Einstein’s cosmological constant

The year 2013 is Israel’s “Space Year”. Here

Read my new Paper discussing Einstein’s cosmological model and the cosmological constant:

The Mythical Snake which Swallows its Tail: Einstein’s matter world

In 1917 Einstein introduced into his field equations a cosmological term having the cosmological constant as a coefficient; he invented a finite and spatially closed static universe, bounded in space, according to the idea of inertia having its origin in an interaction between the mass under consideration and all of the other masses in the universe (Mach’s Principle).

In 1931 new experimental findings led Einstein to drop his cosmological constant.

We usually characterize Einstein’s renouncement of the cosmological constant and coming up with new ideas as Einstein’s mistake. Perhaps we rather say that Einstein’s old and new ideas link up with the same good old Mach’s principle that brought him to introduce the cosmological constant.

Later cosmological models of Einstein are either compatible or incompatible with Einstein’s understanding of Mach’s principle.

In 1931 Einstein dropped the cosmological constant and later also dropped Mach’s principle.

ae65

Einstein and Willem de Sitter in 1932

מסיבת התה של הכובען המטורף: הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין

ב-1917 אלברט איינשטיין החליט להוסיף איבר למשוואות השדה של תורת היחסות הכללית שלו. הוא הכניס את האיבר הקוסמולוגי בעל המקדם שקרוי “הקבוע הקוסמולוגי”, כדי שתורת היחסות הכללית תניב יקום סטטי. איינשטיין טען שהאיבר הקוסמולוגי לא ישנה את הקוואריינטיות של משוואות השדה וגם לא את שאר ניבויי התיאוריה.

באותו הזמן תורת היחסות של איינשטיין עדיין לא אומתה ניסויית, אבל איינשטיין היה נחוש בדעתו להשמיט את שאריות המרחב המוחלט שלכאורה אולי נותרו בתורתו. לשם כך הוא המציא “טירה יפיפה שתלוי באוויר”, כפי שאיינשטיין עצמו תאר זאת, עולם סופי וסגור בממדיו המרחביים ובייחוד עולם סטטי. עולם זה תאם לרעיונות של מאך, לפיהם האינרציה מקורה באינטראקציה שבין המסה לשאר המסות ביקום. שנה אחר כך איינשטיין היה כה בטוח ברעיונותיו של מאך עד כי הוא קרא לרעיון זה עקרון מאך.

מבחינה פיזיקאלית, הקבוע הקוסמולוגי בהיותו גדול מאפס פירושו היה הקיום של דחייה קוסמית וכך היקום הסטטי של איינשטיין הוא כזה שבו הדחייה בכל מקום מאזנת את משיכת הכבידה.

והנה ידידו של איינשטיין מלידן, וילהם דה סיטר, הגה פיתרון לאותן משוואות שדה של איינשטיין עם הקבוע הקוסמולוגי, אבל שמניבות יקום ריק לחלוטין. היקום של דה סיטר היה כדורי בממדיו המרחביים, אבל פתוח לאינסוף כאילו היה היפרבולואיד. דה סיטר שמע על עבודתו הניסויית של וסטו סליפר שחקר את המהירויות של 25 ערפיליות ספיראליות (מה שיותר מאוחר כונה גלקסיות). דה סיטר גילה אפקט הסחה לאדום בעולם ההיפרבולואידי שלו.

דה סיטר החליט להשוות בין העולם שלו לעולם של איינשטיין. כדי לעשות זאת הוא ביצע לעולם שלו טרנספורמציה לצורה סטטית, כך שעתה שני העולמות, שלו ושל איינשטיין, היו בעלי עקמומיות חיובית; עולם דה סיטר היה האנלוגיה הארבע-ממדית של העולם התלת-ממדי של איינשטיין. אבל בעולם של דה סיטר הזמן הוא לגמרי יחסי ושווה-ערך במעמדו לשלושת הקואורדינאטות המרחביות ואילו בעולם של איינשטיין הזמן באינסוף היה שונה כאילו היה זה זמן דמוי-מוחלט. לפיכך, המערכת של איינשטיין מספקת את עקרון היחסות רק אם פוסטולט זה תקף לשלושת ממדי המרחב ולא לממד הזמן. מכאן, טען דה-סיטר, איינשטיין השיב במו-ידיו את המרחב המוחלט של ניוטון, אותו חלל מוחלט שהוא כה התאמץ לגרש!

אבל איינשטיין לא השתכנע מהטיעונים של דה סיטר; ולא זאת בלבד, איינשטיין טען שהעולם של דה סיטר מפר את עקרון מאך. איינשטיין ניסה במקום זאת להדגים שהפתרון של דה סיטר מכיל סינגולאריות בדיוק בקו המשווה. במקום הזה שבו מצויה הסינגולאריות מתחבא לו החומר הנעלם ולכן עולם דה סיטר אינו ריק כלל. הטיעון של איינשטיין היה כזה: לפי תורת היחסות הכללית, ככל ששעונים הם קרובים יותר למקור חומרי, כך הם נעים לאט יותר. מכיוון שהשעונים הולכים ומאטים ככל שמתקרבים ל”קו המשווה” בעולם דה סיטר בצורה הסטטית, כל החומר של עולם דה סיטר מרוכז שם בקו המשווה.

ארתור אדינגטון הגדיר זאת בצורה ציורית ב-1920: ביקום דה סיטר “כאשר אנחנו מגיעים למחצית הדרך לנקודה הנגדית, הזמן עומד מלכת. בדיוק כמו מסיבת התה של הכובען המטורף, השעה היא תמיד 6 אחר הצהריים; ושום דבר לא יכול בכלל להתרחש ולא משנה כמה נחכה”.

ולכן איינשטיין הסיק שבפתרון דה סיטר ישנה סינגולאריות אינהרנטית, שהיא חלק מהפיתרון עצמו; ואם כך הדבר, מתחבא לו חומר שם בקו המשווה.

איינשטיין התווכח עם דה סיטר ולא קיבל את עובדת קיום יקומו הריק שסותר את עקרון מאך; ואז נכנס לויכוח המתמטיקאי הדגול פליקס קליין. קליין הסביר לאיינשטיין שקו המשווה בצורה הסטטית של יקום דה סיטר היא תופעת לוואי של הצורה הסטטית. למעשה זו לגמרי מקריות שיקום דה סיטר יכול להיכתב בצורה סטטית. וזו הסיבה שאנחנו אף פעם לא יכולים להגיע לקו המשווה, בגלל שהוא אירוע שנמצא מחוץ להישג ידינו; מערכת הקואורדינאטות שבה העולם של דה סיטר הוא סטטי מכסה רק חלק ממרחב-זמן דה סיטר השלם. לכן הסינגולאריות בקו-המשווה היא סינגולאריות לא אינהרנטית.

איינשטיין בהתחלה התקשה לקבל את הטיעון, אבל בסוף הוא הסכים לקבל שפתרון דה סיטר הוא אכן פתרון למשוואות השדה שלו המתוקנות עם הקבוע הקוסמולוגי, יקום ריק מחומר שמפר את עקרון מאך. אבל הוא עדיין האמין שזהו לא פתרון אפשרי מבחינה פיזיקאלית, אין כזה יקום פיזיקאלי; איינשטיין האמין שכל מודל קוסמולוגי אפשרי צריך להיות סטטי והרי המודל של דה סיטר מבחינה גלובאלית הוא אינו סטטי.

