Los artículos annus mirabilis (del latín annus mīrābilis , "año milagroso") son los cuatro [a] artículos que Albert Einstein publicó en Annalen der Physik ( Anales de Física ), una revista científica , en 1905. Estos cuatro artículos fueron contribuciones importantes a la base de la física moderna . Revolucionaron la comprensión científica de los conceptos fundamentales de espacio , tiempo , masa y energía . Debido a que Einstein publicó los cuatro artículos en un solo año, 1905 se llama su annus mirabilis ( año milagroso ).
Estos cuatro artículos, junto con la mecánica cuántica y la posterior teoría de la relatividad general de Einstein , son la base de la física moderna.
En el momento en que se escribieron los artículos, Einstein no tenía fácil acceso a un conjunto completo de materiales de referencia científica, aunque leía y colaboraba regularmente con reseñas en Annalen der Physik . Además, eran pocos los colegas científicos disponibles para discutir sus teorías . Trabajó como examinador en la Oficina de Patentes de Berna , Suiza , y más tarde dijo de un compañero de trabajo allí, Michele Besso , que "no podría haber encontrado una mejor caja de resonancia para mis ideas en toda Europa". Además, sus compañeros de trabajo y otros miembros de la autodenominada " Academia Olympia " ( Maurice Solovine y Conrad Habicht ) y su esposa, Mileva Marić , tuvieron cierta influencia en el trabajo de Einstein, pero no está claro en qué medida. [3] [4] [5]
A través de estos artículos, Einstein abordó algunas de las cuestiones y problemas de física más importantes de la época. En 1900, Lord Kelvin , en una conferencia titulada "Nubes del siglo XIX sobre la teoría dinámica del calor y la luz", [6] sugirió que la física no tenía explicaciones satisfactorias para los resultados del experimento de Michelson-Morley y para la radiación del cuerpo negro . Como se presentó, la relatividad especial proporcionó una explicación de los resultados de los experimentos de Michelson-Morley. La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico amplió la teoría cuántica que Max Planck había desarrollado en su exitosa explicación de la radiación del cuerpo negro.
A pesar de la mayor fama alcanzada por sus otros trabajos, como el de la relatividad especial , fue su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico el que le valió el Premio Nobel en 1921. [7] El comité Nobel había esperado pacientemente la confirmación experimental de la relatividad especial; sin embargo, no se produjo ninguno hasta los experimentos de dilatación del tiempo de Ives y Stilwell (1938 [8] y 1941 [9] ) y Rossi y Hall (1941). [10]
El artículo "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt" ("Sobre un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz ") [einstein 1] recibido el 18 de marzo y publicado el 9 de junio, proponía la idea de los cuantos de energía . Esta idea, motivada por la derivación anterior de Max Planck de la ley de radiación del cuerpo negro (que fue precedida por el descubrimiento de la ley de desplazamiento de Wien , por Wilhelm Wien , varios años antes de Planck) supone que la energía luminosa puede ser absorbida o emitida. sólo en cantidades discretas, llamadas cuantos . Einstein afirma,
La energía, durante la propagación de un rayo de luz, no se distribuye continuamente en espacios cada vez mayores, sino que consiste en un número finito de cuantos de energía localizados en puntos del espacio , que se mueven sin dividirse y pueden ser absorbidos o generados sólo como entidades.
Para explicar el efecto fotoeléctrico, la hipótesis de que la energía consta de paquetes discretos , como ilustra Einstein, también puede aplicarse directamente a los cuerpos negros .
La idea de cuantos de luz contradice la teoría ondulatoria de la luz que se desprende naturalmente de las ecuaciones de James Clerk Maxwell para el comportamiento electromagnético y, de manera más general, del supuesto de divisibilidad infinita de la energía en los sistemas físicos.
Existe una profunda diferencia formal entre los conceptos teóricos que los físicos han formado sobre los gases y otros cuerpos ponderables, y la teoría de Maxwell sobre los procesos electromagnéticos en el llamado espacio vacío. Si bien consideramos que el estado de un cuerpo está completamente determinado por las posiciones y velocidades de un número realmente muy grande pero finito de átomos y electrones, hacemos uso de funciones espaciales continuas para determinar el estado electromagnético de un volumen de espacio, de modo que un número finito de cantidades no puede considerarse suficiente para la determinación completa del estado electromagnético del espacio.
