Annus Mirabilis makaleleri

Annus Mirabilis makaleleri (Latince: annus mīrābilis; mucize yıl), Albert Einstein tarafından 1905 yılında Annalen der Physik bilim dergisinde yayınlanan makalelerdir. Bu dört makale modern fiziğin temelinin oluşturulmasına büyük ölçüde katkıda bulunmuş ve uzay, zaman, kütle ve enerji üzerindeki görüşleri değiştirmiştir. Annus Mirabilis, İngilizcede Miracle Year veya Almancada Wunderjahr olarak adlandırılır ve mucize yıl anlamına gelir.

Annalen der Physik için yapılan eleştirileri düzenli olarak okuması ve bunlara katkıda bulunmasına rağmen makalelerin yazıldığı dönemde Einstein eksiksiz bir bilimsel referans materyal setine kolaylıkla erişemiyordu. Ayrıca, teorilerini tartışabileceği bilimsel meslektaşlarının sayısı da çok azdı. Einstein, İsviçre, Bern’de Patent Bürosunda çalışmış ve daha sonra oradaki çalışma arkadaşlarından biri olan, Michele Besso’ya, "tüm Avrupa’da kendi fikirleri için daha iyi bir yansıtıcı bulamayacağını" söylemişti. Bunun dışında, çalışma arkadaşları ve kendinden menkul “Olimpiyat Akademisi”nin diğer üyeleri (Maurice Solovine ve Paul Habicht), ve karısı Mileva Marić'in Einstein’in çalışmaları üzerinde bazı etkileri olmakla birlikte, bunun ne kadar olduğu belirsizdir.

Bu makaleler yoluyla, Eienstein çağın en önemli fizik soruları ve sorunlarının üstesinden gelmeyi başarmıştır. 1900’de, Lord Kelvin’in verdiği "Isı ve Işığın Dinamik teorisi üzerinde Ondokuzuncu Yüzyıl Bulutları" başlıklı derste fiziğin Michelson-Morley deneyi sonuçları ve kara cisim radyasyonu hakkında tatminkar açıklamalarının olmadığı ileri sürülmüştür. Öne sürüldüğü gibi, özel görelilik Michelson-Morley deneylerinin sonuçlarına bir değer katmıştır. Einstein’ın fotoelektrik etki teorileri, Max Planck’ın başarılı kara cisim radyasyonu açıklamasında geliştirdiği kuantum teorisini genişletmiştir.

Özel görelilik gibi diğer çalışmalarıyla elde ettiği büyük şöhrete rağmen, fotoelektrik etki üzerindeki çalışması kendisine 1921 yılında Nobel Ödülü'nü kazandırmıştır: "Teorik fizik ve özellikle fotoelektrik etki yasasının keşfine yaptığı hizmetler için." Nobel Komitesi özel görelilik için deneysel onayı sabırla beklemiş, ancak Ives ve Stilwell (1938), (1941) ile Rossi ve Hall’ın (1941) zaman genişlemesi deneylerine kadar ortaya bir şey konmamıştır.

Işık paketçikleri fikri, James Clerk Maxwell’in elektromanyetik davranış denklemleri ve daha genel olarak, fizik sistemlerinde sonsuz bölünebilirlik varsayımından gelen ışığın dalga teorisiyle çelişmektedir.

Einstein fotoelektrik etkinin dalga boyuna, ve dolayısıyla ışığın frekansına bağlı olduğunu belirtmiştir. Çok düşük frekansta, yoğun ışık dahi elektron üretmemiştir. Ancak, belli bir frekansa erişildiğinde, düşük yoğunluklu ışık bile elektron üretmiştir. Einstein bunu, h Plank sabiti ve f frekans olan ve hf olarak verilen, Plank’ın ışığın sadece enerji paketleri halinde emilebildiği hipoteziyle karşılaştırmıştır. Sonra, ışığın, enerjisi frekansa bağlı olan paketler halinde dolaştığını, ve bu nedenle de sadece belli bir frekansın üzerindeki ışığın bir elektronu serbest bırakmak için yeterli enerji getirebileceğini öne sürmüştür.

