בסדרת מאמרים שפירסם לפני מאה שנה שינה אלברט איינשטיין את פני המדע. כתבה ראשונה
עמית הגר
איינשטיין, 1905. תפנית של ייאוש הובילה לתורת היחסות
1905 היתה שנה טובה לאלברט איינשטיין. באפריל סיים פקיד הפטנטים הזוטר בן ה-26 את תזת הדוקטורט שלו במכון הטכנולוגי של ציריך, ובתוך שישה חודשים, כשהוא עובד בבדידות כמעט מזהרת וללא מגע רציף עם הקהילה המדעית, פירסם ארבעה מאמרים נוספים, ששינו לבלי הכר את פני המדע. לא בכדי מכונה 1905 “שנת הפלא” (Mirabilis Annus) של איינשטיין.
גדולתו של איינשטיין נעוצה בין השאר בכך שהוא המשיך במקום שבו מדענים דגולים אחרים עצרו. רבים מהפיסיקאים בני דורו עסקו באותה תקופה באותם נושאים, אך לא ההינו לשנות את כללי המשחק, ולכן נשארו מאחור, נעוצים בפיסיקה של המאה ה-19. אם עד תחילת המאה העשרים התווכחו המדענים על עצם קיומם של האטומים, האמינו ברציפותו של עולם החומר ובאופיו הגלי של האור, ויותר מכל, האמינו בקיומו של ה”אתר” כתווך ערטילאי שבתוכו נעה קרינה אלקטרומגנטית ובהיותם של המרחב והזמן נפרדים ומוחלטים, הרי שהפיסיקה שאליה התוודע העולם במאמריו פורצי הדרך של איינשטיין היתה פיסיקה חדשה.
איינשטיין אימץ באופן מלא וחסר פשרות את ההשערה בדבר קיומם של האטומים והראה כיצד ניתן להופכה להשערה אמפירית; הוא הראה עד כמה פורייה היא ההשערה בדבר קיומם של חלקיקי אור בדידים שלימים ייקראו פוטונים; והוא סילק במחי יד את אותה ישות ערטילאית בלתי נצפית – ה”אתר” – ובכך שינה את תמונת המרחב והזמן שהיוותה חלק בלתי נפרד מהפיסיקה זה מאות שנים.
כדי להבין את הרקע לכתיבת מאמריו של איינשטיין וכן מדוע הם נחשבים פורצי דרך, כדאי להקשיב לאיינשטיין עצמו, שבשנת 1919 טבע הבחנה שרבים רואים בה כיום את אחת ההבחנות המתודולוגיות החשובות בפיסיקה התיאורטית.
איינשטיין הבחין בין שני סוגים של תיאוריות פיסיקליות: תיאוריות “של הרכבה” ותיאוריות “של עיקרון”. תיאוריות “של הרכבה”, הסביר איינשטיין, הן בדרך כלל תיאוריות על מבנה החומר. על סמך כמה הנחות בדבר “אבני הבניין” של העולם, מנסה הפיסיקאי להרכיב מודלים המתארים תופעות מורכבות יותר. נקודת המוצא שממנה מתחילות תיאוריות “של עיקרון”, לעומת זאת, שונה לחלוטין. כאן אין הפיסיקאי מניח הנחות כלשהן לגבי מבנה החומר או “אבני הבניין” של העולם, אלא יוצא ממספר מצומצם של עקרונות תצפיתיים, ובעקבותיהם שואל את עצמו מה טיבו של העולם אם עקרונות אלה שרירים בו.
את “שנת הפלא” שלו, ולמעשה את הקריירה האקדמית שלו כולה, התחיל איינשטיין דווקא מנקודת המבט של גישת ההרכבה. לגישה זו שייכת תזת הדוקטורט שלו, שנכתבה באפריל 1905 ובה הציע שיטה חדשה ומקורית לאומדן קוטרן של מולקולות ולחישוב מספר אבוגדרו – המספר המציין את מספר המולקולות הנמצאות בכמות מסוימת של חומר. בכך סלל את הדרך להפיכתה של ההשערה בדבר קיומם של האטומים להשערה אמפירית.
