Πέμπτη, 22 Ιανουαρίου 2015

Το μοναδικό πείραμα του Albert Einstein πριν από 100 χρόνια

Ένας από τους λόγους που το 2015 ανακηρύχθηκε «Διεθνές Έτος Φωτός» ήταν και το ότι πριν από 100 χρόνια ο Albert Einstein ολοκλήρωνε την διατύπωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (The Foundation of the Generalised Theory of Relativity).

Το Νοέμβριο του 1915, μετά από τον εντονότερο διανοητικό αγώνα της ζωής του, οAlbert Einstein ήταν έτοιμος να παρουσιάσει την θεωρία του στον κόσμο (η δημοσίευση αν δεν κάνω λάθος εμφανίστηκε στο περιοδικό «Annalen der Physik» στις αρχές του 1916).
Όμως, την ίδια χρονιά, παράλληλα με την «υψηλή» θεωρητική ενασχόλησή του με τις έννοιες των συστημάτων αναφοράς, των μετασχηματισμών συντεταγμένων και του τετραδιάστατου χωροχρόνου, ο Einstein «καταδέχθηκε» να κατέβει στους εργαστηριακούς πάγκους και να ασχοληθεί με την επικόλληση ινών χαλαζία σε κάτοπτρα και την τροφοδοσία πηνίων με παλμούς ηλεκτρικών ρευμάτων.
Όπως έγραφε ο ίδιος στον καλύτερό του φίλο Michele Besso, στις 12 Φεβρουαρίου 1915:
«Το πείραμα σύντομα θα ολοκληρωθεί … Ένα υπέροχο πείραμα, κρίμα που δεν μπορείς να το δεις. Και πόσο πονηρά συμπεριφέρεται η φύση, όταν κανείς προσπαθεί να την προσεγγίσει πειραματικά! Αρχίζω στα γεράματά μου να αισθάνομαι μια έλξη για το πείραμα» (όταν τα έγραφε αυτά ο Einstein ήταν 36 ετών!)
Συνεργαζόμενος με τον W. J. de Haas, γαμπρό του Hendrik Lorentz, ο Einstein ανέλαβε μια πειραματική πρόκληση που είχε απασχολήσει μερικούς από τους πλέον ικανούς πειραματικούς φυσικούς όλων των εποχών – την ερμηνεία του μηχανισμού στον οποίο οφείλεται η μαγνήτιση του σιδήρου.
Η βασική ιδέα ήταν απλή. Ένας βρόχος που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα συνιστά έναν ηλεκτρομαγνήτη. Ο Einstein προβληματιζόταν για το αν η μαγνήτιση του σιδήρου οφειλόταν σε ένα παρόμοιο φαινόμενο, όπως υπέθεταν ο André Marie Ampère και οι διάδοχοί του.
Ο Einstein αναρωτήθηκε μήπως σε ατομικό και μοριακό επίπεδο πολλοί τέτοιοι μικροσκοπικοί ρευματοφόροι βρόχοι προσανατολίζονταν στην ίδια κατεύθυνση. Κι αν συνέβαινε κάτι τέτοιο, τότε θα υπήρχε μόνο ένα είδος μαγνητισμού.
Σύμφωνα με τον ίδιο:
«Αφότου ο Hans Christian Oersted ανακάλυψε ότι τα μαγνητικά φαινόμενα δημιουργούνται όχι μόνο από τους μόνιμους μαγνήτες αλλά και από ηλεκτρικά ρεύματα, φαίνεται ότι υπάρχουν δυο – φαινομενικά ανεξάρτητοι – μηχανισμοί δημιουργίας του μαγνητικού πεδίου.
Αυτή η κατάσταση δημιούργησε την ανάγκη συγχώνευσης των δυο ουσιαστικά διαφορετικών αιτίων του μαγνητικού πεδίου. Κατ’ αυτό τον τρόπο, λίγο μετά την ανακάλυψη του Oersted, ο Ampère οδηγήθηκε στην γνωστή του υπόθεση των μοριακών ρευμάτων, βάσει της οποίας τα μαγνητικά φαινόμενα οφείλονται στα ηλεκτρικά μοριακά ρεύματα. [from “Experimenteller Nachweis der Ampèreschen Molekularströme,” by Einstein and de Haas, in Deutsche Physikalische Gesellschaft, Vol. 17, page 152; 1915]»