ב-1922 אלכסנדר פרידמן וב-1927 ג’ורג’ למטר פרסמו באופן נפרד זה מזה מודלים דינמיים ליקום. פרידמן גילה מודלים לא-סטטיים מעניינים בעלי קבוע קוסמולוגי שהוא אינו אפס או שווה לאפס. הוא ניבה יקום מתפשט או מתכווץ, שהניב את העולמות של איינשטיין ודה סיטר כמקרה פרטי. המודל של פרידמן עם קבוע קוסמולוגי שווה לאפס היה היקום הפשוט ביותר במסגרת תורת היחסות הפרטית. אבל ב-1922 איינשטיין חשב שהוא מצא טעות בתוצאות של פרידמן, שאם תתוקן, תיתן את היקום הסטטי של איינשטיין. פרידמן שלח לאיינשטיין את החישובים שלו ואיינשטיין השתכנע שהתוצאות של פרידמן אכן נכונות מתמטית, אבל סירב לקבל את הפתרון של פרידמן כמודל פיזיקאלי אפשרי.

ב-1927 למטר פרסם פחות או יותר את אותו המודל כמו זה של פרידמן, כאשר המודל של למטר היה יותר אסטרונומי מאשר המודל המתמטי של פרידמן. אבל כאשר למטר פגש את איינשטיין בכנס סולביי ב-1927, תגובתו של איינשטיין לעבודתו של למטר לא הייתה שונה מתגובתו למודל של פרידמן. איינשטיין היה מוכן לקבל את המתמטיקה אבל לא את הפיזיקה של היקום הדינמי המתפשט.

ב-1929 אדווין האבל הכריז על תגליתו הניסויית לפיה דומה שהיקום למעשה מתפשט. בשנים שאחרי 1930 הנטייה של הקוסמולוגים הייתה לעבור מתמיכה במודלים סטטיים כמתארים את היקום למודלים דינמיים. הגילוי של האבל נחשב לגילוי מרעיש.

ב-1931 איינשטיין ביקר בפסדינה ובהר וילסון והאבל וד”ר אדמס ליוו אותו למצפה כדי שיצפה בשמיים באמצעות הטלסקופ. איינשטיין הביט בגרמי השמיים והתפעם ולא רצה לעזוב את המקום. הוא בחן את התצפיות של האבל ועדויות אחרות שאיששו שאכן היקום מתפשט. איינשטיין שמע מהאבל עצמו אודות התצפיות שלו שהובילו למסקנה שהיקום מתפשט.

בשובו לברלין איינשטיין החליט לנטוש את הקבוע הקוסמולוגי לטובת יקום פרידמן עם הקבוע הקוסמולוגי ששווה לאפס. איינשטיין שב למשוואות השדה שלו מ-1916 ללא הקבוע הקוסמולוגי. איינשטיין פרסם מאמר קצר ב-1931 בו הוא מציג מודל קוסמולוגי עם קבוע קסמולוגי ששווה לאפס. מיד אחר כך דה סיטר הציג מודל קוסמולוגי זהה וב-1932 איינשטיין ודה סיטר חברו יחד וכתבו מאמר משותף שבו הם הציגו את מודל איינשטיין-דה סיטר.

למטר נותר נאמן לקבוע הקוסמולוגי והציע ב-1933 את ההיסטוריה המודרנית הראשונה של העולם. אבל בגלל השפעתו העצומה של איינשטיין שויתר על הקבוע הקוסמולוגי, קוסמולוגים לא שמו לב בהתחלה לרעיונות של למטר.

למטר הניח שהקבוע הקוסמולוגי גדול מאפס. הוא גילה שעבור יקום הומוגני איזוטרופי מתפשט, בזמן אפס בהיסטוריה הייתה סינגולאריות (והרי אנחנו זוכרים שלאיינשטיין הייתה בעיה עם סינגולאריות). בעקבות הסינגולאריות הזו הייתה התפשטות. כאשר בוחרים את הערך של הקבוע הקוסמולוגי בצורה מתאימה, מתחילה התפשטות מואצת, תחת דחייה קוסמית שאחר כך מואטת על ידי כבידה-עצמית מגיעים לכמעט עצירה במצב של יקום איינשטיין סטטי, שהוא בלתי תלוי בזמן. לפי למטר היקום המוקדם מאוד היה אטום קדום, גרעין אטומי קוסמי, כאשר הוא התפרק רדיואקטיבית בצורה ספונטאנית בצורת המפץ הגדול. ולכן היקום המאוד קדום נשלט על ידי חלקיקים בעלי אנרגיה מאוד גבוהה שיצרו יקום קדום הומוגני. למטר הסיק את קיומן של הקרניים הקוסמיות, השריד הקדום ביותר מההתפרקות הזו, חלקיקים אנרגטיים המרכיבים קרינת רקע למודל.

סטודנט של למטר סיפר, שמרבית האסטרונומים בתקופתו חשדו בתורת המפץ הגדול של למטר ובייחוד איינשטיין חשד בה, כי מי שהציע אותה היה כומר קתולי ותמך בה קווייקר [זרם דתי נוצרי] אדוק (ארתור אדינגטון).

אחרי שהוא ויתר על הקבוע הקוסמולוגי, איינשטיין המבוגר גם ויתר על עקרון מאך; וכך הוא נותר בלי קבוע קוסמולוגי, בלי עקמומיות מרחבית ובלי עקרון מאך… ג

Advertisements

איינשטיין ותורת הקוונטים Einstein and the Light Quantum

In 1905 Planck, a coeditor of the Annalen der Physik, accepted Einstein’s paper on light quanta for publication, even though he disliked the idea of “light quanta”. Einstein’s relativity paper was received by the Annalen der Physik at the end of June 1905 and Planck was the first scientist to notice Einstein’s relativity theory and to report favorably on it. In the 1905 relativity paper Einstein used the notion, “light complex”, and he did not invoke his novel quanta of light heuristic with respect to the principle of relativity. He chose the language “light complex” for which no clear definition could be given. But with hindsight, in 1905 Einstein made exactly the right choice not to mix concepts from his quantum paper with those from his relativity paper. He focused on the solution of his relativity problem, whose far-reaching perspectives Planck already sensed. x

In the Electrodynamical part of the Relativity paper Einstein considers the system K. Very far from the origin of K, there is a source of electromagnetic waves. Let part of space containing the origin of coordinates 0 be represented to a sufficient degree of approximation by plane waves. Einstein asks: What characterizes the waves when they are examined by an observer at the same point 0, but at rest in the system k, moving relatively to K with constant speed v? x

Einstein applies the Lorentz transformation and transformation equations for electric and magnetic fields to the equations of the plane electromagnetic wave with respect to K. He obtains the Doppler principle, i.e., the frequency of electromagnetic waves as it appears in the system k and K: f’/f.   x

Einstein then finds the amplitude of the waves as it appears in the system k; the amplitude of the electric or magnetic waves A or A’, respectively, as it is measured in the system K or in the system k. Einstein gives the equation for the square of amplitude, Pointing vector. x

We expect that the ratio of the square of the amplitude of a given light complex “measured in motion” and “measured at rest” would be the energy if the volume of a light complex were the same measured in K and k. However, says Einstein, this is not the case.  x

