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.
Geçmiş
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, Bernde Patent Bürosunda çalışmış ve daha sonra oradaki çalışma arkadaşlarından biri olan, Michele Bessoya, "tüm Avrupada kendi fikirleri için daha iyi bir yansıtıcı bulamayacağını" söylemişti. Bunun dışında, çalışma arkadaşları ve kendinden menkul Olimpiyat Akademisinin diğer üyeleri (Maurice Solovine ve Paul Habicht), ve karısı Mileva Marić'in Einsteinin 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. 1900de, Lord Kelvinin 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. Einsteinın fotoelektrik etki teorileri, Max Planckın 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 Hallın (1941) zaman genişlemesi deneylerine kadar ortaya bir şey konmamıştır.
Makaleler
Fotoelektrik etki
18 Martta ulaşan ve 9 Haziranda yayınlanan "Işığın Oluşumu ve Dönüşümü Üzerine Sezgisel Bir Görüş" başlıklı makale, kuantum enerjisi fikrini ortaya koymuştur. Max Planckın daha önceki kara cisim radyasyonu yasasının derivasyonundan esinlenmiş olan bu fikir, ışık enerjisinin, kuantum olarak adlandırılan, farklı miktarlarda emilebileceği veya yayılabileceğini öngörür. Einstein şu ifadeyi kullanmıştır:
Fotoelektrik etkiyi açıklarken, Einsteinın tanımladığı gibi enerjinin farklı paketçiklerden oluştuğu tezi, kara cisimlere de doğrudan uygulanabilir.
Işık paketçikleri fikri, James Clerk Maxwellin 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, Plankın 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 Einsteinın 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 1921de 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. 1923te Arthur Comptonun 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.
Brown hareketi
11 Mayısta ulaşan ve 18 Temmuzda yayınlanan "Durağan Bir Sıvı İçindeki Asıltı Parçacıklarının Moleküler Kinetik Kuramı Çerçevesindeki Hareketleri Üzerine" başlıklı makalesi Brown hareketinin olasılıksal bir modelini tariflemiştir:
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. Einsteinın atom davranışını istatistiksel tartışması deneyselcilere sıradan bir mikroskopla bakarak atomları sayabilme yolunu göstermiştir. Anti-atom okulunun önderlerinden birisi olan Wilhelm Ostwald, sonradan Arnold Sommerfelde Eiensteinın eksiksiz Brown hareketi açıklamasından sonra atomların mevcudiyetine inandığını söylemiştir.
Özel görelilik
Einsteinın bu yıl içindeki üçüncü makalesi olan "Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği", 30 Haziranda ulaşmış ve 26 Eylülde yayınlanmıştır. Bu makale, ışığın hızına yakın mekaniğe önemli değişiklikler getirerek, Maxwellin elektrik ve manyetik denklemlerini mekanik yasalarıyla bağdaştırmıştır. Bu, daha sonra Einsteinın özel görelilik kuramı olarak tanınmıştır.
Makalede sadece beş diğer bilim adamının, Isaac Newton, James Clerk Maxwell, Heinrich Hertz, Christian Doppler, ve Hendrik Lorentzin 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, Einsteinın 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.
Özel görelilik ise, bir ortam (su veya hava gibi) gerektiren diğer bilinen dalgalardan farklı olarak ışık dalgaları için bir iletkenlik ortamı (veya eter) belirlemeyen, Michelson-Morley deneyinin sonucuyla tutarlıdır. Einstein o deneyi bilmeyebilir ama şu ifadeyi kullanmıştır:
Işık hızı sabittir, ve dolayısıyla gözlemcinin hareketiyle ilişkili değildir. Bu, Newtonun klasik mekaniğinde mümkün değildir. Einstein:
Birbirinden bağımsız olarak, George FitzGerald 1889da ve Lorentz 1892de, hareketli cisimlerin kendi açıklanabileceğini önermişlerdir. Makalenin bazı temel denklemleri hareketleri yönünde büzülmeleri halinde Michelson-Morley sonucunun, Lorentz dönüşümleri, Lorentzin 1904 tarihli makalesinin geliştirilmiş haliyle, Joseph Larmor (1897, 1900), Hendrik Lorentz (1895, 1899, 1904) ve Henri Poincaré (1905) tarafından yayınlanmıştır. Einsteinın sunumu FitzGerald, Larmor ve Lorentzin açıklamalarından farklı ancak birçok açıdan Poincaréin formülasyonu (1905) ile benzerdir.
Açıklaması iki aksiyomdan meydana gelmektedir. Birincisi, Galileonun birbirine göreceli sabit hızla hareket eden tüm gözlemciler için doğa kanunlarının aynı olması gerektiğidir. Einstein:
İkincisi, ışık hızının her gözlemci için aynı olduğu kuralıdır.
Günümüzde özel görelilik teorisi olarak adlandırılan teori, tüm gözlemcilerin eşdeğer olduğunu göz önüne alan daha sonraki genel görelilik teorisinden farklılaşmaktadır. Özel görelilik, Eiensteinın 1905'te "keşif için olgun" yorumunu teyit ederek, dikkati çekecek kadar hızlı bir şekilde yaygın biçimde kabul edilmiştir. Fikirlerinin erken yayılmasında Max Planckın rolünü kabul eden Einstein 1913te "Bu teorinin meslektaşların bu kadar hızlı dikkatini çekmesi kesinlikle onun [Planck] bu teoriye cesur ve sıcak bir biçimde müdahil olmasındandır" diye yazmıştır. Bundan başka, 1907te Hermann Minkowskinin teorisinin geliştirilmiş matematik formülasyonu da bu teorinin kabul görmesinde etkili olmuştur. Ayrıca, ve en önemlisi, teori giderek artan biçimde doğrulayıcı deneysel kanıtlarla desteklenmiştir.
Kütle-enerji denkliği
21 Kasımda Annalen der Physik, Bir Cismin Eylemsizliği Enerji İçeriğine Bağlı mıdır? başlıklı dördüncü makaleyi (27 Eylülde 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 Hertzin incelemelerine ve ayrıca, Einsteinin söylediği gibi, görelilik aksiyomlarına dayanmaktadır.
Denklem eylemsiz cisim enerjisinin (E), kütlesi (m) çarpı ışık hızı (c) karesi, veya E= mc2 olduğunu öngörür.
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.
Anma
Uluslararası Temel ve Uygulamalı Fizik Birliği (IUPAP), Einsteinın 1905'teki ayrıntılı çalışmasının yayınlanmasının 100. yılını "2005 Dünya Fizik Yılı" olarak anmaya karar vermiştir. Bu daha sonra Birleşmiş Milletler tarafından da kabul edilmiştir.