Koncem 19. století se ve fyzice objevilo několik problémů, které nebylo možno vysvětlit na základě klasických fyzikálních představ. Šlo zejména o otázky kinetické teorie tepla, fotoelektrický jev a o problém šíření světla ve vákuu. V roce 1905 se v rozmezí několika měsíců objevily v německém odborném časopise Annalen der Physik čtyři teoretické články, podepsané do té doby zcela neznámým Albertem Einsteinem. Každý z těchto článků měl zásadní význam pro vznik a rozvoj moderní fyziky 20. století.
Űber die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte ...
O povaze pohybu částic v tekutině z hlediska molekulárně-kinetické teorie tepla
zveřejněno 18. 7. 1905
Einstein se kinetickou teorií tepla zabýval už ve své disertační práci z roku 1904. V uvedeném článku téma rozšířil a podařilo se mu vytvořit exaktní matematický výklad Brownova pohybu, jednoho z důkazů existence neustálého pohybu molekul. Rozhodujícím způsobem tak podpořil Boltzmannovu nauku o částicové stavbě látek.
Űber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden ...
O vzniku a šíření světla z heuristického hlediska
zveřejněno 9. 6. 1905
Klasická fyzika nebyla schopna vysvětlit paradoxní vlastnosti fotoelektrického jevu, při kterém se dopadem záření na povrch kovu uvolňují elektrony. V rozporu s Maxwellovou teorií elektromagnetického pole není energie uvolněných elektronů závislá na intenzitě dopadajícího záření, ale na jeho vlnové délce. Maxwellova teorie, do té doby téměř bez kazu, v tomto případě zklamala na celé čáře. Einstein dospěl k překvapivému závěru, že vlastnosti fotoelektrického jevu lze pochopit jedině tak, že přijmeme myšlenku německého fyzika Maxe Plancka z roku 1900. Ten při řešení obtížného problému záření černého tělesa vycházel z „neklasického“ předpokladu, že zdroj vysílá záření nespojitě, po kvantech energie. Einstein tuto kvantovou hypotézu převzal do své kvantové teorie světla. Na jejím základě se mu podařilo srozumitelně objasnit fotoelektrický jev a další kvantové vlastnosti světla. Pro hloubku Einsteinových úvah je charakteristická skutečnost, že na základě kvantové teorie již v roce 1917 předpověděl existenci tzv. stimulované emise záření, která se po padesáti letech stala základem jednoho z nejvýznamnějších vynálezů 20. století - laseru. O významu teorie svědčí i to, že Nobelovu cenu za fyziku v roce 1921 dostal Einstein právě za svou průkopnickou práci v oboru kvantové fyziky. Ze základních myšlenek kvantové teorie vyšel dánský fyzik Niels Bohr a vytvořil v roce 1913 první model atomu, založený na kvantování jeho energie. Podařilo se mu objasnit jak vzniká světlo a proč se světla z různých zdrojů navzájem liší.
Zur Elektrodynamik bewegter Körper
K elektrodynamice pohybujících se těles
zveřejněno 26. 9. 1905
Koncem 19. století byla shromážděna řada experimentálních výsledků, které nebylo možno vysvětlit pomocí zákonů klasické fyziky, vycházejících z Newtonovy mechaniky. Zvlášť znepokojivý byl výsledek přesných měření amerických fyziků Michelsona a Morleye. Podle nich rychlost světla ve vákuu nezávisela na rychlosti pohybu zdroje nebo pozorovatele a za všech okolností měla konstantní hodnotu 300 000 km/s. To bylo v rozporu s klasickými představami. O vysvětlení se pokoušela řada fyziků, z nichž byl nejblíže cíli Holanďan H. A. Lorentz, žádný však nenašel odvahu k radikálnímu řešení.
Zásadní krok udělal teprve A. Einstein: poznal hluboký fyzikální význam konstantní rychlosti světla a považoval ji za projev základních vlastností prostoru a času. Rozborem těchto pojmů dospěl k závěru, že je nutno opustit Newtonovy představy o absolutním čase a absolutním prostoru a nahradit je novým, relativistickým pojetím. Nová nauka o čase, prostoru, pohybu, hmotnosti a energii dostala název speciální teorie relativity. Její důsledky se projevují zejména při rychlostech blízkých rychlosti světla - zvláště při studiu elementárních částic a v jaderné fyzice.
Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?
Je hmotnost těles závislá na jejich energii?
zveřejněno 21. 11. 1905
Čtvrtý článek se zabýval jedním z nečekaných důsledků speciální teorie relativity. Zatímco o závislosti času a prostoru na rychlosti pohybu měli někteří fyzikové tušení už před Einsteinem, tento důsledek byl zcela nový. Einstein jej vyjádřil slavnou rovnicí E = mc2: každá změna energie tělesa se projeví změnou jeho hmotnosti. Rovnice pro vztah mezi hmotností a energií našla po čtyřiceti letech své tragické potvrzení při výbuchu atomových pum nad japonskými městy Hirošimou a Nagasaki. Naopak jejím pozitivním přínosem byl vznik a celosvětový rozvoj jaderné energetiky.
V roce 1905 naplno zazářil Einsteinův génius. V několika nenápadných vědeckých pojednáních položil základy dvou hlavních proudů současné fyziky - relativistické a kvantové fyziky.