Einstein thus instead considers a spherical surface of radius R moving with the velocity of light. He is interested in the light energy enclosed by the light surface. No energy passes outside through the surface of the spherical light surface, because the surface and the light wave both travel with the velocity of light. He calculates the amount of energy enclosed by this surface as viewed from the system k, which will be the energy of the light complex relative to the system k. The spherical surface – viewed in the system k – is an ellipsoidal surface. If we call the energy of the light enclosed by this surface E when it is measured in system K, and E’ when measured in system k, we obtain the equation that relates between E and E’.  x

Einstein realizes that, “It is noteworthy that the energy and the frequency of a light complex vary with the observer’s state of motion according to the same law”. x

Namely, E’/E = f’/f.     x

John Stachel read my manuscript and said that this formula corresponds to that of the light quantum hypothesis, and in hindsight this supplies extra evidence for the later hypothesis. Einstein’s aim is to show that the equation E = hv that he uses in the quantum paper takes the same form in any inertial frame. That is, E = hv is transformed to E’ = hv’ and thus the relativity postulate is not violated.  x

I wrote in my manuscript that Rynasiewicz wrote in 2005 (and even before that) that, “Einstein wraps up his derivation with what is clearly an allusion to the light quantum hypothesis”. Rynasiewicz adds that “What he does not draw attention to there is the intimate relation of this result to the relative character of simultaneity”.  x

However, Stachel told me that he was the first to notice that in his relativity paper Einstein implicitly referred to the light quantum hypothesis and he told me to delete Rynasiewicz’s comment. x

Then in light of my manuscript Stachel wrote the following paragraph, which reflects my manuscript, and also the collected papers of Einstein, which he edited

Before submitting his 1905 special relativity paper, Einstein had submitted the light quantum paper – the only one of his 1905 papers he considered truly revolutionary. “On a Heuristic Viewpoint Concerning the Generation and Transformation of Light”, sent to the Annalen on March 17th, 1905, and received by the Annalen a day afterwards. Indeed Einstein wrote Habicht in May 1905 about this paper, “It deals with the radiation and energy characteristics of light and is very revolutionary”.  x

This paper extended the range of application of Planck’s 1900 quantum hypothesis. In order to explain his law of black body radiation, which had been well-verified empirically, Planck was forced to assume that oscillators interacting with the electromagnetic field could only emit and/or absorb energy in discrete units, which he called quanta of energy. The energy of these quanta was proportional to the frequency of the oscillator: E = hv. But Planck believed, in accord with Maxwell’s theory, that the energy of the electromagnetic field itself could change continuously. x

Einstein now showed that, if this formula were extended to the electromagnetic field energy itself, a number of phenomena involving interactions between matter and radiation, otherwise inexplicable classically, could now be simply explained with the help of these light quanta. x

But, he was at work on his relativity paper too; so the question naturally arose, if the equation E = hv holds in one inertial frame of reference, will it hold in all others. If not, then Einstein’s relativity principle would be violated. Since h, the so-called quantum of action, is a universal constant, the question reduces to: Do the energy and frequency of a light quantum transform in the same way in passing from one inertial frame to another. And this is just what he demonstrates in his paper. x

Hence, not wanting to introduce a discussion of his still-quite-speculative light quantum hypothesis into a paper which he regarded as simply an extension of well accepted classical ideas from mechanics to electromagnetism and optics, he confined his proof to the classical level. x

Instead of “light quanta”, in his proof he introduced the rather awkward term “light complex”, a term that he soon dropped. x

In my paper discussing relativity and light quanta I bring both opinions and I also refer to Einstein’s Collected Papers. x

HUJI, Lucien Chavan

paper abstract

פילוסופיה של הפיזיקה – הפרדוקס של איינשטיין-פודולסקי-רוזן, אפ”ר ותורת היחסות הפרטית

תיאור קוונטי אורתודוקסי של מערכת קשור בשלושה אלמנטים: משייכים למערכת מצב קוונטי (וקטור במרחב הילברט). ההמילטוניאן של המערכת קובע כיצד המצב הזה יתפתח עם הזמן כל עוד לא מבוצעת מדידה על המערכת. לבסוף כאשר מבוצעת מדידה או תצפית על המערכת המצב הקוונטי משתנה בצורה בלתי רציפה וזו משקפת את תוצאת המדידה, מה שקרוי קריסת גל.

כאשר מבצעים מדידות על שני חלקיקים נפרדים ורחוקים זה מזה, אבל החלקיקים הם בקורלציה קוונטית, כלומר במצב של שזירה קוונטית, כמו בניסוי של איינשטיין, פודולסקי ורוזן (ניסוי אפ”ר), מוצאים שהמאפיינים של חלקיק אחד נקבעים על ידי תוצאות המדידה בחלקיק האחר. פירושו שתצפית בצד אחד של הניסוי גורמת לקריסת המצב הקוונטי לערך מוגדר. לאיזה ערך מוגדר? לפי הפירוש האורתודוקסי למכניקת הקוונטים הדבר אינו בשליטתנו. קריסת פונקצית הגל היא תהליך מיידי ובלתי תלוי בהפרדה המרחבית בין שני החלקיקים.

איינשטיין, פודולסקי ורוזן הציעו את ניסוי אפ”ר EPR ב-1935. מהניבויים של מכניקת הקוואנטים ועקרון אי הודאות, ישנן קבוצות מסוימות של משתנים, שאם אחד מהם ידוע בוודאות האחר לחלוטין לא ידוע. בשפה המתמטית של תורת הקוונטים אומרים שאם האופרטורים עבור שני משתנים נצפים אינם קומוטטיביים, רק משתנה אחד מבין שני המשתנים יכול להיות ידוע בדיוק ברגע נתון. אם ניקח את המיקום והתנע כדוגמא. עקרון אי הודאות אומר לנו שאם אנו יודעים את התנע המדויק של המערכת, נניח של חלקיק חופשי, המיקום שלו הוא לגמרי בלתי ידוע. כך שאם התנע של חלקיק ידוע בהסתברות שהיא 1, אנו לא יכולים לדעת בהסתברות 1 את המיקום של אותו חלקיק.

כתוצאה מעיקרון אי הודאות של הייזנברג לא ניתן לקבוע בוודאות כמויות בלתי תואמות. דומה שזה מפר את התנאי המספיק לריאליזם של כמות פיזיקאלית, לפיו ניתן לנבא כמות פיזיקאלית בוודאות מבלי להפריע למערכת – (או המאפיינים המדידים של המערכת הפיסיקאלית קיימים ומוגדרים היטב בנפרד מכל השפעה חיצונית ומהתצפיות). לכן, אם לפי עיקרון אי הוודאות לא ניתן לנבא כמות בוודאות מוחלטת, מכניקת הקוונטים היא לא שלמה. אם לא ניתן לדעת בוודאות בו-זמנית את המיקום והתנע של חלקיק, איינשטיין חשב שמכניקת הקוואנטים היא לא שלמה, שחסר בה משהו, משהו ריאליסטי (משתנים חבויים) שכן יאפשר לנו לדעת אותם בוודאות. אבל אפשר לחשוב שמכניקת הקוואנטים היא לגמרי שלמה ושלא חסר בהסבר שלה כלום. במקרה כזה התוצאה של עיקרון אי הוודאות פשוט אומרת לנו שבעיקרון לא ניתן לקבוע בוודאות ערכים בלתי תואמים בו-זמנית.

