Einstein

 

Albert Einstein (1879-1955) foi um físico alemão. Ao lado de Planck, ele representa um dos principais físicos teóricos na área da teoria quântica.

Merecem destaque seus trabalhos relacionados com a teoria da relatividade.

Essa teoria enfoca nos conceitos de massa e energia sendo expressa pela equação: E = mc2.

Para Einstein, o universo está em constante expansão. Ao estudar as Leis de Newton, o cientista pode encontrar lacunas. Assim, seus estudos sobre o espaço e o tempo foram essenciais para construir a visão moderna da realidade no campo da Física. Em 1921 Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física, por conta dos estudos sobre física teórica e o efeito fotoelétrico.

 

Albert Einstein (Ulm, 14 de março de 1879 — Princeton, 18 de abril de 1955) foi um físico teórico alemão que desenvolveu a teoria da relatividade geral, um dos pilares da física moderna ao lado da mecânica quântica. Embora mais conhecido por sua fórmula de equivalência massa-energia, E=mc² — que foi chamada de "a equação mais famosa do mundo" —, foi laureado com o Prêmio Nobel de Física de 1921 "por suas contribuições à física teórica" e, especialmente, por sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico, que foi fundamental no estabelecimento da teoria quântica.

 

Nascido em uma família de judeus alemães, mudou-se para a Suíça ainda jovem e iniciou seus estudos na Escola Politécnica de Zurique. Após dois anos procurando emprego, obteve um cargo no escritório de patentes suíço enquanto ingressava no curso de doutorado da Universidade de Zurique. Em 1905 publicou uma série de artigos acadêmicos revolucionários. Uma de suas obras era o desenvolvimento da teoria da relatividade especial.

 

Percebeu, no entanto, que o princípio da relatividade também poderia ser estendido para campos gravitacionais, e com a sua posterior teoria da gravitação, de 1916, publicou um artigo sobre a teoria da relatividade geral. Enquanto acumulava cargos em universidades e instituições, continuou a lidar com problemas da mecânica estatística e teoria quântica, o que levou às suas explicações sobre a teoria das partículas e o movimento browniano.

 

Também investigou as propriedades térmicas da luz, o que lançou as bases da teoria dos fótons. Em 1917, aplicou a teoria da relatividade geral para modelar a estrutura do universo como um todo. Suas obras renderam-lhe o status de celebridade mundial enquanto tornava-se uma nova figura na história da humanidade, recebendo prêmios internacionais e sendo convidado de chefes de estado e autoridades. Estava nos Estados Unidos quando o Partido Nazista chegou ao poder na Alemanha, em 1933, e não voltou para o seu país de origem, onde tinha sido professor da Academia de Ciências de Berlim. Estabeleceu-se então no país, onde naturalizou-se em 1940.

 

Na véspera da Segunda Guerra Mundial, ajudou a alertar o presidente Franklin Delano Roosevelt que a Alemanha poderia estar desenvolvendo uma arma atômica, recomendando aos norte-americanos a começar uma pesquisa semelhante, o que levou ao que se tornaria o Projeto Manhattan. Apoiou as forças aliadas, denunciando no entanto a utilização da fissão nuclear como uma arma. Mais tarde, com o filósofo britânico Bertrand Russell, assinou o Manifesto Russell-Einstein, que destacou o perigo das armas nucleares. Foi afiliado ao Instituto de Estudos Avançados de Princeton, onde trabalhou até sua morte em 1955.

 

Realizou diversas viagens ao redor do mundo, deu palestras públicas em conceituadas universidades e conheceu personalidades célebres de sua época, tanto na ciência quanto fora do mundo acadêmico. Publicou mais de 300 trabalhos científicos, juntamente com mais de 150 obras não científicas. Suas grandes conquistas intelectuais e originalidade fizeram da palavra "Einstein" sinônimo de gênio. Em 1999 foi eleito por 100 físicos renomados o mais memorável físico de todos os tempos. No mesmo ano a revista TIME, em uma compilação com as pessoas mais importantes e influentes, o classificou a pessoa do século XX.

 

Instituto de Estudos Avançados

 

Em fevereiro de 1933, durante uma visita aos Estados Unidos, Einstein decidiu não voltar para a Alemanha devido à ascensão do partido nazista ao poder com seu novo chanceler Adolf Hitler.[84] Enquanto em universidades norte-americanas no início daquele ano, realizou sua terceira visita de dois meses como professor na Caltech, em Pasadena. Junto de sua esposa Elsa, voltou de navio para a Bélgica no final de março. Durante a viagem, foram informados de que sua casa havia sido invadida pelos nazistas e seu veleiro pessoal confiscado.

