Til medlemmer av NNS

Innlegg om Einstein:
Einstein i 1905 og den vitenskapelige situasjon rundt 1900. Dette innlegget vil begynne med en kort oversikt over Einsteins arbeider i 1905 i tidsrommet 17. mars til 27. september, alle publisert i Annalen der Physik. Det er 5 stykker av dem, hver av dem kunne fortjent en nobelpris, men han fikk først nobelprisen i 1921 for den 5. avhandlingen om fotoelektrisk effekt. Einstein er født i 1879, så i 1905 er han 26 år gammel, uten en akademisk stilling, men heltidsansatt på patentkontoret i Bern. Det er forståelig nok at man på denne bakgrunn har kalt året 1905 for Annus mirabilis (Først brukt om 1666 da Newton la grunnlaget for den moderne fysikk og matematikk, se diktet av John Dryden: Annus Mirabilis: The Year of Wonders, 1666).

Allerede mellom 1901 og 1904 (22-25 år) hadde han fått publisert 5 artikler i det velrenommerte Annalen der Physik, men var ikke blitt lagt merke til og var praktisk ukjent i vitenskapelige kretser.

Dette er ikke goetheanistisk eller fenomenologisk fysikk. Men det dreier seg i høy grad om anvendelse av matematikk i naturvitenskapen. Og det burde gi et godt innblikk i den vitenskapelige situasjonen som Rudolf Steiner sto overfor på Technische Hochschule i Wien på 1880-tallet og de neste 30 årene. I 1905 var det ennå strid om molekyler og atomer var faktisk eksisterende størrelser, eller om det bare var matematiske regnebrikker som gjorde det lettere å få systematisert fenomenene. Blant de mest prominente motstanderne av molekylrealistene var Wilhelm Ostwald og Ernst Mach. Ostwald måtte gi tapt like etter, mens Mach (1838-1916) aldri ga seg, selv om realiteten om molekylenes eksistens ble regnet som avgjort innen 1910.

For å sette Einsteins arbeider fra 1905 i en større sammenheng, vil jeg gi en kort oversikt av Einsteins arbeider, også før og etter 1905, og presentere et skjema for de fysikerne han særlig kom til å påvirke og samarbeide med, og hvem han bygger på.

Utsnitt av viktige nyvinninger før ca. 1900:

1. Stokes regel for forskyvning av bølgelengden ved fluorescens (1852). En forklaring fremkommer først i Einsteins arbeid no 5.
2. Maxwells ligninger for elektrodynamikken: 1873
3. Fraunhoferlinjene i solspektret. Oppdaget: Wollaston 1802, gjenoppdaget Fraunhofer 1814. Forklart av Kirchhoff i 1859.
4. Kinetisk gassteori: Clausius 1857, Maxwell 1859. Statistisk mekanikk: Ludwig Boltzmann 1877
5. Balmer-serien for hydrogen: 1885 (spektralanalysens fødsel)
6. Røntgenstråling oppdaget 1895
7. Radioaktiv stråling 1896
8. Plancks strålingslov for sortstråling 1900. Den første introduksjon av kvantet. (Plancks konstant h=6,63*10-34Js).

Einsteins fem arbeider i 1905 (ordnet etter stigende grad av avstand fra klassisk fysikk):

1. Albert Einstein: Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen. (20 sider. ) Doktoravhandlingen på 20 sider som studerer lovmessighetene i en svak sukkerløsning (sukker løst i vann), og som resultat regner ut størrelsen på sukkermolekylene (Radius R= 9,9*10-8 cm og Avogadros tall: N = 2,1*1023) Den utregnede molekylstørrelse avviker 15% fra de målte verdier, mens korrekt N = 6,022*1023 avviker betydelig fra Einsteins verdi. Avhandlingen inneholder ca. 30 feil, hvorav det meste er trykkfeil og banale skrivefeil, men også en elementær, men ikke triviell derivasjonsfeil. Dette ble senere rettet opp og en revidert versjon ble utgitt i 1922. Sensorene innvendte at avhandlingen var for kort, og returnerte den. Einstein føyde da til en setning og sendte den inn igjen. Da ble den godtatt. Sensorene hadde åpenbart ikke gått detaljert gjennom de meget komplekse utregningene. Denne avhandlingen, som stort sett er helt ukjent av menigmann, er det arbeid som er mest sitert i faglitteraturen av alle Einsteins arbeider. Dette skyldes nok i stor grad den store anvendelsen i praktiske virksomheter avhandlingen har hatt. Et kort sammendrag av de viktigste prinsippene i avhandlingen vil kreve ca. 1 time og får utstå til senere.

Avhandlingen gir et svar på spørsmålet: hvordan kan man ut fra målte egenskaper til væsker og lsninger som viskositet og diffusjonshastighet slutte seg til noe om størrelsen og antallet (i et mol) av molekyler?