אפ”ר החליטו להפריך טענה זו. בעזרת ניסוי אפ”ר איינשטיין שאף להראות שלכמויות קומפלמנטריות (בייחוד מיקום ותנע) יכולים להיות ערכים ריאליסטים, אלמנטים של המציאות, בו-זמניים; ואז המסקנה המתבקשת היא שחסר הסבר במכניקת הקוונטים שיכיל אותם. לפיכך, התיאור שמסופק על ידי פונקצית הגל של המערכת לא יהיה שלם ולא ניתן להסיק שמכניקת הקוונטים היא שלמה.

einstein8

אפ”ר הציעו את הניסוי הבא ב-1935: נניח שיש לנו שתי מערכות A ו-B (שיכולות להיות שני חלקיקים חופשיים), שפונקציות הגל שלהן לא ידועות. אחר כך הן באינטראקציה למשך זמן קצר וניתן לקבוע את פונקצית הגל שנובעת מאינטראקציה זו בעזרת משוואת שרדינגר (השנה היא 1935…). נניח שעכשיו המערכות נעות הרחק זו מזו, כל כך רחוק זו מזו, שהן לא יכולות להיות באינטראקציה יותר זו עם זו בשום דרך שהיא. לפי תורת היחסות הפרטית הן מופרדות בצורה כזו ששום סיגנל אור לא יכול לעבור ממערכת אחת לשנייה. מדידות שמבוצעות רחוק זו מזו לא יכולות להשפיע זו על זו. תנאי זה פירושו שההסתברות למדידה על A היא פונקציה של המשתנים של A בלבד. תנאי זה הוא תנאי הלוקאליות. אבל ניתן להסיק את הערכים של מערכת B רק מקריסת פונקצית הגל. בזמן המדידה שתי המערכות הן לא באינטראקציה יותר. לכן הגיוני להניח, כך מסיק איינשטיין, שאם שני החלקיקים A ו-B היו קודם לכן באינטראקציה ואילו עתה הם מופרדים, התוצאות של המדידות על A לא צריכות להשפיע על B בשום דרך שהיא. תנאי זה פירושו שניתן להפריד את ההסתברויות עבור המדידות שמבוצעות על A ועל B (ההסתברויות עבור המדידות של A ו-B הן שתי פונקציות נפרדות ובלתי תלויות זו בזו). זהו תנאי ההפרדה (ספרביליות). כלומר, בזמן שמדידות מבוצעות על מערכת A ישנה מציאות ששייכת למערכת B בלבד. כך מערכת B שומרת על זהותה הנפרדת למרות שהיא קשורה ל-A.

אבל אם יוצאים מתוך ההנחה שמכניקת הקוונטים היא תיאוריה שלמה (הפירוש האורתודוקסי למכניקת הקוונטים שנתקבל כתוצאה מפשר קופנהגן), המדידה על A משנה בצורה טלפתית את המצב של B (הפרה של עקרון הלוקאליות והספרביליות), כי השינוי מתרחש מיידית תוך העברת מידע במהירות אינסופית וזה מפר את עקרון קביעות מהירות האור בתורת היחסות הפרטית; ולפיכך מפר את יחסיות הבו-זמניות.

איינשטיין כמובן מיד נזעק ואמר שלנוכח סתירה בוטה זו, אם למרות ש-A ו-B מופרדים מרחבית – אי לוקלאיות – שניהם נחשבים למערכת אחת, כלומר פונקצית גל בסופרפוזיציה ולא נחשבים לשני חלקים ממשיים נפרדים, אז יש לשייך קיום נפרד לכל אחד משני חלקי המערכת. עלינו להביט על שתי המערכות A ו-B המופרדות מרחבית כבעלות מצבים ריאליסטים נפרדים, שהם בלתי תלויים באקט המדידה. ולכן איינשטיין מסיק מכך שיש לשייך ערכים ריאליסטים עבור התנע והמיקום של המערכת B.

בשנת 1950 דיויד בוהם ניסח מחדש את ניסוי האפ”ר המקורי בצורת מדידה של חלקיקי ספין חצי. באנלוגיה לניסוי המחשבה של בוהם, מכיוון שיותר קל למדוד קיטוב של פוטונים מאשר את הכיוון של חלקיקי ספין חצי, ניתן להשתמש במסנן קיטוב במקום במכשיר שטרן-גרלך. נבחן שני חלקיקים, שכתוצאה מאינטראקציה כלשהי או תהליך יצירה כלשהו, כל אחד מהם יכול לקבל אחד משני מצבים קוונטיים אפשריים. נגיד שהחלקיקים הם פוטונים ושני המצבים האפשריים הם קיטוב אנכי ואופקי. שני הפוטונים תמיד מגיחים מהאינטראקציה במצבים מנוגדים של קיטוב ליניארי: אחד אנכי והשני אופקי, אבל לא שניהם אופקיים או שניהם אנכיים. אין לנו כל דרך מעשית לדעת איזה פוטון מגיח באיזה מצב.

המצב הקוונטי המשולב הדו-חלקיקי הוא שילוב ליניארי של מכפלת המצבים של שני הפוטונים. כתוצאה הפוטונים אבדו את עצמאותם והם בשזירה קוונטית. ב-1964 ג’ון בל פרסם ניסוי מחשבה – שהוא גרסה לניסוי האפ”ר, ניסוי  EPR-BELL – כלומר EPRB שנועד להבחין בין מכניקת הקוונטים לתיאוריות המשתנים החבויים הלוקאליות. בגרסה של בל לניסוי האפ”ר מכניקת הקוונטים ותורות המשתנים החבויים הלוקאליות ניבאו מבחינה סטטיסטית תוצאות ניסוייות שונות.

הגרסה של ניסוי בל, ניסוי EPRB, בוצעה במעבדה על ידי אלן אספה והניבויים של מכניקת הקוונטים אושרו; ולכן הרעיון של איינשטיין לפיו יש לשייך קיום נפרד לכל אחד משני החלקיקים בשזירה הקוונטית בגלל הסתירה עם תורת היחסות הפרטית נפל. בל הדגים תיאורטית שאילו הערכים בקורלציה היו בגלל סיבות לוקאליות, כפי שאיינשטיין סבר, הם היו מספקים סדרה של אי שיוויונים, שברבות הימים נקראו על שמו “אי שוויני בל”. אבל לפי הפירוש של תורת הקוונטים האורתודוקסית והניסויים שבוצעו על ידי אספה והניסויים המאוחרים יותר, אי שוויוני בל מופרים על ידי קריסה מיידית ולא לוקאלית של פונקצית הגל עבור שני הפוטונים; ולכן לא יתכן הסבר לקורלציה בין החלקיקים בניסוי אפ”ר על בסיס הסיבתיות הלוקאלית. ראו כאן.

אם בוחנים את ניסוי אפ”ר במערכת הייחוס של המעבדה ומביטים בדיאגראמת המרחב-זמן של מינקובסקי, מגלים שאירועי המדידה של החלקיקים הקוונטיים בניסוי אפ”ר הם בעלי הפרדה דמוי-מרחבית. לכן כמו שאיינשטיין הבחין לראשונה ב-1935, אם רוצים לספק הסבר לניסוי על בסיס השפעות לוקאליות של חלקיק אחד על השני, ההסבר צריך להיות מבוסס על השפעות שנעות במהירות גבוהה מזו של האור, למעשה במהירות אין סופית; אפשר לומר את זה גם כך: צריך להשיב את הפעולה למרחוק לפיסיקה, שפועלת מיידית, פועלת על חלקיק שנמצא במרחק עצום ממכשיר המדידה שלנו. חיבור לא לוקאלי בין שני חלקיקים מרוחקים מייצג קשיים רבים בפירושים במכניקת הקוונטים והוא מוקד המתיחות בין תורת הקוונטים לתורת היחסות הפרטית – ובגלל המתיחות הזו איינשטיין כתב כעשר שנים מאוחר יותר לחברו מקס בורן ב-1947 שמדובר ב”פעולה למרחוק של רוחות רפאים”.