... [esto] conduce a contradicciones cuando se aplica a los fenómenos de emisión y transformación de la luz.
Según la idea de que la luz incidente está compuesta de cuantos de energía ..., la producción de rayos catódicos por la luz puede concebirse de la siguiente manera. La capa superficial del cuerpo es penetrada por cuantos de energía, cuya energía se convierte al menos parcialmente en energía cinética de los electrones. La concepción más simple es que un cuanto de luz transfiere toda su energía a un solo electrón...
Einstein observó que el efecto fotoeléctrico dependía de la longitud de onda y, por tanto, de la frecuencia de la luz. A una frecuencia demasiado baja, incluso la luz intensa no producía electrones. Sin embargo, una vez que se alcanzaba cierta frecuencia, incluso la luz de baja intensidad producía electrones. Comparó esto con la hipótesis de Planck de que la luz sólo podría emitirse en paquetes de energía dados por hf , donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia. Luego postuló que la luz viaja en paquetes cuya energía depende de la frecuencia y, por lo tanto, sólo la luz por encima de cierta frecuencia aportaría suficiente energía para liberar un electrón.
Incluso después de que los experimentos confirmaran que las ecuaciones de Einstein para el efecto fotoeléctrico eran precisas, su explicación no fue aceptada universalmente. Niels Bohr , en su discurso del Nobel de 1922, afirmó: "La hipótesis de los cuantos de luz no es capaz de arrojar luz sobre la naturaleza de la radiación".
En 1921, cuando Einstein recibió el Premio Nobel y su trabajo sobre fotoelectricidad fue mencionado por su nombre en la mención del premio, algunos físicos aceptaron que la ecuación ( ) era correcta y que los cuantos de luz eran posibles. En 1923, el experimento de dispersión de rayos X de Arthur Compton ayudó a que una mayor parte de la comunidad científica aceptara esta fórmula. La teoría de los cuantos de luz era un fuerte indicador de la dualidad onda-partícula , un principio fundamental de la mecánica cuántica . [11] Una imagen completa de la teoría de la fotoelectricidad se logró después de la madurez de la mecánica cuántica.
El artículo " Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen " ("Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario, según lo exige la teoría cinética molecular del calor"), [einstein 2] recibido el 11 de mayo y publicado el 18 de julio, delineó un modelo estocástico de movimiento browniano .
En este artículo se demostrará que, según la teoría cinética molecular del calor, los cuerpos de un tamaño microscópicamente visible suspendidos en líquidos deben, como resultado de movimientos moleculares térmicos, realizar movimientos de tales magnitudes que puedan observarse fácilmente con un microscopio. Es posible que los movimientos que vamos a analizar aquí sean idénticos al llamado movimiento molecular browniano; sin embargo, los datos de que dispongo sobre esto último son tan imprecisos que no puedo formarme una opinión sobre la cuestión...
Einstein derivó expresiones para el desplazamiento cuadrático medio de partículas. Utilizando la teoría cinética de los gases , que en ese momento era controvertida, el artículo estableció que el fenómeno, que había carecido de una explicación satisfactoria incluso décadas después de su primera observación, proporcionaba evidencia empírica de la realidad del átomo . También dio crédito a la mecánica estadística , que también había sido controvertida en ese momento. Antes de este artículo, los átomos eran reconocidos como un concepto útil, pero los físicos y químicos debatían si los átomos eran entidades reales. La discusión estadística de Einstein sobre el comportamiento atómico proporcionó a los experimentadores una manera de contar átomos mirando a través de un microscopio común. Wilhelm Ostwald , uno de los líderes de la escuela antiátomo, le dijo más tarde a Arnold Sommerfeld que los posteriores experimentos de movimiento browniano de Jean Perrin lo habían convencido de la existencia de los átomos . [12]
Zur Elektrodynamik bewegter Körper (Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento) de Einstein , [einstein 3] su tercer artículo de ese año, se recibió el 30 de junio y se publicó el 26 de septiembre. Concilia las ecuaciones de Maxwell para la electricidad y el magnetismo con las leyes de la mecánica al introducir cambios importantes en la mecánica cercanos a la velocidad de la luz . Esto más tarde se conoció como la teoría especial de la relatividad de Einstein .