Ο Einstein πίστευε βαθιά μέσα του ότι υπήρχε ένα μόνο είδος μαγνητισμού, που οφειλόταν στον παράλληλο προσανατολισμό μικροσκοπικών μαγνητών – κυκλικών ρευμάτων που σχηματίζουν τα ηλεκτρόνια περιστρεφόμενα γύρω από τους ατομικούς πυρήνες.
Το ερώτημα ήταν το πως θα μπορούσε να ελεγχθεί αυτή η ιδέα;
Το πείραμα των Einstein-Haas βασιζόταν στην αρχή διατήρησης της στροφορμής. Ένας αμαγνήτιστος σιδερένιος κύλινδρος κρέμεται από ένα λεπτό και εύκαμπτο νήμα (βλέπε το παρακάτω σχήμα).
Εφαρμόζοντας ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο προσανατολίζονται οι μικροσκοπικές τροχιές των ηλεκτρονίων των ατόμων του σιδήρου, σύμφωνα με την θεωρητική υπόθεση. Αν ίσχυε η υπόθεσή τους, τότε οι τυχαία προσανατολισμένες τροχιές των ηλεκτρονίων θα ευθυγραμμίζονταν από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, και οι στροφορμές τους που προηγουμένως αλληλοαναιρούνταν, τώρα αθροίζονται δίνοντας μια μη μηδενική στροφορμή.
Όμως η στροφορμή του κυλίνδρου πρέπει να παραμένει σταθερή, δηλαδή μηδενική, οπότε ο κύλινδρος θ’ αρχίσει να περιστρέφεται έτσι ώστε να αντισταθμίσει την εμφανισθείσα «ομαδική» στροφορμή των ηλεκτρονίων.
einstein_setup
Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησαν οι Einstein – Haas για να αποδείξουν την θεωρία τους σχετικά με τον μαγνητισμό του σιδήρου. Κρέμασαν έναν αμαγνήτιστο κύλινδρο σιδήρου με εύκαμπτο νήμα και στη συνέχεια εφάρμοσαν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
Σύμφωνα με τη θεωρία τους, ο κύλινδρος θα αρχίσει να περιστρέφεται εξαιτίας του προσανατολισμού των τροχιών των ηλεκτρονίων των ατόμων του σιδήρου. Τα κάτοπτρα που ήταν προσαρμοσμένα στον κύλινδρο ανακλούσαν μια δέσμη φωτός καθώς αυτός περιστρέφονταν – αποδεικνύοντας την υπόθεσή τους.
Αργότερα αποδείχθηκε ότι η μαγνήτιση του σιδήρου δεν οφείλεται στις τροχιές των ηλεκτρονίων, αλλά στο σπιν των ηλεκτρονίων. Το πεδίο ενός ραβδόμορφου μαγνήτη, για παράδειγμα, οφείλεται στον προσανατολισμό των σπιν των ηλεκτρονίων του.
einstein_setup1
Μια πιο απλοποιημένη μορφή της πειραματικής διάταξης – wikipedia.org
Αυτή ήταν η ιδέα του πειράματος των Einstein – Haas.
Τελικά κατάφεραν να πάρουν αποτελέσματα από την λεπτεπίλεπτη πειραματική τους διάταξη. Και αρχικά φάνηκε ότι το πείραμα των δυο φυσικών είχε εξαιρετική συμφωνία με τη θεωρία (ότι ο σιδηρομαγνητισμός οφείλεται στην τροχιακή περιστροφή των ηλεκτρονίων).
Η μέχρι τότε εξέλιξη στην ιστορία με το πείραμα του Einstein θύμιζε μια ρήση του ίδιου: «Κανείς, εκτός από τον ίδιο τον θεωρητικό δεν πιστεύει την θεωρία του. Όλοι εμπιστεύονται ένα πειραματικό αποτέλεσμα, εκτός από τον ίδιο τον πειραματικό που το μέτρησε».
Δυστυχώς όμως για τους Einstein – Haas, το εντυπωσιακό τους αποτέλεσμα σύντομα δέχθηκε επίθεση – και όχι άδικα. Φαινόταν ότι από τις μετρήσεις τους για τον μαγνητισμό ανά μονάδα στροφορμής έλειπε ένας παράγοντας 2. Εκείνη την εποχή, o παράγοντας αυτός ήταν αδύνατον να εξηγηθεί. Η ερμηνεία ήρθε αργότερα με την ανάπτυξη της κβαντομηχανικής και της έννοιας του σπιν του ηλεκτρονίου….
Αλλά αυτό είναι μια άλλη ιστορία.http://apocalypsejohn.com/