2. Albert Einstein: Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen. (13 sider) Dette er avhandlingen om de Brownske bevegelser, altså om de uregelmessige bevegelser av mikroskopisk små suspenderte partikler i en væske som er i ro. En innsikt i denne avhandlingen vil kreve en oversikt over hva som den gang var utarbeidet av kinetisk gassteori og statistisk mekanikk. Einstein var ikke fullt oppdatert i arbeidene til Boltzmann, men hans geniale arbeid inneholder likevel såpass mange nye tanker at det brakte vitenskapen et godt stykke videre i dette feltet. Jeg vil gi en kort oversikt over gassteori i et par setninger, en forståelse av dette skriftet vil imidlertid kreve en nøyere gjennomgang som får utstå til en senere anledning dersom det er interesse for det i gruppen. Einsteins avhandling har frem til ca. 2000 blitt regnet som beviset på eksistensen av molekyler og har bl.a. vært sitert på dette i norske lærebøker. Dette har blitt strøket i senere utgaver.

Utgangsspørsmål: Finnes det direkte observerbare prosesser som viser at temperaturen gir et mål for tilfeldige bevegelser av molekylene?

3. Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper (37 sider) Dette er den spesielle relativitetsteori. Jeg vil la en omtale av denne avhandlingen utstå til en senere anledning dersom det er interesse for det. Einsteins radikale grep var å gå ut fra to aksiomer: a) Det eksisterer ingen eter. b) Lyshastigheten er den samme i alle inertialsystemer.

Teorien var kontroversiell, og ble ikke akseptert av Lorentz og Poincaré, men straks omfavnet av Planck.

Utgangsspørsmål: I mekanikken har man siden Galilei operert med et relativitetsprinsipp. Det går ut på at av alle inertialsystemer som beveger seg med konstant fart i forhold til hverandre, finnes det ikke noe system som ut fra mekanikkens lover kan ansees som "hvilende". Kan dette generaliseres til å gjelde alle fysikkens lover?

4. Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? (4 sider) Dette er den berømte utforming av formelen E = mc2, som Einstein imidlertid her utformer på en litt annen måte. Alt er utledet av lovmessigheter han kom frem til i avhandling 3 om den spesielle relativitetsteori. Han uttrykker det slik: La K0 og K1 være den kinetiske energien i to systemer som beveger seg med hastigheten v i forhold til hverandre. Legemet i system 0 gir fra seg energien L i form av stråling. Da har vi: K0 - K1 = L/V2 * v2/2, der V er lyshastigheten. Dette betyr at hvis et legeme gir fra seg energien L i form av stråling, så minsker legemets masse med størrelsen L/V2. Så konkluderer han, fordi han er en forsiktig mann: Hvis teorien stemmer overens med fakta, så overfører strålingen treghet mellom de emitterende og absorberende legemer.

Utgangsspørsmål: Finnes det en sammenheng mellom bevaringssatsene for masse og energi?

5. Albert Einstein: Über einen der Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (21 sider) Dette er avhandlingen han fikk nobelprisen for, dvs. det handler om den fotoelektriske effekt. Arbeidet handler om sammenhengen mellom materie og stråling. Jeg mener derfor det har interesse å forfølge den historiske utvikling av forestillinger om varmestråling fra ca. 1790 frem til Plancks strålingslov 1900. Einstein tar utgangspunkt i Plancks strålingslov, der Planck for førte gang antar at lyset stråler ut i form av kvanter (men ikke nødvendigvis brer seg ut i rommet som kvanter). Da kan vi forfølge bevissthetsutviklingen i menneskeheten ved hjelp av dette eksemplet. Jeg vil derfor forsøke å gi en fyldig fremstilling av denne utviklingen. Hovedvekten av mitt innlegg vil derfor ligge på denne avhandlingen denne gangen.

Utgangsspørsmål: Er lysets energi, eller mer generelt energien av det elektromagnetiske feltet faktisk kontinuerlig utbredt i rommet, slik det antas etter Maxwells teori (de 4 ligningene), eller finnes det eksperimentelle observasjoner som tyder på at denne energien består av ikke delbare kvanter, konsentrert i mange bevegelige punkter?

Einstein anvender hypotesen om kvanter på tre ulike tilfelle:

a) Stokes forskyvningsregel (1852): Et fluorescerende stoff belyst av en 'monokromatisk' (kan være temmelig bredbåndet) lyskilde vil sende ut fluorescenslys med lengre bølgelengde enn det innkomne lys. (Jeg planlegger å ta med en gjenstand av uranglass som sender ut gulgrønt fluorescerende lys. Hvis noen kan ta med en rød lyskilde (til nød kan vi bruke baklyset på en bil), vil vi se at glasset er klart og ikke har noen kjemisk farge. Iflg Goethes fargelære hører derfor dette fargefenomenet inn under fysiske farger.) (NB! Uranglass er radioaktivt, og ble forbudt å produsere i 1925. Denne radioaktive dekanteren er kjøpt på ebay.de).

b) Hvordan entropien i gasser og fortynnede løsninger avhenger av volumet av gassen/den fortynnede løsningen. (Av den lovmessigheten Einstein utleder av kvantehypotesen, kan man lett utlede Boyle-Gay-Lussacs lov: pV = nRT)

c) Frembringelse av katodestråler ved belysning av faste legemer (fotoelektrisk effekt).

Denne siste avhandlingen til Einstein ble regnet som såpass radikal, at han ble ansett for å være en einstøing, og ble lenge regnet som Apostata (som Julian), eller frafallen. Derfor varte det så lenge før han fikk nobelprisen for dette arbeidet. Hvordan hans hypoteser etter hvert fant innpass overalt (til slutt også hos Bohr), er en egen historie.