Joseph Delsaulx i Ignace Carbonelle;

z

Uważali, że chaotyczne ruchy drobin są

spowodowane przez ich nieustanne kolizje z molekułami cieczy

(brak poparcia obliczeniami)

Ruchy Browna

Ruchy Browna

ƒ 11 maja 1905 Einstein przesyła do

„Annalen der Physik” pracę zatytułowaną:

„O ruchu cząsteczek zawieszonych w cieczach w spoczynku, wynikającym z molekularno-

kinetycznej teorii ciepła”, w której dostarcza

matematycznych podstaw teorii zderzeń.

Ruchy Browna

ƒ Istota podejścia Einsteina polega na przyjęciu trzech założeń:

z

zjawisko osmozy zachodzi w zawiesinach tak samo jak w roztworach

z

obowiązuje prawo Stokesa

z

ruchy Browna można opisać

za pomocą równania dyfuzji

Ruchy Browna

ƒ Ostatecznym wynikiem obliczeń jest równanie:

Nr t

x RT  ⋅



 



= 

η π

3

2

r – promień drobin – czas

– współczynnik lepkości

– kwadrat średniego przesunięcia – uniwersalna stała gazowa

– temperatura bezwzględna – liczba Avogadra

x2

R

N

η

Ruchy Browna

ƒ Eksperymentalnego potwierdzenia obliczeń Einsteina dokonał Jean Perrin (Nagroda

Nobla w 1926 r.):

z

okazało się, że:

z

wyznaczył liczbę Avogadra:

t S

∝

10

4 , 6 ⋅

=

N

Ruchy Browna

ƒ Współczesne doświadczenie Perrina:

z

Roztwór z syntetycznymi mikrokulkami

z

Mikroskop ( >500x )

z

Cyfrowa kamera

z

Zestaw komputerowy

z

Oprogramowanie

Ruchy Browna

Ilustracja spaceru losowego cząsteczki Wykres zależności średniego kwadratowego przesunięcia od czasu

Znaczenie i skutki

ƒ Zamknięto usta przeciwnikom hipotezy atomistycznej budowy wszechświata.

ƒ Stworzono podwaliny fizyki statystycznej.

ƒ Zastosowania praktyczne:

z

w budownictwie (ruch ziaren piasku w zaprawie)

z

w ekologii (ruch cząsteczek aerozolu w chmurach)

z

w ekonomii (analiza rynków giełdowych)

z

…

Chcesz wiedzieć więcej?

Bibliografia.

ƒ „Pan Bóg jest wyrafinowany…” A.Pais

ƒ „5 prac, które zmieniły oblicze fizyki”,

J.Stachel,T. Lipscombe,A. Calaprice, S. Elworthy

ƒ Surfuj po sieci:

z

www.einsteinyear.org

z

http://chaos.nus.edu.sg/simulations/

z

www.ap.stmarys.ca/demos

z

www.google.pl (wpisz: „Albert Einstein”)

Efekt fotoelektryczny

Autorzy:

Marek Skiba Paweł Sobecki

Studenci I roku Inżynierii Biomedycznej na Wydziale PPT

Politechniki Wrocławskiej

Historia(1)

W 1887 roku Hertz odkrył

zjawisko emisji ujemnie

naładowanych cząsteczek z metalu pod wpływem światła. Cząsteczki te jak się w toku późniejszych badań okazało są elektronami. Zjawisko to nazwano efektem

fotoelektrycznym. Hertz nie

analizował dalej zaobserwowanego przez siebie zjawiska i ograniczył się do publikacji swych wyników.

HERTZ HEINRICH RUDOLF (1857–94)

Historia(2)

W 1900 roku Max Planck

przedstawił teorię, wg. której promieniowanie

elektromagnetyczne nie jest

emitowane w sposób ciągły, ale w postaci ściśle określonych porcji energii (E), które nazwał

kwantami.

Rok 1900 uznaje się za rok narodzin fizyki kwantowej

E= hν

h - stała Plancka

ν - częstoliwość

Historia(3) A E

w Niemczech - zm. 18 kwietnia 1955 r. w Princeton, w USA

Historia(4) – teoria kwantów

W 1905 roku Albert Einstein podał nową Heurystyczną teorię zjawiska fotoelektrycznego. Teoria ta oparta była na kwantach wprowadzonych pięć lat wcześniej przez Plancka.