 

Após o desembarque em Antuérpia em 28 de março, foi imediatamente ao consulado alemão onde apresentou seu passaporte e formalmente renunciou à cidadania alemã.[85] No mesmo dia enviou uma carta na qual apresentou sua renúncia à Academia Prussiana de Berlim.[86][87] No início de abril, soube que o novo governo alemão tinha instituído leis que proibiam os judeus de ocupar cargos oficiais, incluindo lecionar em universidades.[85]

 

O historiador Gerald Holton descreveu que "praticamente nenhum protesto sonoro foi levantado por seus colegas", milhares de cientistas judeus foram subitamente forçados a desistir de seus cargos universitários e seus nomes foram retirados das listas de instituições em que eram empregados.[88] Um mês depois, as obras de Einstein estavam entre os alvos da queima de livros dos nazistas, e o Ministério da Propaganda Joseph Goebbels proclamou: "o intelectualismo judaico está morto".[85] Einstein também tomou conhecimento de que seu nome estava em uma lista de alvos de assassinato, com uma "recompensa de 5 mil dólares por sua cabeça".[85] Uma revista alemã o incluiu em uma lista de inimigos do regime com a frase "ainda não enforcado".[89] 

 

Residiu temporariamente em Coq sur Mer, na costa da Bélgica, onde junto de sua esposa tiveram guardas designados pelo governo para protegê-los.[90][91] Em julho foi para Inglaterra por cerca de seis semanas, a convite pessoal do oficial da marinha britânica Comandante Oliver Locker-Lampson, que havia se tornado seu amigo nos anos anteriores. Para protegê-lo, Locker-Lampson secretamente tinha dois assistentes o vigiando em sua casa de campo isolada fora de Londres, com a imprensa publicando uma foto deles protegendo Einstein.[92][93][94] Em uma carta para o seu amigo, o físico Max Born, que também emigrou da Alemanha e vivia na Inglaterra, Einstein escreveu que "o grau de brutalidade e covardia deles chegou como uma surpresa".[85]

 

Locker-Lampson o levou para conhecer Winston Churchill em sua casa e, mais tarde, Austen Chamberlain e o ex-Primeiro-Ministro David Lloyd George. Einstein pediu-lhes para ajudar a trazer cientistas judeus da Alemanha. Nos dias seguintes, o Comandante introduziu um projeto de lei no Parlamento para "ampliar as oportunidades de cidadania aos judeus".[95] Em 17 de outubro voltou para os Estados Unidos, assumindo um cargo no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, o que exigia sua presença durante seis meses por ano.[96][97] Ainda estava indeciso sobre o seu futuro, tinha ofertas de universidades europeias, incluindo a Christ Church, Oxford, mas em 1935 chegou à decisão de permanecer permanentemente nos Estados Unidos e requerer a cidadania norte-americana.[98] No mesmo ano comprou uma casa em Princeton, na 112 Mercer Street, menos de uma milha a pé do futuro campus do Instituto, que estava em construção.[99][100][101] Foi um dos membros do corpo docente do Instituto, juntamente com os matemáticos Oswald Veblen, James Alexander, John von Neumann e Hermann Weyl. Ele nunca mais voltou para a Europa.[102] Sua afiliação com o Instituto de Estudos Avançados duraria até sua morte, em 1955.[101]

 

Em 1937 completou a versão final de um artigo sobre ondas gravitacionais. Um ano mais tarde, escreveu em parceria com seu amigo e físico Leopold Infeld A Evolução da Física, um livro popular de ciência publicado para ajudá-lo financeiramente. Einstein e Infeld se conheceram em Berlim, na época em que este era um estudante. Entre 1936 e 1937 foi membro do Instituto de Estudos Avançados, onde colaboraram juntos em três artigos sobre o problema no movimento na relatividade geral. Infeld foi professor da Universidade de Toronto de 1938 até 1950, e da Universidade de Varsóvia de 1950 até sua morte em 1968.[103]

 

Projeto Manhattan e a cidadania norte-americana

 

Em 1939, um grupo de cientistas húngaros que incluía o físico emigrante Leó Szilárd tentou alertar Washington de pesquisas nazistas em andamento sobre a bomba atômica. Os avisos do grupo foram ignorados.[104] Einstein e Szilárd, junto com outros refugiados, como Edward Teller e Eugene Wigner, "consideravam como sua responsabilidade alertar os americanos para a possibilidade de que cientistas alemães pudessem ganhar a corrida para construir uma bomba atômica, e por avisar que Hitler estaria mais do que disposto a recorrer a tal arma".[105] Em 12 de julho, poucos meses antes do início da Segunda Guerra Mundial na Europa, Szilárd e Wigner visitaram Einstein e explicaram sobre a possibilidade de bombas atômicas por meio de experimentos com urânio e fissão, além de cálculos indicando uma reação em cadeia. Ele respondeu: "Nisto eu nunca havia pensado".[106][107] Foi convencido a emprestar seu prestígio, escrevendo uma carta com Szilárd ao presidente Franklin Delano Roosevelt para alertá-lo sobre essa possibilidade. A carta também recomendou que o governo dos Estados Unidos prestasse atenção e se envolvesse diretamente na pesquisa de urânio e de pesquisas associadas à reação em cadeia.[108][109] Para Sarah Diehl e James Clay Moltz, a carta é "provavelmente o estímulo fundamental para a adoção pelos Estados Unidos de investigações sérias em armas nucleares na véspera da entrada do país na Segunda Guerra Mundial".[110]