Daha sonraki deneylerin Einstein’ın fotoelektrik etki denklemlerinin doğru olduğunu teyit etmesine rağmen açıklaması dünyaca kabul görmemiştir. Niels Bohr, 1922 Nobel konuşmasında, "Işık-kuantum hipotezi radyasyonun doğasına açıklık getiremiyor" demiştir.

Einstein 1921’de Nobel Ödülü'nü aldığında ve ödül davetinde fotoelektrik hakkındaki çalışmasından ismen söz edildiğinde, bazı fizikçiler (h f = ɸ + Ek) denkleminin doğru olduğunu ve ışık kuantumunun mümkün olduğunu kabul etmişlerdir. 1923’te Arthur Compton’un X-ışını saçılma deneyi bilim camiasının bu formülü kabul etmesine daha çok yardımcı olmuştur. Kuantum teorisi, kuantum mekaniğinin temel prensibi olan dalga-parçacık ikiliğinin güçlü bir göstergesi olmuştur. Fotoelektrik teorisinin eksiksiz bir tanımı kuantum mekaniğinin olgunlaşmasından sonra gerçekleşmiştir.

Einstein parçacıkların ortalama kare yer değiştirmeleri için terimler türetmiştir. Makale, o dönemde henüz tartışmalı olan sıvıların kinetik teorisini kullanarak, ilk gözlemden onlarca yıl sonra bile tatminkar bir açıklaması olmayan, atomun gerçekliğine deneysel bir kanıt sağlayan olguyu oluşturmuştur. Ayrıca, o dönemde tartışmalı olan istatistiksel mekaniklerin inanırlığını da sağlamıştır. Bu makaleden önce atomlar faydalı bir kavram olarak kabul edilmişlerdir ancak fizikçiler ve kimyacılar atomların gerçek birimler olup olmadığı hususunda tartışmaktaydılar. Einstein’ın atom davranışını istatistiksel tartışması deneyselcilere sıradan bir mikroskopla bakarak atomları sayabilme yolunu göstermiştir. Anti-atom okulunun önderlerinden birisi olan Wilhelm Ostwald, sonradan Arnold Sommerfeld’e Eienstein’ın eksiksiz Brown hareketi açıklamasından sonra atomların mevcudiyetine inandığını söylemiştir.

Einstein’ın bu yıl içindeki üçüncü makalesi olan "Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği", 30 Haziran’da ulaşmış ve 26 Eylül’de yayınlanmıştır. Bu makale, ışığın hızına yakın mekaniğe önemli değişiklikler getirerek, Maxwell’in elektrik ve manyetik denklemlerini mekanik yasalarıyla bağdaştırmıştır. Bu, daha sonra Einstein’ın özel görelilik kuramı olarak tanınmıştır.

Makalede sadece beş diğer bilim adamının, Isaac Newton, James Clerk Maxwell, Heinrich Hertz, Christian Doppler, ve Hendrik Lorentz’in adından söz edilmektedir. Başka yayınları referans göstermez. Özel görelilik ve görelilik öncelik anlaşmazlığı tarihçesinde detaylı olarak verildiği üzere fikirlerin çoğu zaten diğerleri tarafından yayınlanmıştır. Ancak, Einstein’ın makalesi elektromanyetizma ile uyumlu zaman, uzaklık, kütle, ve enerji teorisini ortaya koymuş fakat yer çekimi kuvvetini ihmal etmiştir.

O dönemde, Maxwell denklemlerinin, hareketli cisimlere uygulandığında asimetrikliklere (hareketli mıknatıs ve iletken problemi) yol açtığı ve Dünyanın "ışık ortamına" göreceli herhangi bir hareketinin keşfedilmesinin mümkün olmadığı bilinmekteydi. Einstein bu gözlemleri açıklamak için iki önerme ortaya koymaktadır. İlkinde, fizik yasalarının herhangi bir ivmesiz referans çerçevesi (eylemsiz referans çerçevesi) için aynı olduğunu ifade eden, görelilik prensibini elektrodinamik, optik ve mekanik yasalarına uygular. İkinci önermesinde ise Einstein, yayan cismin hareket durumundan bağımsız olarak, ışık hızının tüm eylemsiz referans çerçevelerinde aynı değere sahip olduğunu öngörmektedir.