W 1905 roku Einstein uogólnił

twierdzenie Plancka twierdząc, że

światło, które uważano do tej pory

wyłącznie za falę, ma charakter

korpuskularny i jest strumieniem

cząsteczek - fotonów.

Efekt Fotoelektryczny(1)

Światło - strumień fotonów o danej energii, padając na płytkę metalową wybija z niej

elektrony. Elektrony przejmują energię fotonów

dzięki czemu mogą opuścić ciało.

Nobel dla Einsteina

Teoria kwantów okazała się bardzo ważnym odkryciem, za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego

A. Einstein otrzymał

w 1921 roku Nagrodę

Nobla.

Efekt Fotoelektryczny(2)

Zastosowania

Efekt fotoelektryczny jest

powszechnie wykorzystywany w bateriach słonecznych,

fotopowielaczach, elementach CCD, w aparatach cyfrowych, fotodiodach.

Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu

elektrycznego.

Baterie słoneczne – efekt

fotowoltaiczny

Konwersja fotowoltaiczna(1)

ƒ Ogniwo fotowoltaiczne

Zbudowane jest z dwóch warstw

półprzewodnika: typu p i typu n, tworzących razem złącze p-n. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą.

Element ten charakteryzuje się

jednokierunkowym przepływem prądu - od

anody do katody, w drugą stronę prąd nie

płynie (zawór elektryczny).

Konwersja fotowoltaiczna (2)

ƒ Ogniwo fotowoltaiczne

Konwersja fotowoltaiczna (3)

ƒ Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar, lub ogniwo słoneczne)

jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię

elektryczną, poprzez wykorzystanie

półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony

przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p.

Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych

powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli

napięcia elektrycznego.

Konwersja fotowoltaiczna (4)

ƒ Napięcie elektryczne(SEM) zależy od rodzaju materiału półprzewodnikowego oraz natężenia promieniowania elektromagnetycznego.

ƒ Wartość SEM rośnie ze wzrostem natężenia

promieniowania. SEM pojedynczego fotoogniwa ma małą wartość, dla powszechnie stosowanych fotoogniw krzemowych wynosi (kilkadziesiątych wolta).

ƒ W celu uzyskania wyższego napięcia i odpowiednio większej mocy użytecznej, fotoogniwa łączy się

w zestawy, tworząc baterie fotoelektryczne.

Dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii?

ƒ Nie wymaga zewnętrznego zasilania (np. tak jak prądnica)

ƒ Jest ekologiczne

ƒ Jest odnawialne

ƒ Długotrwałe (Słońce będzie świeciło 4 miliardy lat)

(baterie słoneczne)

ƒ Używa się np. do zasilania małych

kalkulatorów i zegarków

(baterie słoneczne)

ƒ Przydatne jest

zastosowanie ich w przestrzeni

kosmicznej, gdzie promieniowanie

słoneczne jest dużo silniejsze (atmosfera pochłania ponad 50%

promieniowania).

ƒ W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challenger

przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako

źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego

samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które

zasilały silnik elektryczny.

ƒ Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są

zasilane przez baterie słoneczne

montowane na chroniącym je dachu.

ƒ Coraz częściej stosuje się baterie

słoneczne jako mini elektrownie domowe.

Prezentacja zastosowań i właściwości ogniw

fotowoltaicznych

powstała przy współpracy

z dr Ewą Popko.

Młody A.E. zadawał sobie pytania:

Co by się stało, gdyby ktoś potrafił poruszać się obok

promienia światła z prędkością światła?

Czy widziałby wówczas swe odbicie w lustrze trzymanym w ręce?

Jeśli ktoś biegnie w ślad za falą świetlną z prędkością światła, to powinien widzieć niezależny od czasu front falowy. A jednak wydaje się, że coś takiego nie istnieje!

Problem z Aarau (1895-6); rozwiązany po 10 latach.

ArauArau

Aforyzm A.E.: Jeśli coś nie ma ceny, nie ma również wartości

Aforyzm A.E.: Jeśli coś nie ma ceny, nie ma również wartości _{SzTW (1)}

A.E. podał oryginalne rozwiązanie:

prędkość światła w próżni nie zależy ani od prędkości źródła ani od prędkości

odbiorcy; jest stała względem dowolnego inercjalnego układu odniesienia.

