Einstein và sự phát triển của vật lý

The Royal Institution of Great Britain

ROYAL INSTITUTION OF GREAT BRITAIN
ALMMABLE STREET, PICADILLY, W.
FRIDAY EVENING MEETING AFTER EASTER,
1900,
To which MEMBERS and their Friends only
are admitted,
FRIDAY
April 27th, Baron Kelvin of Largs
Nineteenth-Century Clouds
over the Dynamical Theory of Heat and Light


Baron Kelvin of Largs
William Thomson (1824-1907)
Cadet Midshipman
Albert A. Michelson
1873, U. S. Naval Academy
Commander Class 4
Albert A. Michelson
Naval Coast Defense Reserve
Altadena, California 1929
Grandpa’s Lullaby 1930
http://spiff.rit.edu/classes/phys314/refs/mm.html
1887
http://www.upscale.utoronto.ca/JPU200Y/Class04.html

Gương bán trong suốt
Tấm chỉnh
L
L
Đường đi của các chùm ánh sáng trong giao thoa kế
t2=2L/c
L
L
t1=2L/c
t=0
Giao thoa kế đứng yên đối với ê-te
L
v
L
Giao thoa kế chuyển động đối với ê-te
L
v
L
Giao thoa kế chuyển động đối với ê-te theo hướng thứ hai
Sự thay đổi dịch chuyển thời gian khi quay giao thoa kế đi một góc 90 độ
Kết quả mong đợi
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/relativ/morley.html
Tháng Ba
Tháng Năm
Tháng Sáu
Tháng Chín
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
1879 -1955
Abraham
Hindel
Hermann
Pauline
Albert 1882
Luitpold Gymnasium München 1888
Bài tập làm văn bằng tiếng Pháp, trường ở Aarau
Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich
Hermann Minkowski
Heinrich F. Weber
ETH Zurich 1896-1900
Marcel
Grossmann
Wilhelm Ostwald
Leipzig
Nhà mà Einstein đã ở
Waldemar Voigt
1850 – 1919
"Über das Dopplersche Prinzip" Nachrichten von der Königlichen Gescellschaft der Wissenschaften und der Georg-Augusts-Universität zu Göttingen, 2, 1887
George Francis FitzGerald
1851 –1901
Profesor "natural and experimental philosophy"
Trinity College, Dublin, Ireland
1894 – The ether and the earth`s atmosphere: „... the length of material bodies changes, according as they are moving through the ether or across it, by an amount depending on the square of the ratio of their velocities to that of light. „
B(t)
E
x
y
z
I
x’
y’
z’
I
E
SC
x
y
z
y`
z`
x`
v
x
y
z
y`
z`
x`
v
x
y
z
ct
x`
y`
z`
ct`
x2+y2+z2 = (ct)2
x’ 2+y’ 2+z’ 2 = (ct’)2
Có thể có khả năng để hai phương trình
đồng thời thỏa mãn hay không?
Một câu hỏi khó:
Không có gì thú vị liên quan đến các tọa độ này, vậy ta tập trung vào các tọa độ còn lại
x
t
xA
tA
(xA,tA)
x`
t`
x`A
t`A
(x’A,t’A)
x`
t`
t
x
1
1
1
1
c =1
x`
t`
t
x
xA
tA
x`A
t`A
x=ct
Vật rắn ở trạng thái nghỉ có dạng hình cầu thì ở trạng thái chuyển động, khi nó được quan sát trong hệ đứng yên, nó sẽ có dạng quả trám với các bán trục
v
Cách đo độ dài của một que chuyển động: chụp đồng thời một lúc bằng các máy ảnh gắn cứng trong hệ mà ta thực hiện phép đo.
chiều dài que = khoảng cách giữa các máy ảnh đã chụp được điểm đầu và điểm cuối của que
ảnh chụp được từ máy đã ghi đựơc điểm đầu của que
ảnh chụp được từ máy đã ghi đựơc điểm giữa của que
ảnh chụp được từ máy đã ghi đựơc điểm cuối của que
0
1
0
1
t’p
t’s
t’k
x`
t`
t
x
1
1
1
1
c=1
x`
t`
t
x
1
1
1
1
c=1
ảnh chụp được từ máy đã ghi đựơc điểm đầu của que
ảnh chụp được từ máy đã ghi đựơc điểm giữa của que
ảnh chụp được từ máy đã ghi đựơc điểm cuối của que
0
1
0
1
tp
ts
tk
Ta còn có
đồng hồ không chuyển động
đồng hồ chuyển động
x
y
z
y`
z`
x`
v
(u’x , u’y , u’z)
(ux , uy , uz) = ?
Phép biến đổi vận tốc:
x
y
z
y`
z`
x`
v
c
Ta hãy xem vận tốc ánh sáng trong hệ qui chiếu chuyển động là bao nhiêu
...
It follows from the special theory of relativity that mass and energy are both but different manifestation of the same thing - a somewhat unfamiliar conception for the average man.
Furthermore, the equation
The mass and energy were in fact equivalent according to the formula mentioned above. This was demonstrated by Cochrane and Walton in 1932 experimentally.
E=mc2
in which energy is set equal to mass multiplied to the square of the velocity of light showed that very small amount of mass my be converted into a very large amount of energy and vice versa.
Albert Einstein & Leo Szilard
Philip H. Abelson,
Hans Bethe,
Niels Bohr,
Sir James Chadwick,
Enrico Fermi,
Richard Feynman,
Otto Frisch,
George Kistiakowsky,
Ernest Lawrence,
Philip Morrison,
Seth Neddermeyer,
John von Neumann,
Rudolf Peierls,
I. I. Rabi,
Leo Szilard,
Edward Teller,
Stanislaw Ulam,
Harold Urey,
Victor Weisskopf.
Bohr Oppenheimer Feynman Fermi
The Gadget
„Brighter than a thousand suns
I am become death, destroyer of the worlds”
Trinity: 19 000 ton TNT
Little Boy = 100 kg U235 Fat Man = 16 kg Pu239
Sir William Crookes
(1832 – 1919)
itd.
1897
1905
ROYAL INSTITUTION OF GREAT BRITAIN
ALMMABLE STREET, PICADILLY, W.