Birbirinden bağımsız olarak, George FitzGerald 1889’da ve Lorentz 1892’de, hareketli cisimlerin kendi açıklanabileceğini önermişlerdir. Makalenin bazı temel denklemleri hareketleri yönünde büzülmeleri halinde Michelson-Morley sonucunun, Lorentz dönüşümleri, Lorentz’in 1904 tarihli makalesinin geliştirilmiş haliyle, Joseph Larmor (1897, 1900), Hendrik Lorentz (1895, 1899, 1904) ve Henri Poincaré (1905) tarafından yayınlanmıştır. Einstein’ın sunumu FitzGerald, Larmor ve Lorentz’in açıklamalarından farklı ancak birçok açıdan Poincaré’in formülasyonu (1905) ile benzerdir.

Günümüzde özel görelilik teorisi olarak adlandırılan teori, tüm gözlemcilerin eşdeğer olduğunu göz önüne alan daha sonraki genel görelilik teorisinden farklılaşmaktadır. Özel görelilik, Eienstein’ın 1905'te "keşif için olgun" yorumunu teyit ederek, dikkati çekecek kadar hızlı bir şekilde yaygın biçimde kabul edilmiştir. Fikirlerinin erken yayılmasında Max Planck’ın rolünü kabul eden Einstein 1913’te "Bu teorinin meslektaşların bu kadar hızlı dikkatini çekmesi kesinlikle onun [Planck] bu teoriye cesur ve sıcak bir biçimde müdahil olmasındandır" diye yazmıştır. Bundan başka, 1907’te Hermann Minkowski’nin teorisinin geliştirilmiş matematik formülasyonu da bu teorinin kabul görmesinde etkili olmuştur. Ayrıca, ve en önemlisi, teori giderek artan biçimde doğrulayıcı deneysel kanıtlarla desteklenmiştir.

21 Kasım’da Annalen der Physik, “Bir Cismin Eylemsizliği Enerji İçeriğine Bağlı mıdır?” başlıklı dördüncü makaleyi (27 Eylül’de ulaşmıştır) yayınlamıştır. Einstein bu makalede muhtemelen fizik alanındaki en meşhur denklem için bir kanıt geliştirmiştir: E = mc².

Einstein, klasik kinetik ve potansiyel enerjilerinden ayrı, çok büyük bir parçacığın bir enerjiye, "durgun enerji", sahip olduğunu gösterdiğinden eşitlik denkleminin çok önemli olduğunu düşünmüştür. Makale, James Clerk Maxwell ile Heinrich Rudolf Hertz’in incelemelerine ve ayrıca, Einstein’in söylediği gibi, görelilik aksiyomlarına dayanmaktadır.

Kütle-enerji ilişkisi nükleer reaksiyonlarla ne kadar enerjinin açığa çıkacağı veya harcanacağını tahmin etmede kullanılabilir; tüm bileşenlerin kütlesi ve tüm ürünlerin kütlesi ölçülür ve ikisi arasındaki fark c² ile çarpılır. Sonuç genellikle ışık veya ısı biçiminde, ne kadar enerjinin açığa çıkacağı veya harcanacağını gösterir. Belli nükleer reaksiyonlara uygulandığında, denklem kimyasal patlayıcı yanmalarında olduğundan çok daha fazla, inanılmaz büyük miktarda ve kütle farkının ölçülmesi çok zor olan, enerjinin açığa çıkacağını gösterir. Bu, neden nükleer silahların bu kadar büyük miktarlarda enerji ürettiğini açıklar zira nükleer fisyon ve nükleer füzyon sırasında bağlanma enerjisini açığa çıkartırlar ve ayrıca atomaltı kütlenin büyük bir kısmını da enerjiye çevirirler.

Uluslararası Temel ve Uygulamalı Fizik Birliği (IUPAP), Einstein’ın 1905'teki ayrıntılı çalışmasının yayınlanmasının 100. yılını "2005 Dünya Fizik Yılı" olarak anmaya karar vermiştir. Bu daha sonra Birleşmiş Milletler tarafından da kabul edilmiştir.