 

O presidente nomeou um comitê para avaliar a carta, e o grupo que a enviou foi expandido para coordenar a investigação nuclear entre universidades americanas. Entre os membros estavam Szilárd, Teller e Wigner. Roosevelt seguiu a sugestão da carta. Einstein foi convidado a integrar o grupo, mas recusou. Entre 1940 e 1941, pesquisas preliminares confirmaram a viabilidade de uma bomba atômica. Em 7 de dezembro, um ataque japonês surpresa na base naval de Pearl Harbor forçou os Estados Unidos a entrar na guerra. Pouco tempo depois, a Alemanha também declarou guerra contra o país devido a um tratado de defesa com o Japão. Isto aumentou a urgência de pesquisa atômica.

 

No ano seguinte, o governo americano autorizou um esforço maior para produzir bombas atômicas. A fim de manter este projeto secreto e evitar mencioná-lo, foi colocado sob o Distrito Manhattan do Corpo de Engenheiros do Exército e chamado de Projeto Manhattan.[111] Para Einstein, "a guerra era uma doença, e ele sempre apelou para a resistência contra a guerra." Ao assinar a carta a Roosevelt, agiu contrariamente aos seus princípios pacifistas.[112] Em 1954, um ano antes do seu falecimento, disse ao seu velho amigo Linus Pauling, "Eu cometi um grande erro na minha vida — quando assinei a carta ao presidente Roosevelt recomendando a construção da bomba atômica; mas nesse tempo havia uma justificativa — o perigo de que os alemães a construíssem."[113]

 

Einstein aceitando a cidadania americana, em 1940.

Einstein tornou-se um cidadão norte-americano em 1° de outubro de 1940.[114] Não muito tempo depois de iniciar sua carreira na Universidade de Princeton, expressou o seu apreço pela "meritocracia" da cultura americana, quando comparada com a Europa. De acordo com Isaacson, ele reconheceu o "direito dos indivíduos a dizer e pensar o que quisessem", sem barreiras sociais e, como consequência, o indivíduo era "incentivado" a ser mais criativo, uma característica que valorizava desde sua própria educação inicial.[115] 

 

Após o fim da Segunda Guerra Mundial e as memórias e imagens de Hiroshima e Nagasaki ainda frescas na mente das pessoas, cientistas pediram-lhe para participar de um apelo à comunidade científica para que recusassem a trabalhar no desenvolvimento de energia nuclear por causa de seus possíveis usos para o mal. Apesar de relutante a fazê-lo devido as respostas negativas a questões críticas, Einstein posteriormente assinou a carta de proposta. Estava mais disposto a unir seu nome e participar de atividades coletivas com outros cientistas. Por insistência de Szilárd, em maio de 1946, concordou em ser o presidente do Comitê Emergencial de Cientistas Atômicos, cuja missão era promover o uso pacífico da energia nuclear, difundir o conhecimento e informação sobre energia atômica e promover a compreensão geral de suas consequências.[116]

 

Como membro da Associação Nacional para o Progresso de Pessoas de Cor (NAACP), em Princeton, que fazia campanha pelos direitos civis dos afro-americanos, Einstein se correspondia com o ativista dos direitos dos negros W.E.B. Du Bois, e, em 1946, chamou o racismo de "a pior doença da América".[117] Mais tarde, ele afirmou que "o preconceito de raça infelizmente se tornou uma tradição americana que é acriticamente transmitida de uma geração para a outra [...] Os únicos remédios são a iluminação e a educação".[118] Einstein fez ainda uma palestra na Universidade Lincoln em Pensilvânia, a primeira universidade historicamente negra dos Estados Unidos, onde recebeu um título honoris causa do presidente Horace Mann Bond, em maio de 1946. Em outubro do mesmo ano recebeu os membros da mesma universidade para uma confraternização em sua casa em Princeton.[119] 

 

Depois da morte do primeiro presidente de Israel, Chaim Weizmann, em novembro de 1952, o primeiro-ministro David Ben-Gurion lhe ofereceu a posição, um cargo principalmente cerimonial em um sistema que investia mais poder no primeiro-ministro e o gabinete. A oferta foi apresentada pelo embaixador de Israel em Washington, Abba Eban, que explicou que ela "encarna o mais profundo respeito que o povo judeu pode repousar em qualquer um de seus filhos".[120]No entanto, recusou e escreveu em sua resposta que estava "profundamente comovido" e "ao mesmo tempo triste e envergonhado", pois não poderia aceitá-la:[121]