אבל ברבות הימים חוקרים בכל זאת חשבו שחייבת להיות תקשורת מוזרה בין החלקיקים בשזירה קוונטית והם שאלו את עצמם: האם אנחנו יכולים לנצל את התקשורת המוזרה שקיימת בין הפוטונים השזורים המרוחקים כדי לשלוח הודעות במהירות על אורית?

נבחן ניסוי מחשבה בו ישנה מערכת תקשורת על אורית שפועלת על עקרון השזירה הקוונטית. למערכת יש משדר, מקלט וחוט שמקשר ביניהם והוא מורכב משני פוטונים בקורלציה, שנפלטים ברציפות לכיוונים מנוגדים במרווחי זמן קבועים, כל עשר ננושניות. הפוטונים שמרכיבים זוג מתוזמנים כדי להגיע בו-זמנית למשדר ולמקלט. במשדר יש מתג שמכוון את הפוטון הראשון בין שני מסלולים אופטיים. המסלול הראשון מוביל את הפוטון לפילטר קיטוב שמכוון עם צירו למעבר מקסימאלי בכיוון האנכי והמסלול השני מוביל לפילטר מקטב שמכוון לכיוון האופקי. המשדר מזהה גילוי פוטון שעבר דרך המקטב האנכי כ-1 וכזה שעבר דרך המקטב האופקי כ-0. למקלט שממוקם על הירח יש רק פילטר אחד שמכוון אנכית.

נגיד שישנם שני גלאים, שנהוג לכנותם בז’רגון של תורת הקוונטים בשם אליס ובוב, והם מעבירים ביניהם מסרים. אליס היא על כדור הארץ והיא רוצה לשלוח מסר שמקודד לקוד בינארי בעל ארבע אותיות 1001 לבוב על הירח. הפוטון הנכנס מגיע למתג במשדר והוא מעבירו למקטב האנכי. הגילוי שלו מאלץ את הפוטון של בוב למצב קיטוב אנכי. הספרה הועברה מיידית או במהירויות שהם פי עשרת אלפים ויותר ממהירות האור. כאשר המשדר רוצה לשלוח 0 המתג מעביר את הפוטון הנכנס למקטב האופקי. הגילוי שלו מאלץ את הפוטון של בוב למצב אופקי, שנחסם על ידי המקטב במקלט: מכיוון שהמקלט מצפה לפוטון הבא תוך 10 ננושניות והוא לא מגיע, המקלט מזהה חוסר גילוי כ-0. התהליך נמשך עד שכל הספרות התגלו תוך כמה ננו שניות ולמעשה התקשורת היא מיידית וניתן גם למקם את המקלט על גלקסיה אחרת.

המהלך נראה מושלם, אבל למרבה הצער הוא לא יכול לפעול ולכן אף אחד עד היום לא רשם עליו פטנט. כאשר הפוטון של אליס עובר דרך המתג במשדר הוא לא מנותב אוטומטית למצב של קיטוב אנכי. לפי תורת הקוונטים יש לו הסתברות שווה לקיטוב אנכי ואופקי; ולנו אין כל אמצעי ניבוי מראש מה יהיה הקיטוב. אנחנו יכולים למדוד את הקיטוב של הפוטון אחרי שמתרחשת קריסה, אבל אין שום דרך לשלוט איזה מבין שני הקיטובים יקבל הפוטון במהלך הקריסה. אליס שמודדת ובכך גורמת לקריסה של פוטון אחד מזוג הפוטונים בשזירת אפ”ר לא יכולה בשום דרך ואמצעי מכוון להשפיע על התוצאה שאותה בוב יקבל כאשר הוא מודד את הפוטון האחר. לכן העברת הפוטון של אליס למקטב האנכי לא מבטיחה שהפוטון של בוב יאולץ למצב של קיטוב אנכי. עדיין יש סיכוי של 50 אחוז שהפוטון של בוב יעבור או יחסם על ידי המקטב במקלט שלו. לא ניתן להעביר שום הודעה בין בוב לאליס באמצעות השזירה הקוונטית במהירות על-אורית. הדרך היחידה היא שאליס תודיע לבוב את תוצאות המדידה שהיא ביצעה וקבלה באמצעות ערוץ תקשורת רגיל וקלאסי וזה מגביל את מהירות התקשורת לזו של מהירות האור.

 לפי הפירוש האורתודוקסי למכניקת הקוונטים הקיטובים של הפוטונים הם כלל לא מוגדרים לפני המדידה. בהתחלה שני הפוטונים הם במצבי סופרפוזיציה של קיטוב אנכי וקיטוב אופקי. וכאשר המדידה של פוטון אחד מתרחשת, רק אז שני הפוטונים יחד קורסים לקיטוב מוגדר היטב. מכניקת הקוונטים לא מגדירה במדויק את הקיטובים ומה הם הקיטובים עבור זוג הפוטונים לפני שהם נמדדים. ויותר מזה, מכניקת הקוונטים לא מוכנה בכלל לקבל את המושג “קיטוב מוגדר” של כל אחד מהפוטונים בשזירה כמשהו תקף בתיאוריה. אנחנו יכולים להגדיר את הקורלציה בין הפוטונים, אבל לא את הקיטוב הנפרד של כל פוטון. כל פוטון הוא במצב של שזירה וסופרפוזיציה עם הפוטון האחר.

לכן הקשר הקוונטי פירושו תופעה חדשה. אמנם דומה שהתופעה קונסיסטנטית עם תורת היחסות הפרטית, שאוסרת מעבר מידע במהירות על-אורית, אבל המחיר הוא מסתורין קוונטי. שימו לב שהנימוקים האלה התקבלו מתוך שיקולים קוונטיים ואין כאן כלל נימוקים ייחסותיים והסבר יחסותי.

עתה נתמקד בשיקולים ייחסותיים. בהנחה ששום מסר אינו יכול לנוע מהר יותר מהאור, אם אנחנו רוצים להעביר תשדורת לגבי האופן שבו הגלאים A ו-B המודדים בניסוי האפ”ר יהיו מסודרים, עלינו להעבירה לפני שאנחנו מסדרים את הניסוי כדי שהיא תגיע בזמן. לכן עלינו להניח שהכיוון של הגלאי המרוחק וההתנהגות של הפוטון המרוחק B הם נקבעים על ידי אירועים בתוך קונוס האור של העבר (קונוס העבר). אבל תיאוריה כזו מיד נופלת בגלל שקשה לדמיין שאירועים כאלה בעבר ישפיעו על פוטונים שהם מרוחקים זה מזה. אין שום אמצעי שבאמצעותו סיגנל תת-אורי וסיגנל אורי מהעבר יכול לספק את המידע מצד אחד של הניסוי לצד האחר. גם אם נאפשר לפוטון לבסס את תגובותיו על כל האירועים מקונוס העבר שלו, לא נצליח למצוא אסטרטגיה שתשיב את הקורלציה הקוונטית. הבעיה היא שבעקרון הכיוון של הגלאי המרוחק B לא נקבע על ידי האירועים בקונוס העבר. נגיד שנאמץ תיאוריה לוקאלית דטרמיניסטית (ניתן להשתמש בידע השלם אודות המצב העכשווי של המערכת הפיסיקאלית כדי לקבוע את המצב העתידי של המערכת) או לוקאלית סטוקאסטית; ונניח ששום השפעה סיבתית לא יכולה להתפשט מהר יותר מהאור. גם אם נגיד נבחן אירוע בתוך קונוס העבר והסבר על פי תיאוריה סטוקסטית כזו, לשום אירוע כזה לא יכולה להיות השפעה מחוץ לקונוס האור של העתיד (קונוס העתיד) שלו. האירועים בקונוס העבר יכולים להשפיע רק על האירועים בקונוס העתיד ולא על אירועים שהם מופרדים דמוי-מרחבית. לאירועים בתוך קונוס האור אין השפעה ישירה על אירועים דמוי-מרחביים וישנו חיץ בין הקורלציות הקוונטיות הדמוי-מרחביות (בעלות סיבה משותפת) וכל האירועים בתוך קונוס העבר.