FRIDAY EVENING MEETING AFTER EASTER,
1897,
To which MEMBERS and their Friends only
are admitted,
FRIDAY
April 30th, PROFESSOR J. J. THOMSON MA. LL.D.
Sc.D. FRS
Cathode Rays
J.J. Thomson (1856-1940)
J.J. Thomson,
Cathode Rays,
Philosophical Magazine, 44, 293 (1897).

As the cathode rays carry a charge of negative electricity, are deflected by an electrostatic force as if they were negatively electrified, and are acted on by a magnetic force in just the way in which this force would act on a negatively electrified body moving along the path of these rays, I can see no escape from the conclusion that they are charges of negative electricity carried by particles of matter.

The question next arises, What are these particles? are they atoms, or molecules, or matter in a still finer state of subdivision?
To throw some light on this point, I have made a series of measurements of the ratio of the mass of these particles to the charge carried by it. To determine this quantity, I have used two independent methods.
The first of these is as follows:

Suppose we consider a bundle of homogeneous cathode rays.
Let m be the mass of each of the particles, e the charge carried by it.
Let N be the number of particles passing across any section of the beam in a given time;
then Q the quantity of electricity carried by these particles is given by the equation

Ne = Q.

We can measure Q if we receive the cathode rays in the inside of a vessel connected with an electrometer.
When these rays strike against a solid body, the temperature of the body is raised; the kinetic energy of the moving particles being converted into heat; if we suppose that all this energy is converted into heat, then if we measure the increase in the temperature of a body of known thermal capacity caused by the impact of these rays, we can determine W, the kinetic energy of the particles, and if v is the velocity of the particles,

(1/2)Nmv2 = W.
If r is the radius of curvature of the path of these rays in a uniform magnetic field H, then

mv/e = Hr = I,
where I is written for Hr for the sake of brevity.

From these equations we get

(1/2)(m/e)v2 = W/Q .
v = 2W/QI ,

m/e = I2Q/2W.