 

"Toda a minha vida eu tenho lidado com questões objetivas, daí me falta tanto a aptidão natural e a experiência para lidar corretamente com as pessoas e para o exercício da função oficial. Eu estou muito triste com essas circunstâncias, porque a minha relação com o povo judeu se tornou o meu laço humano mais forte, uma vez que eu consegui compreender a clareza sobre a nossa posição precária entre as nações do mundo".

 

Contribuições científicas

 

Ao longo de sua vida, Einstein publicou centenas de livros e artigos. Além do trabalho individual, também colaborou com outros cientistas em outros projetos, incluindo a estatística de Bose-Einstein, o refrigerador de Einstein e outros.[132] Publicou mais de 300 trabalhos científicos, juntamente com mais de 150 obras não científicas.[133][nota 3]

 

Artigos do Ano Miraculoso

 

Os textos do Ano Miraculoso são trabalhos acadêmicos que estabeleceram Einstein como um dos físicos mais importantes do mundo. Não só publicou artigos importantes nesse ano, mas também encontrou tempo para escrever outros 23 de revisão para uma série de revistas. Realizou tudo isso em seu tempo livre depois que chegava em casa do trabalho. No início de 1905 tinha 25 anos, era um homem de família, com dois anos de casamento, e encontrou tempo para pensar sobre física. Independentemente de como conseguiu concentrar-se com sua vida agitada, os resultados alcançados nesse ano foram notáveis. Estão entre os trabalhos mais profundos já publicados na física. Um deles iria finalmente lhe render o seu grau de doutor e ajudar a estabelecer que os átomos realmente existem. Outros dois lançaram uma nova área da física — a relatividade especial — pela qual ele se tornou mundialmente famoso. Um quarto artigo ligado a curiosa observação sobre o movimento errático do pólen — o movimento browniano — com o tamanho de átomos. Todos eles foram publicados na prestigiada revista alemã Annalen der Physik.[134] Os quatro artigos são:

 

• Sobre um ponto de vista heurístico relativo à produção e transformação da luz. Artigo científico que possui como foco o efeito fotoelétrico, foi recebido pelo periódico em 18 de março e publicado em 9 de junho. Resolveu um quebra-cabeça sem solução, sugerindo que a energia é trocada apenas em quantidades discretas (quanta).[135] Esta ideia foi fundamental para o desenvolvimento inicial da teoria quântica.[136]

• Sobre o movimento de pequenas partículas em suspensão dentro de líquidos em repouso, tal como exigido pela teoria cinético-molecular do calor. Artigo focado no movimento browniano, foi recebido em 11 de maio e publicado em 18 de julho. Explicou evidência empírica para a teoria atômica, apoiando a aplicação da física estatística.[137]

• Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento. Com foco na relatividade restrita, foi apresentado em 30 de junho e publicado em 26 de setembro. Reconciliou as equações de eletricidade e de magnetismo de Maxwell com as leis da mecânica, introduzindo alterações importantes na mecânica perto da velocidade da luz, que resultam da análise com base na evidência empírica de que a velocidade da luz é independente do movimento do observador.[138] Desacreditou o conceito de um "éter luminoso".[139]

• A inércia de um corpo depende do seu conteúdo energético?. Artigo que investiga a equivalência massa-energia, foi apresentado ao periódico em 27 de setembro e publicado em 21 de novembro. É apresentada a equivalência de matéria e energia, E=mc² (e, por consequência, a capacidade da gravidade em "curvar" a luz), a existência da "energia de repouso" e a base da energia nuclear (a conversão de matéria em energia por seres humanos e no cosmos).[140]

 

Outros cientistas, especialmente Henri Poincaré e Hendrik Lorentz, tinham teorizado partes da relatividade especial. No entanto, Einstein foi o primeiro a reunir toda a teoria em conjunto e perceber o que era uma lei universal da natureza, não uma invenção de movimento no éter, como Poincaré e Lorentz tinham pensado. Originalmente, a comunidade científica ignorou os artigos do Ano Miraculoso. Isso começou a mudar depois que recebeu a atenção de Max Planck, o fundador da teoria quântica, um dos físicos mais influentes de sua geração e o único físico que notou os trabalhos. Ambos viriam a se conhecer em uma palestra internacional na Conferencia de Solvay, após Planck gradualmente confirmar sua teoria.