El artículo menciona los nombres de sólo otros cinco científicos: Isaac Newton , James Clerk Maxwell , Heinrich Hertz , Christian Doppler y Hendrik Lorentz . No tiene referencias a otras publicaciones. Muchas de las ideas ya habían sido publicadas por otros, como se detalla en Historia de la relatividad especial y disputa de prioridad de la relatividad . Sin embargo, el artículo de Einstein introduce una teoría del tiempo, la distancia, la masa y la energía que era consistente con el electromagnetismo , pero omitía la fuerza de gravedad .
En aquella época se sabía que las ecuaciones de Maxwell, aplicadas a cuerpos en movimiento, conducían a asimetrías ( problema del imán en movimiento y del conductor ), y que no había sido posible descubrir ningún movimiento de la Tierra con respecto al "medio ligero" ( es decir, éter) . Einstein propone dos postulados para explicar estas observaciones. Primero, aplica el principio de relatividad , que establece que las leyes de la física siguen siendo las mismas para cualquier sistema de referencia no acelerado (llamado sistema de referencia inercial), a las leyes de la electrodinámica y la óptica , así como a las de la mecánica. En el segundo postulado, Einstein propone que la velocidad de la luz tiene el mismo valor en todos los sistemas de referencia, independientemente del estado de movimiento del cuerpo emisor.
La relatividad especial es así coherente con el resultado del experimento de Michelson-Morley , que no había detectado un medio de conductancia (o éter ) para las ondas luminosas a diferencia de otras ondas conocidas que requieren un medio (como el agua o el aire), y que había sido crucial para el desarrollo de las transformaciones de Lorentz y el principio de relatividad. Es posible que Einstein no supiera sobre ese experimento, pero afirma:
Ejemplos de este tipo , junto con los intentos infructuosos de descubrir cualquier movimiento de la Tierra en relación con el " medio ligero ", sugieren que tanto los fenómenos de la electrodinámica como los de la mecánica no poseen propiedades que correspondan a la idea del reposo absoluto .
La velocidad de la luz es fija y, por tanto, no está relacionada con el movimiento del observador. Esto era imposible bajo la mecánica clásica newtoniana . Einstein sostiene,
las mismas leyes de la electrodinámica y la óptica serán válidas para todos los sistemas de referencia para los cuales las ecuaciones de la mecánica son válidas. Elevaremos esta conjetura (cuyo significado en adelante llamaremos "Principio de la Relatividad") a la categoría de postulado , y también introduciremos otro postulado, que sólo aparentemente es irreconciliable con el primero, a saber, que la luz siempre se propaga. en el espacio vacío con una velocidad definida c que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor. Estos dos postulados son suficientes para lograr una teoría simple y coherente de la electrodinámica de los cuerpos en movimiento basada en la teoría de Maxwell para los cuerpos estacionarios. La introducción de un " éter luminífero " resultará superflua en la medida en que la visión que aquí vamos a desarrollar no requerirá un "espacio absolutamente estacionario" dotado de propiedades especiales, ni asignará un vector de velocidad a un punto del espacio vacío. en el que tienen lugar los procesos electromagnéticos. La teoría... se basa, como toda electrodinámica, en la cinemática del cuerpo rígido , ya que las afirmaciones de cualquier teoría de este tipo tienen que ver con las relaciones entre cuerpos rígidos ( sistemas de coordenadas ), relojes y procesos electromagnéticos . La insuficiente consideración de esta circunstancia es la causa de las dificultades que enfrenta actualmente la electrodinámica de los cuerpos en movimiento.
Anteriormente, George FitzGerald en 1889 y Lorentz en 1892 habían propuesto , independientemente uno del otro, que el resultado de Michelson-Morley podría explicarse si los cuerpos en movimiento se contrajeran en la dirección de su movimiento. Algunas de las ecuaciones centrales del artículo, las transformadas de Lorentz , habían sido publicadas por Joseph Larmor (1897, 1900), Hendrik Lorentz (1895, 1899, 1904) y Henri Poincaré (1905), en un desarrollo del artículo de Lorentz de 1904. La presentación de Einstein difería de las explicaciones dadas por FitzGerald, Larmor y Lorentz, pero era similar en muchos aspectos a la formulación de Poincaré (1905).
