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The turning point for Einstein’s annus mirabilis. (English) Zbl 1222.83014

Summary: The year 1905 has been called Einstein’s Annus mirabilis because of three ground-breaking works completed over the span of a few months — the light-quantum paper, the Brownian motion paper, and the paper on the electrodynamics of moving bodies introducing the special theory of relativity. There are prima facie reasons for thinking that the origins of these papers cannot be understood in isolation from one another. Due to space limitations, we concentrate primarily on the light quantum paper, since, in key respects, it marks the turning point for the Annus mirabilis. The task is to probe, not just how the idea of the light quantum might have occurred to Einstein, but, more importantly, what convinced him that the idea was not just a quixotic hypothesis, but an unavoidable and demonstrable feature of radiation. The crucial development, we suggest, arose from comparing the energy fluctuations that follow rigorously from the Stefan-Boltzmann law, as well as from Wien’s distribution formula for blackbody radiation, with what it is reasonable to expect from Maxwell’s electromagnetic theory of light. A special case of this is addressed in Einstein’s one paper from 1904, “Zur allgemeinen molekularen Theorie der Wärme” [Ann. der Phys. (4) 14, 354–362 (1904; JFM 35.0918.01)]. The outcome for the general case leads naturally to the central theoretical argument of the light quantum paper, the expectation of Brownian-like motion, and several of the key results for the electrodynamics of moving bodies.

MSC:

83-03 History of relativity and gravitational theory
01A60 History of mathematics in the 20th century
01A70 Biographies, obituaries, personalia, bibliographies
81-03 History of quantum theory
82-03 History of statistical mechanics

Citations:

JFM 35.0918.01
Full Text: DOI

References:

[1] Boltzmann, L., Über die Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatze der mechanischen Wärmetheorie und der Wahrscheinlichkeitsrechnung resp. dem Sätzen über das Wärmegleichgewicht, Wiener Berichte, 76, 373-435 (1877) · JFM 09.0760.01
[2] Boltzmann, L., Vorlesungen über Gastheorie, Part I (1896), Johann Ambrosius Barth: Johann Ambrosius Barth Leipzig · JFM 26.1056.06
[3] CPAE 1987-2004. The collected papers of Albert Einstein; CPAE 1987-2004. The collected papers of Albert Einstein
[4] Einstein, A., Eine Theorie der Grundlagen der Thermodynamik, Annalen der Physik, 11, 170-187 (1903), (Also in CPAE, Vol. 2, Doc. 4) · JFM 34.0962.01
[5] Einstein, A., Zur allgemeinen molekularen Theorie der Wärme, Annalen der Physik, 14, 355-362 (1904), (Also in CPAE, Vol. 2, Doc. 5) · JFM 35.0918.01
[6] Einstein, A., Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik, 17, 132-148 (1905), (Also in CPAE, Vol. 2, Doc. 14) · JFM 36.0883.01
[7] Einstein, A. (1905b). Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen. Bern: K.J. Wyss. Also in (CPAE, Vol. 2, Doc. 15). Slightly revised version published as (Einstein 1906a; Einstein, A. (1905b). Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen. Bern: K.J. Wyss. Also in (CPAE, Vol. 2, Doc. 15). Slightly revised version published as (Einstein 1906a
[8] Einstein, A., Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen, Annalen der Physik, 17, 549-560 (1905), (Also in CPAE, Vol. 2, Doc. 16) · JFM 36.0975.01
[9] Einstein, A., Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik, 17, 891-921 (1905), (Also in CPAE, Vol. 2, Doc. 23) · JFM 36.0920.02
[10] Einstein, A., Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen, Annalen der Physik, 19, 289-305 (1906) · JFM 37.0811.01
[11] Einstein, A., Zur Theorie der Lichterzeugung und Lichtabsorption, Annalen der Physik, 20, 199-206 (1906), (Also in CPAE, Vol. 2, Doc. 34) · JFM 37.0856.01
[12] Einstein, A., Bermerkungen zu der Notiz von Hrn. Paul Eherenfest: “Die Translation defomierbarer Elektronen und der Flachensatz”, Annalen der Physik, 23, 206-208 (1907), (Also in CPAE, Vol. 2, Doc. 44) · JFM 38.0861.04
[13] Einstein, A., Ideas and opinions (1954), Bonanza Books: Bonanza Books New York
[14] Einstein, A. (1979). Autobiographical notesa centennial edition; Einstein, A. (1979). Autobiographical notesa centennial edition
[15] Einstein, A., (Stachel, J., Einstein’s miraculous year (2005), Princeton University Press: Princeton University Press Princeton) · Zbl 1073.01028
[16] Einstein, A., & Besso, M. (1972). Correspondence1903-1955; Einstein, A., & Besso, M. (1972). Correspondence1903-1955
[17] Einstein, A.; Marić, M., (Renn, J.; Schulmann, R., The love letters (1992), Princeton University Press: Princeton University Press Princeton)
[18] Gearhart, C. A., Planck, the quantum, and the historians, Physics in Perspective, 4, 170-215 (2002) · Zbl 1004.83003
[19] Janssen, M., Rotation as the nemesis of Einstein’s Entwurf theory, (Goenner, H., The expanding worlds of general relativity (1999), Birkhäuser: Birkhäuser Boston), 127-157 · Zbl 0943.83503
[20] Janssen, M. (2003). A glimpse behind the curtain of the wizard/Un coup d’Œil derrière le rideau du magicien. In The Einstein-Besso manuscriptFrom special relativity to general relativity/Le manuscrit Einstein-BessoDe la relativité restreinte à la relativité générale; Janssen, M. (2003). A glimpse behind the curtain of the wizard/Un coup d’Œil derrière le rideau du magicien. In The Einstein-Besso manuscriptFrom special relativity to general relativity/Le manuscrit Einstein-BessoDe la relativité restreinte à la relativité générale
[21] Lenard, P., Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht, Annalen der Physik, 2, 359-375 (1900)
[22] Planck, M., Ueber irreversible Strahlungsvorgänge, Annalen der Physik, 1, 69-122 (1900) · JFM 31.0845.01
[23] Planck, M., Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum, Annalen der Physik, 4, 553-563 (1901) · JFM 32.0913.05
[24] Planck, M., Ueber die Elementarquanta der Materie und der Elektricität, Annalen der Physik, 4, 564-566 (1901) · JFM 32.0908.01
[25] Renn, J., Einstein’s invention of Brownian motion, Annalen der Physik, 14, 23-37 (2005), (Supplement)
[26] Renn, J. (Ed.) (forthcoming). The Genesis of General Relativity; Renn, J. (Ed.) (forthcoming). The Genesis of General Relativity · Zbl 1159.83303
[27] Rynasiewicz, R., The construction of the special theory: Some queries and considerations, (Howard, D.; Stachel, J., Einstein: The formative years, 1879-1909 (2000), Birkhäuser: Birkhäuser Boston), 159-201
[28] Rynasiewicz, R., The optics and electrodynamics of ‘On the electrodynamics of moving bodies’, Annalen der Physik, 14, 38-57 (2005), (Supplement)
[29] Seelig, C., Albert Einstein: A documentary biography (1956), Staples Press: Staples Press London
[30] Stachel, J. (2005). Introduction to the centenary edition. In Stachel, J., Einstein (2005). Einstein’s miraculous year (2nd ed.). Princeton: Princeton University Press. (pp. xv-lxxii).; Stachel, J. (2005). Introduction to the centenary edition. In Stachel, J., Einstein (2005). Einstein’s miraculous year (2nd ed.). Princeton: Princeton University Press. (pp. xv-lxxii). · Zbl 1073.01028
[31] Wien, W. (1893). Eine neue Beziehung der Strahlung schwarzer Körper zum zweiten Hauptsatz der Wärmetheorie. Königlich Preussisch Akadiemie der Wissenschaften zu Berlin: Sitzungsberichte; Wien, W. (1893). Eine neue Beziehung der Strahlung schwarzer Körper zum zweiten Hauptsatz der Wärmetheorie. Königlich Preussisch Akadiemie der Wissenschaften zu Berlin: Sitzungsberichte · JFM 25.1831.01
[32] Wien, W., Temperatur und Entropie der Strahlung, Annalen der Physik und Chemie, 52, 132-165 (1894) · JFM 25.1828.02
[33] Wien, W., Ueber die Energievertheilung im Emissionsspectrum eines schwarzen Körpers, Annalen der Physik und Chemie, 58, 662-669 (1986) · JFM 27.0780.01
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