 

Relatividade, E=mc² e o princípio da equivalência

 

Articulou o princípio da relatividade.[141] Isto foi entendido por Hermann Minkowski como uma generalização da invariância rotacional, do espaço para o espaço-tempo. Outros princípios postulados por Einstein e mais tarde provados são o princípio da equivalência e o princípio da invariância adiabática do número quântico. ​A relatividade geral é uma teoria da gravitação que foi desenvolvida por Einstein entre 1907 e 1915.[142] De acordo com a relatividade geral, a atração gravitacional observada entre massas resulta da curvatura do espaço e do tempo por essas massas. A relatividade geral tornou-se uma ferramenta essencial na astrofísica moderna. Ela fornece a base para o entendimento atual de buracos negros, regiões do espaço onde a atração gravitacional é tão forte que nem mesmo a luz pode escapar.

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Como disse mais tarde, a razão para o desenvolvimento da relatividade geral foi a de que a preferência de movimentos inerciais dentro da relatividade especial não foi satisfatória, enquanto uma teoria que, desde o início, não prefere nenhum estado de movimento (mesmo os mais acelerados) deve parecer mais satisfatória.[143] Consequentemente, em 1907, publicou um artigo sobre a aceleração no âmbito da relatividade especial. Nesse artigo intitulado "Sobre o Princípio da Relatividade e as Conclusões Tiradas Dela", argumentou que a queda livre é um movimento inercial, e que para um observador em queda livre as regras da relatividade especial devem se aplicar. Este argumento é chamado de princípio da equivalência. No mesmo artigo, Einstein previu também o fenômeno da dilatação temporal gravitacional, desvio gravitacional para o vermelho e deflexão da luz.[144][145] Em 1911, publicou "Sobre a Influência da Gravidade na Propagação da Luz", em expansão do artigo de 1907, em que estimou a quantidade de deflexão da luz por corpos maciços. Assim, a previsão teórica de relatividade geral pode, pela primeira vez ser testada experimentalmente.[146]

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Seu artigo "Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento" ("Zur Elektrodynamik bewegter Körper") foi recebido em 30 de junho de 1905 e publicado em 26 de setembro daquele ano.[carece de fontes] Concilia as equações de Maxwell para a eletricidade e o magnetismo com as leis da mecânica, através da introdução de grandes mudanças para a mecânica perto da velocidade da luz. Isto mais tarde se tornou conhecido como a teoria da relatividade especial de Einstein. As consequências disto incluem o intervalo de espaço-tempo de um corpo em movimento, que parece reduzir de velocidade e se contrair (na direção do movimento), quando medido no plano do observador. Este documento também argumentou que a ideia de um éter luminífero — uma das entidades teóricas líderes da física na época — era supérflua.[carece de fontes] Em seu artigo sobre equivalência massa-energia, Einstein concebeu E=mc² de sua equação da relatividade especial.[147] Seu trabalho de 1905 sobre a relatividade permaneceu controverso por muitos anos, mas foi aceito pelos principais físicos, começando com Max Planck.[nota 4][148]

 

A teoria da relatividade geral tem uma lei fundamental — as equações de Einstein que descrevem como o espaço se curva, a equação geodésica que descreve como as partículas que se movem podem ser derivadas a partir das equações de Einstein. Uma vez que as equações da relatividade geral são não-lineares, um pedaço de energia feita de campos gravitacionais puros, como um buraco negro, se moveria em uma trajetória que é determinada pelas equações de Einstein, e não por uma nova lei. Assim, Einstein propôs que o caminho de uma solução singular, como um buraco negro, seria determinado como uma geodésica da própria relatividade geral. Isto foi estabelecido por Einstein, Infeld e Hoffmann para objetos pontuais sem movimento angular, e por Roy Kerr para objetos em rotação.

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Poucos meses após publicar seu artigo sobre a relatividade geral em 1916, perceberam que distorções no espaço poderiam levar objetos a atalhos que poderiam conectar áreas muito remotas. Foram encontradas soluções que permitiam a possibilidade de um buraco de minhoca — um atalho entre duas partes remotas do espaço e, possivelmente, do tempo. Um buraco de minhoca é criado quando uma grande massa cria uma singularidade no tecido do espaço-tempo, algo tornado possível pela relatividade geral. Quando a singularidade de uma massa encontra a de outra, ambas podem se unir e criar uma passagem através da qual algo — matéria, luz, radiação — pode passar relativamente rápido apesar da grande distância entre elas.