כאשר מצב בשזירה קורס על ידי אינטראקציה עם אחד משני החלקיקים, החלקיק השני קורס באמצעות תהליך לא-לוקאלי וסופרפוזיציה מייצגת מצב בלתי מוגדר (טיעון נגד הריאליזם) והקריסה למצב מסוים היא תהליך אקראי (טיעון נגד הדטרמינזם).

אולם חוקרים ניסו להסביר את ניסוי אפ”ר על ידי תיאורית העולמות המרובים של יו אברט שמשמיטה את קריסת פונקצית הגל לפיה אין קריסה של פונקצית הגל. לכן מדובר בתהליך מדידה ובצופים בשזירה שמתפצלים לעולמות מקבילים. אבל למעשה תיאורית העולמות המרובים היא תיאוריה לוקאלית: התפצלות לעולמות מרובים היא תהליך לוקאלי. בנוסף, כל האפשרויות קיימות בכל העולמות. אם יש חוקרים שמקווים שהמצב הקוונטי ייצג “ממשות” של פוטון, תיאורית העולמות המרובים מעבירה את הריאליזם למקום אחר: יש יותר מידי ריאליזם, ישנן ריבוי מציאויות מוגדרות. פירוש העולמות המרובים מחזיר גם את הדטרמיניזם: פונקצית הגל מתפתחת בהתאם למשוואת גלים דטרמיניסטית וכל תוצאה אפשרית של המדידה מתממשת בעולם משלה. הבעיה היחידה היא שצופה בעולם אחד יכול להתלונן על כך שהוא קיבל תוצאה X ולא Y בניגוד למה שהוא חזה בהתחלה.

נבחן את ניסוי האפ”ר לפי פירוש העולמות המרובים: המדידה של חלקיק A מתפצלת לשתיים באמצעות תהליך לוקאלי ואז שוב מתפצלת. בגלל שאין קריסת פונקצית גל הצופה ליד A צריך להודיע לצופה ליד B את תוצאות המדידה שלו ואז כל אחד מהם מיד מתפצל – וזה קורה באמצעות שרשרת של אירועים לוקאלית במהירות תת-אורית וכמובן ללא סתירה עם תורת היחסות הפרטית.

אולי טכיונים, שבהגדרה נעים מלכתחילה במהירות על-אורית, מסוגלים להסביר את ניסוי האפ”ר והפרת אי שוויוני בל? או אולי בכלל ניתן להשתמש בטכיונים לתקשורת על אורית, סוג נוסף של טלפון בל? האם אפשר לשלוח מסר או טלגרף מאזור מדידה אחד בניסוי אפ”ר לאחר באמצעות תקשורת על-אורית לא לוקאלית טכיונית?

הבעיה בטכיונים היא שמערכות ייחוס שונות עשויות לא להסכים ביניהן על הסדר הזמני שבו מתרחשים האירועים ולכן לגבי מה מרכיב את העבר של אירוע כלשהו, אבל עדיין כל מערכת ייחוס מסוגלת להרכיב סיפור שהוא קונסיסטנטי למבנה הזמני שלה. בסיגנלים שנעים במהירות תת-אורית הפליטה של הסיגנל תמיד מתרחשת לפני קבלתו. לגבי הטכיונים שנעים במהירות על אורית, במערכות ייחוס מסוימות, הקבלה של הסיגנל העל אורי עשויה להיות לפני השליחה שלו. פירושו שהסיגנל נע אחורנית בזמן ולכן במערכות ייחוס אלה התוצאה קודמת לסיבה. הסדר הזמני נובע ממהירות האור ומהעברת הסיגנלים והמידע בסיגנלים. טכיונים גורמים לבעיות בגלל שאם משתמשים בהם לשלוח מסרים אחורנית בזמן תהיה להם אנרגיה שלילית ולכן הם יצרו חוסר יציבות דינמית. האם כדי להעביר מידע הטכיונים זקוקים להעביר אנרגיה? פוטונים חסרי מסה מוגבלים לקונוס האור בגלל שהם נושאים אנרגיה במהירות האור. אבל אם נשתמש בטכיון חסר מסה, האנרגיה והתנע של חלקיק חסר מסה על אורי הם אפס וטכיון כזה יכול להעביר מידע ללא אנרגיה.

נגיד שנצליח לנטרל את האלמנט שהטכיונים נעים אחורנית בזמן על ידי הצבת תנאי קונסיסטנטי כלשהו. כדי לבצע את העבודה הטכיונים צריכים לשאת את המידע במהירות על אורית מצד אחד של ניסוי אפ”ר לאחר. נניח שבניסוי אפ”ר במערכת ייחוס מסוימת (יחסית למערכת המעבדה) כאשר מבוצעת מדידה (אנחנו צופים בפוטון הראשון A), בדיוק ברגע התצפית הזו הפוטון  A שולח טכיון לפוטון השני B והטכיון מעביר לו את המידע שעליו להיות בקורלציה עם תוצאת המדידה שכבר בוצעה על הפוטון הראשון A. כלומר, הטכיון גורם לפוטון B להגיב בהתאם. הטכניונים הם לכן “משתנים חבויים”. במצב זה מניחים שהקיטובים של הפוטונים הם מוגדרים היטב – הנחה ריאליסטית – והם מתוארים במדויק על ידי המשתנים החבויים. ואז במערכות ייחוס מסוימות תסריט זה פועל. אם במערכת ייחוס נתונה אירוע הגילוי של הפוטון הראשון A מתרחש לפני האירוע שבו הטכיון פוגש את הפוטון השני B, רצף האירועים יכול להתפרש כך שהטכיון נפלט כאשר צופים בפוטון A ונבלע על ידי בן זוגו B בדיוק בזמן כדי שתהיה לו השפעה על התנהגותו.

אבל עקב היותו של הטכיון בהגדרה חלקיק שנע במהירות על אורית ישנן מערכות ייחוס שבהן הטכיון הוא חסר תועלת: בהן הטכיון נפלט על ידי הפוטון הראשון A בטרם זה נמדד ולכן הוא אינו מסוגל לשאת מידע שימושי לפוטון השני B בעת שהוא מגיע לאירוע התצפית; וגרוע מזה, הפוטון השני B פולט טכיונים ברגע שבו הפוטון הראשון A מכוון. קורלציות אלה בין פוטונים מרוחקים באירועים דמוי מרחביים הן בדיוק אלה שהתחלנו איתן.