Su explicación surge de dos axiomas. La primera es la idea de Galileo de que las leyes de la naturaleza deberían ser las mismas para todos los observadores que se mueven con velocidad constante entre sí. Einstein escribe,
Las leyes por las cuales los estados de los sistemas físicos sufren cambios no se ven afectadas, ya sea que estos cambios de estado se refieran a uno u otro de dos sistemas de coordenadas en movimiento de traslación uniforme.
El segundo axioma es la regla de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores.
Cualquier rayo de luz se mueve en el sistema de coordenadas "estacionario" con la velocidad determinada c , ya sea que el rayo sea emitido por un cuerpo estacionario o en movimiento.
La teoría, ahora llamada teoría especial de la relatividad , la distingue de su posterior teoría general de la relatividad , que considera que todos los observadores son equivalentes. Al reconocer el papel de Max Planck en la temprana difusión de sus ideas, Einstein escribió en 1913: "La atención que esta teoría recibió tan rápidamente por parte de sus colegas seguramente debe atribuirse en gran parte a la resolución y calidez con la que él [Planck] intervino para esta teoría". Además, la formulación del espacio-tiempo de Hermann Minkowski en 1907 influyó para lograr una amplia aceptación. Además, y lo más importante, la teoría estaba respaldada por un cuerpo cada vez mayor de evidencia experimental confirmatoria.
El 21 de noviembre Annalen der Physik publicó un cuarto artículo (recibido el 27 de septiembre) "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?" ("¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido energético?"), [einstein 4] en el que Einstein dedujo la que a veces se describe como la más famosa de todas las ecuaciones: E = mc 2 . [13]
Einstein consideró que la ecuación de equivalencia era de suma importancia porque demostraba que una partícula masiva posee una energía, la "energía en reposo", distinta de sus energías cinética y potencial clásicas . El artículo se basa en las investigaciones de James Clerk Maxwell y Heinrich Rudolf Hertz y, además, en los axiomas de la relatividad, como afirma Einstein,
Los resultados de la investigación anterior llevan a una conclusión muy interesante, que aquí se deduce.
La investigación anterior se basó "en las ecuaciones de Maxwell-Hertz para el espacio vacío , junto con la expresión maxwelliana para la energía electromagnética del espacio..."
Las leyes por las cuales se alteran los estados de los sistemas físicos son independientes de la alternativa a cuál de dos sistemas de coordenadas, en movimiento uniforme de traslación paralela entre sí, se refieren estas alteraciones de estado (principio de relatividad).
La ecuación establece que la energía de un cuerpo en reposo ( E ) es igual a su masa ( m ) multiplicada por la velocidad de la luz ( c ) al cuadrado, o E = mc 2 .
Si un cuerpo desprende energía L en forma de radiación, su masa disminuye en L / c 2 . El hecho de que la energía extraída del cuerpo se convierta en energía de radiación evidentemente no supone ninguna diferencia, de modo que llegamos a la conclusión más general de que
La masa de un cuerpo es una medida de su contenido energético; si la energía cambia en L , la masa cambia en el mismo sentido en L /(9 × 10 20 ) , midiéndose la energía en ergios y la masa en gramos.
...
Si la teoría se corresponde con los hechos, la radiación transmite inercia entre los cuerpos emisores y absorbentes.
La relación masa-energía se puede utilizar para predecir cuánta energía liberarán o consumirán las reacciones nucleares ; simplemente se mide la masa de todos los constituyentes y la masa de todos los productos y se multiplica la diferencia entre los dos por c 2 . El resultado muestra cuánta energía se liberará o consumirá, normalmente en forma de luz o calor. Cuando se aplica a ciertas reacciones nucleares, la ecuación muestra que se liberará una cantidad extraordinariamente grande de energía, millones de veces más que en la combustión de explosivos químicos , donde la cantidad de masa convertida en energía es insignificante. Esto explica por qué las armas nucleares y los reactores nucleares producen cantidades tan fenomenales de energía, ya que liberan energía vinculante durante la fisión nuclear y la fusión nuclear , y convierten una porción de masa subatómica en energía.
La Unión Internacional de Física Pura y Aplicada ( IUPAP ) resolvió conmemorar el centenario de la publicación de la extensa obra de Einstein en 1905 como Año Mundial de la Física 2005 . Esto fue posteriormente respaldado por las Naciones Unidas .