 

No mesmo ano em que Einstein publicou a teoria, dois físicos, Ludwig Flamm e Karl Schwarzschild, descobriram independentemente que os túneis no espaço eram soluções válidas para as equações da relatividade, que eram ferramentas para descrever a forma do espaço. As equações mostram que a gravidade distorceu a própria natureza do espaço, e em áreas de imensa gravidade, uma distorção, ou túnel, poderia aparecer. Schwarzschild já havia postulado a existência do que acabaria se tornando conhecido como buracos negros — estrelas mortas tão densas e com uma gravidade tão forte que qualquer coisa que chegasse muito perto seria sugada para sempre. A intensa gravidade associada com esses buracos negros poderia muito bem levar a enormes distorções espaciais. Em 1935, Einstein e Nathan Rosen desenvolveram um modelo mais completo destes túneis, que hoje são referidos como pontes de Einstein-Rosen.[149][150]

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Mecânica quântica e relacionados

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Ao longo da década de 1910, a mecânica quântica expandiu em escopo para cobrir muitos sistemas diferentes. Depois de Ernest Rutherforddescobrir o núcleo e propor que os elétrons orbitam como planetas, Niels Bohr foi capaz de mostrar que os mesmos postulados da mecânica quântica introduzidos por Planck e desenvolvidos por Einstein explicaria o movimento discreto dos elétrons nos átomos e a tabela periódica de elementos.

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Einstein contribuiu para estes desenvolvimentos, ligando-os com os argumentos que Wilhelm Wien tinha apresentado em 1898. Wien tinha mostrado que a hipótese de invariância adiabática de um estado de equilíbrio térmico permite que todas as curvas de um corpo negro a temperaturas diferentes sejam derivadas uma a partir da outra por um processo simples de deslocamento.[151] Einstein observou em 1911 que o mesmo princípio adiabático mostra que a quantidade que é quantizada em qualquer movimento mecânico deve ser um invariante adiabático. Arnold Sommerfeld identificou esta invariante adiabática como a variável de ação da mecânica clássica.[152]

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Embora o escritório de patentes o tenha promovido para técnico examinador de segunda classe em 1906, Einstein não tinha desistido da carreira acadêmica. Em 1908 tornou-se privatdozent na Universidade de Berna.[153] Em "Sobre o desenvolvimento de nossa visão sobre a natureza e constituição da radiação" ("Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung"), sobre a quantização da luz, e antes em um artigo de 1909, Einstein mostrou que os quanta de energia de Max Planck devem ter momentos bem definidos e agir, em alguns aspectos, como partículas pontuais independentes. Este artigo introduziu o conceito de fóton (embora o nome fótontenha sido introduzido mais tarde por Gilbert Newton Lewis em 1926) e inspirou a noção de dualidade onda-partícula na mecânica quântica.

 

Quando os físicos desenvolveram a mecânica quântica, sentiu-se uma grande emoção pois estavam concebendo as ferramentas necessárias para descrever o mundo recém-descoberto das partículas subatômicas. Einstein compartilhava a emoção. Mas o campo da mecânica quântica tomou um rumo que o frustrou: as equações desenvolvidas pelos cientistas só foram capazes de prever as probabilidades de como um átomo agiria. A mecânica quântica insiste que as leis mais fundamentais da natureza são aleatórias. Mesmo que os primeiros trabalhos de Einstein levaram diretamente para o desenvolvimento da nova ciência, o próprio sempre se recusou a aceitar essa aleatoriedade.[154] Em 1917, no auge de seu trabalho sobre a relatividade, publicou um artigo no Physikalische Zeitschrift que propôs a possibilidade da emissão estimulada, o processo físico que torna possíveis o maser e o laser.[carece de fontes] 

 

Este artigo mostra que as estatísticas de absorção e emissão de luz só seriam consistentes com a lei de distribuição de Planck se a emissão de luz em uma moda estatística com ‘’’n’’’ fótons fosse aumentada estatisticamente em comparação com a emissão de luz em uma moda vazia. Este artigo foi enormemente influente no desenvolvimento posterior da mecânica quântica, porque foi o primeiro trabalho a mostrar que as estatísticas de transições atômicas tinham leis simples. Einstein descobriu os trabalhos de Louis de Broglie e apoiou as suas ideias, que foram recebidas com ceticismo no início. Em outro grande artigo nessa mesma época, Einstein proveu uma equação de onda para as ondas de Broglie, que sugeriu como a equação de Hamilton-Jacobi da mecânica. Este trabalho iria inspirar o trabalho de Schrödinger de 1926.