למעשה ישנן בעיות גם במערכות הייחוס שבהן הסדר הזמני הוא נכון: הקיום של הטכיון צריך להיות תלוי באופן המדידה שמבוצעת על הפוטון הראשון A. צריכה להיות קורלציה חזקה בין כיוון מכשיר המדידה של הפוטון A וזה של המכשיר של הפוטון B כדי שזה יקבל מידע שימושי מהטכיון. לכן טכיון שנע במהירות על-אורית מלכחתילה לא עוזר לפתור את אי הלוקאליות והקורלציות הקוונטיות.

אם מביטים על מערכת הקורלציה הדו-חלקיקית של ניסוי אפ”ר מנקודת המבט של תורת השדות הקוונטית, ניתן לחשוב על האפקטים הקוונטיים ככאלה שמשנים את גיאומטרית מינקובסקי. ב-2007 חוקרים הציעו תיאורית משתנים חבויים יחסותית נוספת: עבור מודל אפ”ר האפקטים הקוונטיים גורמים למטריקה המינקובסקית לעבור טרנספורמציה למטריקה חדשה. מתקבלת גיאומטריה שהיא אפקטיבית בעלת שתי סינגולאריות במטריקה והיא בדיוק בעלת תבנית של גשר כמו חור תולעת. בדרך כזו ניתן לפרש את הקורלציות שבניסוי אפ”ר ככאלה שנובעות מחור תולעת אפקטיבי שמקשר בין שני החלקיקים בניסוי אפ”ר ודרכו מועברים או מתפשטים סיגנלים – ולכן לא זקוקים לטכיונים. המרחב-זמן מתעוות, המרחק מתקצר. אבל תיאור כזה מחמיץ את האי-לוקאליות, חוסר הדטרמיניזם וחוסר הריאליזם שבקורלצית האפ”ר.

ב-1999 סטיבן וינברג הציע תיקון לא ליניארי קטן למשוואות הגלים של מכניקת הקוונטים הסטנדרטית. התברר שכאשר מיישמים את התיאוריה של וינברג לקורלציות בין חלקיקי האפ”ר ניתן להעביר מסר מיידי בין החלקיקים הקוונטיים בניסוי האפ”ר. מכאן הגיעו למסקנה שמכניקת הקוונטים הלא ליניארית מפרה את הסיבתיות ויתכן טלפון אפ”ר (תקשורת בין צופים לא לוקאליים). אולם ג’וזף פולכינסקי הראה שהאפקטים העל-אוריים הם טעות שנגזרת מהניסוח המסוים של וינברג ואם נכליל את הניסוח של וינברג הטעות תעלם. מיד הופיעו חוקרים שהדגימו: לא רק שהקושי של הופעת ההשפעות העל-אוריות ייחודי לניסוח של וינברג, אלא המתכון של פולכינסקי לתורות קוונטיות לא ליניאריות קוזאליות שלא מכילות השפעה על אורית נופל.

אם כך, האם תורת היחסות מופרת? הויכוח נמשך בספרות. לפי הקונסנזוס הסטנדרטי במכניקת הקוונטים – אנחנו נותרנו עם המסתורין הקוונטי, קשר קוונטי מסתורי בין חלקיקים. זהו המחיר שמשלמים כדי לא להפר את עקרונות תורת היחסות הפרטית. אם ננסה להסביר קורלציות קוונטיות לא לוקאליות על ידי השפעה היפותטית לוקאלית וריאליסטית, השפעה כזו תצטרך לנוע במהירות על אורית ולא סתם, אלא במהירות אינסופית.

בניגוד להסברים הלוקאליים הריאליסטיים שמאלצים אותנו להשתמש בתמסורת על-אורית, הפירוש הסטנדרטי המקובל במכניקת הקוונטים האורתודוקסית אומר, ששום מידע לא מועבר בין קצה אחד של ניסוי אפ”ר לקצה השני; כלומר, אין למעשה קונפליקט בין תורת הקוונטים לתורת היחסות וזאת בגלל שצופים שהם מופרדים מרחבית (אי לוקאליות) בניסוי מסוג האפ”ר לא יכולים להשתמש בבחירות המדידה שלהם ובתוצאות המדידה שלהם כדי לתקשר זה עם זה וכדי להעביר מידע זה לזה. מכניקת הקוונטים אף מרחיקה לכת באומרה שהריאליסטים מחשיבים את מדידות הקיטוב לקיטוב של פוטונים ממשיים. אולם, ניתן לחשוב על ניסוי אפ”ר כעל קורלציה סטטיסטית בין מכשירי המדידה בלבד מבלי לדבר כלל על פוטונים, אלא רק על מדידות ונתונים… ג

אחד המחקרים האחרונים בתחום מסוף אוקטובר

Einstein’s pathway to his General Theory of Relativity

Einstein thought that when dealing with gravity high velocities are not so important. So in 1912 he thought about gravity in terms of the principle of relativity and not in terms of the constant-speed-of-light postulate (special relativity). But then he engaged in a dispute with other scholars who claimed that he gave up the central postulate of his special theory of relativity. x

File:Max abraham.png

Max Abraham

File:Gunnar Nordström.jpg

Gunnar Nordström

Einstein’s Pathway to his Equivalence Principle 1905-1907

paper

1912 – 1913 Static Gravitational Field Theory

paper

1913 – 1914 “Entwurf” theory

paper

Berlin “Entwurf” theory 1914

paper

The Einstein-Nordström Theory

paper

Dawn of “Entwarf theory”

paper

1915 Relativity Theory

paper

1916 General Theory of Relativity

paper

איינשטיין ותורת היחסות הפרטית: איינשטיין במשרד הפטנטים Einstein and Relativity: Patent Office

Einstein’s business card, Princeton  כרטיס ביקור

In the Patent Office Einstein hatched his most beautiful ideas, and there he spent his “Happy Bern Years”. These wonderful ideas led to his miraculous year works of 1905. Einstein was not an expert in academic matters, and he was out of academic world. Neither did he meet influential professors, or attend academic meetings. He discussed his ideas with his close friends and colleagues from the Patent Office. In 1907 he finally got his foot into the academic doorway; Einstein became a privatdozent and gave lectures at the University of Bern. However, his first students consisted again of his two close friends and another colleague from the Patent Office. Read my papers in the link below

Einstein and the Theory of Relativity

Helge Kragh Writes in his paper “A Sense of Crisis: Physics in the fin-de-siecle Era”:

If mass is of electromagnetic origin it will increase with the speed or kinetic energy of the body in question, such as shown by Abraham, Lorentz and other electron theorists in the early twentieth century. It followed that the concepts of mass and energy could not be strictly separate, but that they must be connected by an equivalence relation of the same kind that Einstein famously proposed in 1905 (namely, E = mc2). According to this point of view, matter was not really dead, it had merely metamorphosed into energy. Proposals of a mass-energy relationship predated Einstein’s theory of relativity, and they added to the feeling that the entire foundation of physics had to be reconsidered. Young Einstein agreed, but for very different reasons. He saw no merit in the fashionable electromagnetic research program”. x

I don’t agree with Kragh. Einstein was the first to propose the inertial mass-energy equivalence (namely, E0 = m0c2). Abraham, Lorentz, and Poincaré (fin-de-siecle scientists) did not explore the inertial mass-energy equivalence, “an equivalence relation of the same kind that Einstein famously proposed in 1905”. In 1908 Einstein wrote the German physicist Johannes Stark: “I was a little surprised to see that you did not acknowledge my priority regarding the relationship between inertial mass and energy”. See my paper. x

איינשטיין פקיד במשרד פטנטים.