Zdrowy rozsądek to zbiór uprzedzeń nabytych do osiemnastego roku życia.

SzTW (2)

Powstała w okresie od 10 V do 15 VI 1905 r.

(pięć tygodni)

Szczególna, ponieważ odnosi się do inercjalnych układów odniesienia A.E. formułuje postulaty SzTW:

1.Prawa fizyki mają taką samą postać we wszystkich układach inercjalnych

2.W dowolnym układzie inercjalnym światło rozchodzi się z taką samą prędkością c, niezależnie od tego, czy jest emitowane przez ciało pozostające w spoczynku czy poruszające się ruchem jednostajnym

prostoliniowym

Najcenniejszych rzeczy w życiu nie nabywa się za pieniądze.

Najcenniejszych rzeczy w życiu nie nabywa się za pieniądze. _{SzTW (3)}

Konsekwencje (wybrane)

¾ Czas nie jest pojęciem absolutnym;

każdy układ inercjalny ma swój czas, zwany czasem własnym; innymi słowy istnieje tyle czasów, ile układów

odniesienia. Jednoczesność jest pojęciem względnym, tj. zależy od obserwatora.

¾ Warunki pomiaru rozmiarów obiektów będących w ruchu jednostajnym

prostoliniowym wskazują na

kinematyczne (ale nie dynamiczne) skrócenie ich rozmiarów podłużnych (w stosunku do prędkości).

W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy, co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym.

W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy, co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym.

SzTW (4)

Powszechnie znana maksyma mówi, że "wszystko jest względne". Teoria Einsteina nie jest jednak powtórzeniem tego

filozoficznego banału, ale precyzyjnym

matematycznym twierdzeniem, określającym względność pomiarów naukowych. Oczywiste jest, że subiektywne postrzeganie czasu

i przestrzeni zależy od obserwatora.

Jednakże przed Einsteinem większość ludzi uważała, że za tymi subiektywnymi

wrażeniami kryje się czas absolutny i

rzeczywiste odległości, które można mierzyć w sposób obiektywny za pomocą dokładnych przyrządów pomiarowych. Einstein odrzucił pojęcie czasu absolutnego, co spowodowało rewolucję w nauce.

Tekst znaleziony w Internecie

Doktorat w Oxfordzie, 1931 Doktorat w Oxfordzie, 1931

Kto chce znaleźć w życiu szczęście, powinien związać się z jakimś celem, a nie z ludźmi lub rzeczami

SzTW (5)

¾ Dylatacja czasu

τ

( ₀ )

'

2 0

K do

K z

1

τ τ

τ τ

≥

 

 



− 

=

c V

Wszyscy wiedzą, że czegoś nie da się zrobić, i przychodzi taki jeden, który nie wie, że się nie da, i on właśnie to robi.

SzTW (6)

¾ Kinematyczne skrócenie długości podłużnej (l

– długość własna)

( ₀ )

'

2 0

K do

K z

1

l l

c l V

l

≤

 

 



− 

=

Uczony jest człowiekiem, który wie o rzeczach nieznanych innym i nie ma pojęcia o tym, co znają wszyscy.

SzTW (7)

¾ Dodawanie prędkości

lub

' 2

K do

K z

1 ' '

c V v

V v v

+

= +

' 2

K do

K z

1 '

c vV

V v v

−

= −

Nigdy nie myślę o przyszłości.

Nadchodzi ona wystarczająco szybko.

SzTW (8)

Masa ciała jest miarą zawartej w nim energii

do takiego wniosku doszedł we wrześniu 1905 r. ekspert techniczny III kategorii urzędu patentowego w Bernie!

mc 2

E =

Równoważność masy i energii.

Przelicznik energii na masę i masy na energię!

Prawo zachowania masy jest szczególnym przypadkiem prawa zachowania energii (1906)

Ze względu na bezwładność, masa m jest równoważna energii [...] mc². Wynik ten ma nadzwyczajne znaczenie, ponieważ wynika z niego, że

masa bezwładna i energia układu fizycznego są równoważne (1907)

Niemcy jako cały naród odpowiadają za te masowe morderstwa i jako cały naród musza za nie ponieść karę. [..] Naród niemiecki popierał partię narodowosocjalistyczną i obrał Hitlera kanclerzem, pomimo iż

w swojej książce i przemówieniach przedstawiał on swe haniebne zamiary tak jasno, że nie można ich było nie zrozumieć(o bojownikach getta warszawskiego, NY 1944)

SzTW (9)

¾ Po opublikowaniu w 1905 r. pracy na temat SzTW zapadła cisza; przedstawiciele świata nauki

przyjęli postawę: poczekamy, zobaczymy.