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A intuição física de Einstein o levou a notar que as energias do oscilador de Planck tinham um ponto zero incorreto.[155] Ele modificou a hipótese de Planck, definindo que o estado de menor energia de um oscilador é igual a 1⁄2 hf, a metade do espaçamento de energia entre os níveis.[156] Este argumento, que foi feito em 1913 em colaboração com Otto Stern,[156] foi baseado na termodinâmica de uma molécula diatômica que pode se separar em dois átomos livres.[156]

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Teoria da opalescência crítica

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Ver artigo principal: Opalescência crítica

Einstein voltou para o problema das flutuações termodinâmicas, dando um tratamento das variações de densidade de um fluido no seu ponto crítico. Normalmente as flutuações de densidade são controladas pela segunda derivada da energia livre em relação à densidade. No ponto crítico, esta derivada é zero, levando a grandes flutuações. O efeito da flutuação da densidade é que a luz de todos os comprimentos de onda é dispersada, fazendo com que o fluido pareça branco leitoso. Einstein relaciona isso com a dispersão de Rayleigh, que é o que acontece quando o tamanho da flutuação é muito menor do que o comprimento de onda, e que explica por que o céu é azul.[158] Einstein quantitativamente derivou a opalescência crítica de um tratamento de flutuações de densidade, e demonstrou como tanto o efeito quanto a dispersão de Rayleigh se originam a partir da constituição atomística da matéria.

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Argumento do buraco e teoria Entwurf

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Ao desenvolver a relatividade geral, Einstein ficou confuso sobre a invariância de gauge na teoria. Formulou um argumento que o levou a concluir que uma teoria geral do campo relativístico é impossível. Desistiu de procurar equações tensoriais covariantes completamente gerais e procurou por equações que seriam invariantes apenas sob transformações lineares gerais. Em junho de 1913, a teoria Entwurf (do alemão "rascunho") foi o resultado dessas investigações. Como o próprio nome sugere, era um esboço de teoria, com as equações de movimento complementadas por condições adicionais de fixação de calibre. Ao mesmo tempo menos elegante e mais difícil do que a relatividade geral, após mais de dois anos de intenso trabalho, Einstein abandonou a teoria em novembro de 1915, depois de perceber que o argumento do buraco estava errado.[159]

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Flutuações termodinâmicas e física estatística

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Ver artigos principais: Mecânica estatística e física estatística

O primeiro trabalho de Einstein, publicado em 1900 no Annalen der Physik, versou sobre a atração capilar.[160] Foi publicado em 1901 com o título "Folgerungen aus den Kapillarität Erscheinungen", que se traduz como "Conclusões sobre os fenômenos de capilaridade". Dois artigos que publicou entre 1902 e 1903 (termodinâmica) tentaram interpretar fenômenos atômicos a partir de um ponto de vista estatístico. Estas publicações foram a base para o artigo de 1905 sobre o movimento browniano, que mostrou que pode ser interpretado como evidência sólida da existência das moléculas. Sua pesquisa em 1903 e 1904 estava centrada principalmente sobre o efeito do tamanho atômico finito em fenômenos de difusão.[161]

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Pseudotensor de momento de energia

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A relatividade geral inclui um espaço-tempo dinâmico, por isso é difícil identificar a energia e momento conservados.[carece de fontes] O teorema de Noether permite que essas quantidades sejam determinadas a partir da função de Lagrange com invariância de translação, mas a covariância geral transforma a invariância de translação em uma espécie de simetria de calibre.[162] A energia e o momento derivados pela relatividade geral pelas prescrições de Noether não fazem um tensor real por este motivo.

Einstein argumentou que isso é verdade por motivos fundamentais, pois o campo gravitacional poderia ser levado ao desaparecimento por uma escolha de coordenadas. Ele sustentou que o pseudotensor não-covariante de momento de energia era de fato a melhor descrição da distribuição de momento de energia em um campo gravitacional. Esta abordagem tem sido ecoada por Lev Landau e Evgeny Lifshitz,[162] dentre outros, e tornou-se padrão. O uso de objetos não-covariantes como pseudotensores foi duramente criticado em 1917 por Erwin Schrödinger e outros.

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Colaboração com outros cientistas

 

Ver artigos principais: Efeito Einstein-de Haas e Paradoxo EPR

A Conferência de Solvay de 1927, em Bruxelas, uma reunião dos principais físicos do mundo. Einstein no centro.

Além de colaboradores de longa data como Leopold Infeld, Nathan Rosen, Peter Bergmann e outros, também teve algumas colaborações pontuais com vários cientistas, como Banesh Hoffmann.[163] Einstein e Wander de Haas demonstraram que a magnetização é devida ao movimento de elétrons, o que hoje em dia é conhecido como a rotação. Para mostrar isto, inverteram a magnetização em uma barra de ferro suspensa em um pêndulo de torção. Confirmaram que isso leva a barra a rodar, devido a mudanças no momento angular do elétron com as mudanças de magnetização. Esta experiência precisava ser sensível, porque o momento angular associado com os elétrons é pequeno, mas estabeleceu definitivamente que o movimento de elétrons é responsável pela magnetização.