Thus, if we know the values of Q, W, and I, we can deduce the values of v and m/e.
katoda
płytki odchylające
ekran
From these determinations we see that the value of m/e is independent of the nature of the gas, and that its value 10-7 is very small compared with the value 10-4, which is the smallest value of this quantity previously known, and which is the value for the hydrogen ion in electrolysis.
The smallness of m/e may be due to the smallness of m or the largeness of e, or to a combination of these two.
That the carriers of the charges in the cathode rays are small compared with ordinary molecules is shown, I think, by Lenard`s results as to the rate at which the brightness of the phosphorescence produced by these rays diminishes with the length of path travelled by the ray.
W. Wien und O. Lummer,
Annalen der Physik 56,453 (1895).
Mô hình thực nghiệm của vật đen lý tưởng
Khủng hoảng vùng cực tím
itd.
1905
1900
Về lý thuyết các định luật phân bố năng lượng trong phổ bình thường
Arno Penzias and Robert Wilson Nobel 1978
1965
1902 Philippe von Lenard
Trong công trình trước tôi đã chỉ ra rằng ánh sáng cực tím chiếu vào vật có thể giải phóng từ nó một bức xạ âm cực.
Về cơ bản, theo tôi những quan sát "bức xạ vật đen", huỳnh quang và tạo ra các tia âm cực cũng như các hiện tượng khác liên quan đến phát xạ và chuyển đổi ánh sáng có thể được giải thích tốt hơn với giả thiết rằng năng lượng của ánh sáng được phân bố trong không gian một cách không liên tục. Theo giả thiết được chấp nhận ở đây, khi tia sáng xuất phát từ một điểm lan truyền, năng lượng không được phân bố một cách liên tục mà bao gồm một số lượng hữu hạn các lượng tử được địa phương hóa trong không gian, mà chúng chuyển động không bị phân chia và có thể bị hấp thụ hoặc phát xạ hoàn toàn.
Ngoài ra ta giả thiết rằng mỗi một điện tử khi rời khỏi vật phải thực hiện một công P (đặc trưng cho vật này). Các điện tử bị kích thích vuông góc với bề mặt của vật sẽ chuyển động với vận tốc trực giao lớn nhất. Năng lượng của các điện tử như vậy bằng:
Robert A. Millikan
(1868 – 1953)
http://nobelprize.org/physics
(Einstein 1905)
Máy đếm photon hiện đại
Poznański Ośrodek Nauki
12 maja 2005
1700
1800
1900
2000
Robert Brown
Albert Einstein
Marian Smoluchowski
1905
1827
Smoluchowski, 1906
http://www.microscopy-uk.org.uk
Clarkia pulchella
deer horn – jelenie rogi
Robert Brown
¤ Montrose, Scotland 1773
† Soho Square London 1858

1827 pierwsza pisemna relacja
z obserwacji „active molecules”
http://life.bio.sunysb.edu
20 μm
Hạt bụi phấn này vẫn lớn và nặng nên chuyển động của nó vẫn chưa quan sát được
Robert Brown
"Additional Remarks on Active Molecules" (1829)