¾ Milczenie przerwał M. Planck, ówczesny wielki autorytet naukowy.

¾ Reputacja naukowa A.E. zaczęła gwałtownie rosnąć około 1908 r.; Wilhelm Wien (nagroda Nobla w 1911 r) wysuwa po raz pierwszy

kandydaturę A.E. do Nagrody Nobla za 1912 r.

pisząc: Z czysto logicznego punktu widzenia zasadę względności należy uznać za jedno z najważniejszych osiągnięć fizyki teoretycznej.

Za największe zło kapitalizmu uważam okaleczanie osobowości. Złe

Za największe zło kapitalizmu uważam okaleczanie osobowości. Złem tym jest dotknięty cały m tym jest dotknięty cały nasz system edukacyjny. Uczniom nazbyt silnie wpaja się ideę wsp

nasz system edukacyjny. Uczniom nazbyt silnie wpaja się ideę współzawodnictwa, każąc im ółzawodnictwa, każąc im uznawać żądzę odnoszenia sukcesów za podstawę przyszłej kariery

uznawać żądzę odnoszenia sukcesów za podstawę przyszłej kariery (maj 1949)(maj 1949)

SzTW (10)

Zastosowania SzTW

¾ Globalny System Pozycjonowania

(GPS) — określa położenia obiektów na powierzchni i w przestrzeni około- ziemskiej z dokładnością do kilkunastu metrów; dziś do nabycia na rynku.

¾ Energetyka jądrowa — bezpieczne reaktory jądrowe, czyste źródło energii; w Polsce za 10-15 lat.

SzTW (10)

A.E. — w marcu 1905 r. pisze rewolucyjne słowa:

monochromatyczne

promieniowanie [...] zachowuje [...] się tak, jakby składało się z wzajemnie niezależnych

kwantów energii o wartości h ν . Podstawowe hipoteza A.E.

dotycząca interpretacji

fotoefektu: kwanty energii

światła to cząstki, korpuskuły, a wybijanie elektronów

z powierzchni metalu, to wynik sprężystych zderzeń cząstek światła (kwantów światła) z elektronami.

Schemat stanowiska do pomiaru fotoefektu.

Nazwa foton, na

określenie kwantu światła, została wprowadzona w

1926 r.

Nauka w szkołach powinna być prowadzona w taki sposób, aby uczniowie uważali ją za cenny dar, a nie za ciężki obowiązek (5 X 1952)

o naturze oddziaływania światła z materią

Albert Einstein — w marcu 1905 r. pisze inne rewolucyjne słowa: Jeśli [..]

monochromatyczne promieniowanie [...]

zachowuje [...] się jak ośrodek składający się z dyskretnych kwantów energii

o wartości hν, to sugeruje to podjęcie

badań, czy prawa emisji i absorpcji światła również mają taką postać, jakby światło składało się z tego rodzaju kwantów

energii.

Innymi słowy A.E. sugeruje, że w oddziały- waniu promieniowania elektromagnetycznego z materią powinny uwidocznić się kwantowe właściwości światła.

Fotoefekt (2)

A.E. zinterpretował fotoefekt w następujący sposób: kwant światła przekazuje całą swoją energię elektronowi, przy czym przekazana energia nie zależy od obecności innych kwantów i zapisał

E

= h ν — W, gdzie W — praca wyjścia.

Wnioski: (1) energia elektronu jest proporcjonalna do częstości ν ; (2)

zależność E

od częstości ν jest liniowa, a nachylenie prostej E

( ν ) jest równe stałej Plancka.

Upokorzenia Upokorzenia

i psychiczne i psychiczne gnębienie uczniów gnębienie uczniów przez niedouczonych przez niedouczonych

i egoistycznych i egoistycznych nauczycieli sieje nauczycieli sieje spustoszenie w spustoszenie w młodych umysłach, młodych umysłach,

powodując powodując w późniejszym wieku w późniejszym wieku

opłakane skutki, opłakane skutki, których już nie da się których już nie da się

naprawić (Lejda, naprawić (Lejda,

1934) 1934)

Fotoefekt (3)