כחודש לפני הגשת מאמר התזה פירסם איינשטיין מאמר על ההשערה הקוונטית של האור ועל האפקט הפוטו-אלקטרי. מאמר זה, הראשון מבין ארבעת המאמרים ששלח איינשטיין באותה שנה לירחון המדעי המכובד “der physik Annalen”, היה אחד המאמרים שפרצו את הדרך לתורת הקוונטים, והוא זיכה את איינשטיין בפרס נובל בשנת 1921.
במאמר נוסף, שנכתב במאי 1905 ועסק (כמו תזת הדוקטורט) בהשערה האטומית, שהחלה לתפוס תאוצה בין הפיסיקאים התיאורטיים באותה תקופה, ניתח איינשטיין מבחינה מתמטית את “תנועת בראון” – תנועתם האקראית של חלקיקים מיקרוסקופיים הצפים בתוך נוזל, שנצפתה כבר בראשית המאה ה-19. חישוביו היוו חיזוק נוסף לעובדת קיומם של האטומים, שעליה התווכח העולם האקדמי באותה עת.
בשני המאמרים האחרונים של “שנת הפלא”, שהתפרסמו ביוני ובספטמבר, זנח איינשטיין את גישת ההרכבה ופנה לגישת העיקרון. בשניהם הוא שירטט את עיקריה של תורת היחסות הפרטית ואת אחת מנגזרותיה, שהפכה כבר מזמן לאייקון תרבותי – המשוואה 
. תורת היחסות הפרטית מתחילה משני עקרונות תצפיתיים – עקרון היחסות ועקרון האור – וגוזרת מצירופם את מבנה המרחב והזמן. על יסוד שני עקרונות אלה מתארת תורת היחסות הפרטית עולם שונה לחלוטין מזה שאנו רגילים בו, עולם שבו זמן ומרחב “מולחמים” יחדיו לישות אחת הנקראת “מרחב-זמן” ושבמסגרתו התשובה לשאלה אם שני מאורעות מתרחשים בעת ובעונה אחת איננה קבועה ובלתי משתנה, אלא תלויה במהירות התנועה של המשיב.
היסטוריונים של המדע מתדיינים עד היום על השאלה מה הביא את איינשטיין לנטוש את גישת ההרכבה ולהמיר אותה בגישת העיקרון. קרוב לוודאי שאיינשטיין הבחין בעובדה שככל שהמדען נובר בנבכי עולם החומר ומנסה להרכיב מודלים לתופעות מורכבות, כך הולך ופוחת ביטחונו באמיתותם של אותם מודלים, ואכן, ההשערה הקוונטית של האור, שבה התמקד המאמר הראשון ב”שנת הפלא”, אותתה לאיינשטיין שמשוואות התיאוריה האלקטרומגנטית של ג'יימס קלרק מקסוול אינן מהוות כנראה סוף פסוק, והתהליךלזיהוין המדויק של “אבני הבניין” של עולם החומר עדיין ארוך. מנקודת מבט זו, המעבר לגישת העיקרון הוא תפנית של ייאוש – במקום להמשיך ולהניח הנחות שתקפותן עתידה להישאר עלומה עוד זמן רב, מוטב אולי לפיסיקאי התיאורטי להתמקד בתופעות שאין עליהן עוררין ולגזור מהן מסקנות מעניינות על מבנה העולם.
כיום, חמישים שנה אחרי מותו של איינשטיין, ממשיכות מסקנותיו המהפכניות להדהד בעוצמה, ו”שנת הפלא” ההיא, שבה התמוטטה סופית תמונת העולם של המאה ה-19, תמשיך כנראה לשמש ציון דרך עיקרי בהיסטוריה של המדע עוד שנים רבות.
מחר: ההשערה הקוונטית של האור
ד”ר הגר הוא פילוסוף של הפיסיקה, מחבר הספר “זמן ואקראיות” (הוצאת מפה)