... extremely minute particles of solid matter, whether obtained from organic or inorganic substances, when suspended in pure water, or in some other aqueous fluids, exhibit motions for which I am unable to account, and which from their irregularity and seeming independence resemble in a remarkable degree the less rapid motions of some of the simplest animalcules of infusions. That the smallest moving particles observed, and which I have termed Active Molecules, appear to be spherical, or nearly so, and to be between 1-20,000dth and 1-30,000dth of an inch in diameter; and that other particles of considerably greater and various size, and either of similar or of very different figure, also present analogous motions in like circumstances.
Tháng 3
Tháng 5
Tháng 6
Tháng 9
Về chuyển động của các hạt treo trong chất lỏng đứng yên là hệ quả của lý thuyết động học phân tử của nhiệt.
Trong công trình này sẽ được chỉ ra rằng theo thuyết động học phân tử của nhiệt, các vật với kích thước vi mô treo trong các chất lỏng phải thực hiện các chuyển động với các kích thước có thể quan sát được bằng kính hiển vi. Rất có thể là những chuyển động được xem xét ở đây chính là "những chuyển động Brown", song biết của tôi về chúng không chính xác đến nỗi là tôi không thể rút ra ở đây bất cứ một kết luận nào.
O ciśnieniu osmotycznym przypisanym zawieszonym cząstkom
Niech z gramocząsteczek nie-elektrolitu będzie rozpuszczonych w objętości V* tworzącej część pewnej ilości cieczy o całkowitej objętości V. Jeśli objętość V* jest odseparowana od czystego rozpuszczalnika ścianą przepuszczalną dla rozpuszczalnika, ale nieprzepuszczalną dla substancji rozpuszczonej, wtedy, wywierane jest tzw. „ciśnienie osmotyczne” spełniające przy dostatecznie dużych V*/z równanie:
V*
p0+ p
p0
ciecz czysta
ciecz z N
cząsteczkami
rozpuszczonej substancji
z – liczba moli rozpuszczonej substancji
membrana półprzepuszczalna
p0
p0
p0
p0
ciecz czysta
ciecz z zawieszonymi w niej
cząstkami
Browna
membrana półprzepuszczalna
V*
p0+ p
Konkluzja: cząstki Browna zachowują się po prostu jak molekuły.
Ich obecność prowadzi do powstania ciśnienia osmotycznego. Liczy się wyłącznie ich liczba w oddzielonej membraną objętości.
Równanie stanu „gazu” cząstek Browna
Teoria dyfuzji małych zawieszonych kulek
Przyjmiemy, że ciecz ma jednostkowy przekrój prostopadły do osi X i jest ograniczona przez powierzchnie x = 0 i x = l. Mamy więc:
oraz
Poszukiwany warunek równowagi:
lub
(1)
„Ostatnie równanie mówi, że siła K będzie zrównoważona przez siły pochodzące od ciśnienia osmotycznego.”
g
x
Równanie (1) wykorzystamy dla wyznaczenia współczynnika dyfuzji zawieszonej substancji. Możemy traktować rozważony wyżej stan równowagi jako superpozycję dwóch biegnących w przeciwnych kierunkach procesów, a mianowicie
1. ruchu zawieszonej substancji
pod działaniem wywieranej na każdą
z zawieszonych cząstek siły K,
2. procesu dyfuzji, będącego
wynikiem nieuporządkowanego ruchu
cząstek wywołanego cieplnym
ruchem molekularnym.
1
2
Jeśli zawieszone cząstki będą miały kształt kulisty (o promieniu P), zaś ciecz będzie posiadała współczynnik lepkości k, to siła K nada poszczególnym cząstkom prędkość:
i przez przekrój poprzeczny w jednostce czasu przejdzie
cząstek. Ponieważ obowiązuje warunek równowagi dynamicznej, musi zachodzić równanie:
lub
K
v
(2)
Możemy traktować rozważony wyżej stan równowagi jako superpozycję dwóch biegnących w przeciwnych kierunkach procesów, a mianowicie
1. ruchu zawieszonej substancji pod działaniem wywieranej na każdą z zawieszonych cząstek siły K,
2. procesu dyfuzji, będącego wynikiem nieuporządkowanego ruchu cząstek wywołanego cieplnym ruchem molekularnym.
g
1
2
x
(2)
Korzystając z obu znalezionych warunków równowagi dynamicznej (1) i (2) można wyliczyć współczynnik dyfuzji. Otrzymuje się:
Przejdziemy teraz do dokładniejszego rozważenia nieuporządkowanych ruchów wywołanych cieplnym ruchem molekularnym i prowadzących do rozważanej w ostatnim paragrafie dyfuzji.
O nieuporządkowanym ruchu cząstek zawieszonych w cieczy i jego związku z dyfuzją.
x
D
prawdopodobieństwa ruchów w prawo i w lewo są identyczne
warunek normowania
0, bo
Podstawiamy
Jest to znane równanie różniczkowe dyfuzji i rozpoznajemy, że D jest współczynnikiem dyfuzji.
Ponieważ ruchy n rozproszonych w cieczy cząstek są niezależne od siebie, możemy sobie wyobrazić, że te, nie czując się nawzajem, ruszają wszystkie z jednego punktu, np. z początku układu współrzędnych.
W chwili początkowej mamy więc:
Delta Diraca
Całkując równanie dyfuzji dostajemy:
Prawdopodobieństwo
Wysokość przegranej/wygranej
10 rzutów
100 rzutów
+ 1
- 1
Animacja dyfuzji
Wzory na średnie przesunięcie zawieszonych cząstek. Nowa metoda wyznaczenia wielkości atomu.
W paragrafie 3 znaleźliśmy wartość współczynnika dyfuzji D zawieszonych w cieczy materiałów o kształcie małych kulek o promieniu P
Dalej, znaleźliśmy w paragrafie 4 średnią wartość przesunięcia cząstek w kierunku osi X w czasie t:
Eliminując D otrzymujemy:
Średnie przesunięcie na 1 min. Wyniesie więc około 6 mikronów.
Z drugiej strony, znalezioną relację można wykorzystać do wyznaczenia N. Otrzymujemy:
Można mieć nadzieję, że znajdzie się badacz, który odpowie na postawione tu pytania, tak ważne dla teorii ciepła!
Richard Feynman Wykłady z fizyki

Albert Einstein
Muzyk