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Sugeriu a Erwin Schrödinger que seria capaz de reproduzir as estatísticas de um gás de Bose-Einstein ao considerar uma caixa. Então, para cada possível movimento quântico de uma partícula em uma caixa, associar um oscilador harmônico independente. Quantizando estes osciladores, cada nível terá um número inteiro de ocupação, que será o número de partículas na mesma. Essa formulação é uma forma de segunda quantização, mas é anterior à moderna mecânica quântica. Schrödinger a aplicou para derivar as propriedades termodinâmicas de um gás ideal semiclássico. Schrödinger pediu que adicionasse seu nome como coautor, mas Einstein recusou o convite.[164]

 

Einstein e Niels Bohr, em 1925

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Os debates entre Bohr e Einstein foram uma série de disputas públicas sobre a mecânica quântica entre Einstein e Niels Bohr, que foram dois dos seus fundadores. Seus debates são lembrados por causa de sua importância para a filosofia da ciência.[carece de fontes]

Em 1924 recebeu uma carta com a descrição de um modelo estatístico do físico indiano Satyendra Nath Bose, que criou um método de contagem onde se assume que a luz pode ser entendida como um gás de partículas indistinguíveis, usando uma nova forma para chegar à Lei de Planck.[165] As novas estatísticas de Bose ofereceram mais informações sobre como entender o comportamento dos fótons.[166] Ele mostrou que se um fóton entrou em um estado quântico específico, então há uma tendência para que o próximo entre no mesmo estado. Einstein notou que as estatísticas de Bose aplicavam-se a alguns átomos, bem como partículas de luz propostas, e submeteu a tradução do artigo em alemão para o Zeitschrift für Physik.[167] 

 

Também publicou seus próprios artigos descrevendo o modelo e suas implicações. Entre os resultados, em 1925 fez a notável descoberta em que algumas partículas aparecem em temperaturas muito baixas; se um gás tivesse uma temperatura bem próxima do zero absoluto — o ponto em que os átomos não se movem — todos eles caíam no mesmo estado quântico.[168]O condensado de Bose-Einstein é um tipo de matéria que é distintamente diferente das outras na Terra — diferente de líquido, sólido ou gasoso.[169] Foi a última grande contribuição de Einstein à física. Somente em 1995 o primeiro condensado foi produzido experimentalmente por Eric Allin Cornell e Carl Wieman usando equipamentos de ultrarresfriamento construídos no laboratório do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia — Instituto Conjunto do Laboratório de Astrofísica da Universidade do Colorado em Boulder.[170] Hoje, as estatísticas de Bose-Einstein são usadas para descrever o comportamento de qualquer conjunto de bósons.[171]

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Entre os anos de 1926 e 1930, Einstein e Szilárd trabalharam juntos e desenvolveram um silencioso refrigerador doméstico.[172] Em 11 de novembro de 1930, a Patente 1.781.541 dos Estados Unidos foi atribuída a ambos pelo refrigerador de Einstein.[173] Sua invenção não foi imediatamente colocada em produção comercial, uma vez que a mais promissora de suas patentes foi rapidamente comprada pela empresa sueca Electrolux para proteger sua tecnologia de refrigeração da competição.[nota 5]

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Em 1935, Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen produziram um famoso argumento para mostrar que a interpretação da mecânica quântica defendida por Bohr e sua escola em Copenhague era incompleta se certas suposições razoáveis fossem feitas a respeito de "realidade" e "localidade" contra o qual não havia um pouco de evidência empírica naqueles dias. Bohr escreveu um desmentido e foi declarado o vencedor. O debate persistiu em um nível filosófico até 1964, quando John Stewart Bell produziu sua famosa desigualdade baseada no realismo local (ou seja, a localidade mais realidade, tal como definido por Einstein, Podolsky e Rosen) na qual a mecânica quântica viola. Por fim, a questão foi trazida a baixo de sua altura filosófica ao nível empírico. Mas teve que esperar até 1982 para um verdadeiro veredito experimental.

 

Os experimentos engenhosos realizados pela Aspect e seus colegas com fótons correlacionados mais uma vez pareciam vindicar a mecânica quântica. Após o aparecimento do argumento EPR e a resposta de Bohr, a escola de Copenhague teve que mudar sua postura. Tiveram que abandonar a ideia de que toda medida causava uma "perturbação" inevitável do sistema de medida. De fato, Bohr admitiu que, em uma causa como a correlatada no paradoxo EPR, "não havia dúvida de uma perturbação mecânica do sistema sob investigação".[175]

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A teoria da gravidade de Einstein-Cartan é uma modificação da teoria da relatividade geral, permitindo que o espaço-tempo tenha torção, além de curvatura, e torção relativa à densidade da quantidade de momento angular intrínseco. Esta modificação foi proposta em 1922 por Élie Cartan, antes da descoberta do spin. Cartan foi influenciado pelo trabalho dos irmãos Cosserat (1909), que consideravam, além de um (assimétrico) tensor força de estresse, também um tensor momento de estresse em um meio contínuo adequadamente generalizado.[176]