נתחיל בשתי תובנות קלאסיות של חבריו של איינשטיין, שהן אופייניות מאוד לעולם האינטיליגנציה:

מקס תלמוד כתב ב-1932: “מצאתי את חברי [איינשטיין בברן]. סביבתו העידה על מידה רבה של עוני. הוא גר בחדר קטן ומרוהט בעוני. למדתי שהיה לו מאבק חיים קשה עם משכורת דחוקה של פקיד במשרד הפטנטים. קשייו הועצמו בגלל אנשים שקינאו בו והניחו בדרכו מכשולים. כבונוס חברי נתן לי עותק של פרסומו הראשון [על קפילאריות]”.

פרידריך אדלר [חברו של איינשטיין לספסל הלימודים בפוליטכניון] כתב לאביו ב-19 ליוני 1908 לאחר שזכה בתחרות מול איינשטיין על משרת פרופסורה באוניברסיטת ציריך ובסוף ויתר לאיינשטיין על המשרה: “איש בשם איינשטיין, שלמד באותו הזמן בו אני למדתי. אפילו שמענו כמה הרצאות יחד. התפתחותנו נראתה מקבילה: הוא התחתן עם סטודנטית בערך באותו הזמן כמוני ויש לו ילדים. אבל אף אחד לא תמך בו ולמשך זמן הוא כמעט גווע ברעב. כסטודנט הפרופסורים התייחסו אליו בבוז, הספרייה פעמים רבות הייתה סגורה בפניו, ועוד. לא הייתה לו כל הבנה כיצד להסתדר עם האנשים החשובים… לבסוף, הוא מצא משרה במשרד הפטנטים בברן, ובמהלך כל התקופה הוא המשיך בעבודתו התיאורטית למרות כל ההפרעות”.

איינשטיין במשרד הפטנטים

ב-23 ליוני 1902, בשמונה בבוקר בדיוק איינשטיין התייצב לעבודה במשרד הפטנטים הפדראלי השווצרי. הוא עלה למשרדו בבנין הדואר והטלגרף שליד מגדל השעון המפורסם מעל שער העיר ברן. תפקידו היה עורך פטנטים; מומחה טכני זמני בדרגה 3 והוא הרוויח משכורת של 3500 פרנקים לשנה. הוא העריך פניות פטנטים, כתב שוב את הפניות שהתקבלו במשרד, כדי להגן על הממציא כנגד השגות גבול אפשריות. הוא בדק המצאות מקוריות והשלמות להמצאות שהוגשו למשרד; ניסח בבהירות את מהותן והיה צריך לבדוק בזהירות רבה האם הן מקוריות או לא. העבודה דרשה ידיעה של חוק הפטנטים ויכולת לקרוא ספציפיקציות טכניות, וידע בהנדסה ובפיזיקה, למעשה פיזיקה מאוד מעשית. בסירובו לפניות פטנטים מסוימות לא פעם הוא כתב: “פניית פטנט זו היא בלתי נכונה, בלתי מדויקת וכתובה לא ברור”. כאשר שאלו את איינשטיין כיצד פועל משרד הפטנטים? הוא הסביר, שיותר מכל, צריך להיות מסוגל לבטא בבהירות ונכון את הפטנט המקורי מתוך התיאור של התגלית והטיעונים של מגיש הפטנט.

אינשטיין הרגיש בבית במשרד הפטנטים ובין ערימות הפטנטים. כילד הוא הביט בדודו יעקב המהנדס והממציא במפעל המשפחתי, שהגיש ששה פטנטים על המצאותיו. במעבדה של פרופסור הינריך פרידריך וובר הוא לבטח גם כן בא במגע עם המצאות חדשות עליהן הוגשו פטנטים. חרף ניסיונות אלה, נדרשה מאיינשטיין רמת דיוק ואובייקטיביות, שהרי הקריטריונים לפיהם נבדקו הפטנטים לא פעם יכלו להיות נדונים בבית המשפט. איינשטיין היה פיסיקאי והיה לו מעט ניסיון בקריאה ובפירוש של איורים טכניים ובטח היה חסר ניסיון הנדסי, ולכן מנהל משרד הפטנטים פרידריך האלר הדריכו בקפדנות.

באקדמיה לעומת זאת, המקוריות והיצירתיות לא היו הקריטריון הראשי לטיפוס בסולם האקדמי, בייחוד בעולם דובר הגרמנית. לו איינשטיין היה מתקבל לאקדמיה הוא היה חש לחץ להתאים עצמו לדעות הקדומות או לממסד ולדעה המקובלת של פטרוניו, להתקבל כאסיסטנט לפרופסור, “קריירה אקדמית שבה אדם מאולץ ליצור כתבים מדעיים בכמויות עצומות יוצרת סכנה של שטחיות אינטלקטואלית”, אינשטיין אמר פעם מאחור יותר. כתוצאה יד המקרה שהביאה לו את משרד הפטנטים בברן, במקום משרה באקדמיה היוקרתית, כנראה שעודדה כמה מהתכונות שנועדו לגרום לו להיות מוצלח: עצמאות חשיבה יצירתית ושיפוט שאפשרו לו לערער על הנחות היסוד הבסיסיות. לא היה לחץ ודחיפה מצד בוחני הפטנטים להתנהג אחרת.

העבודה במשרד הפטנטים הייתה יצירתית למדי וכנראה שסיפקה לאיינשטיין חומר למחשבה בכיוונים חדשים בפיסיקה. הוא קיבל שכר קבוע ולכן הוא היה פטור מהדאגות החומריות. כעבור שלוש שנים במשרד הפטנטים, האלר הודיע לאיינשטיין בסוף שנת 1905 על העלאתו בדרגה. ומה הייתה תגובתו של אינשטיין? “אבל מה אני אעשה עם כל הכסף הזה?”

בזאת הצליח אינשטיין להתפנות לעבודה האמיתית – העבודה היצירתית המדעית הפיסיקאלית. כך החלה תקופת ברן במשרד הפטנטים של אינשטיין מ-1902 ועד 1909, שבמהלכה אינשטיין השתחרר מדאגות היומיום כדי להפיק את עבודתו היוצרת הטובה ביותר שלו. אינשטיין אהב לתאר את משרד הפטנטים לחבריו כ”מנזר החילוני” שלו.

ניתן ללמוד על תקופת שהותו של אינשטיין במשרד הפטנטים ממכתבו לחברו הטוב קונרד הביכט מספטמבר 1905. אינשטיין כותב להביכט, “אם תצוץ הזדמנות אתן לך דחיפה אצל האלר. אולי נצליח להבריח אותך בין נערי הפטנט. תגלה עדיין שזה נעים למדי. האם למעשה תהיה מוכן לבוא? תחשוב שמלבד שמונה שעות עבודה כל יום, בכל יום ישנן שמונה שעות של שעשועים, ואחר כך ישנו גם יום ראשון. אני מאוד אשמח אם תהיה כאן […] אינך צריך להיות מוטרד מזמני היקר, לא תמיד ישנו נושא רגיש להרהר עליו. לפחות לא כזה מרגש”.

במשרד פטנטים זה איינשטיין בילה את שבע השנים היצירתיות ביותר של חייו – אפילו אחרי שכתב את המאמרים ששינו את פני הפיזיקה. הוא היה מגיע כל יום בשמונה בבוקר, ששה ימים בשבוע ובודק בקשות לפטנטים. הוא בילה שמונה שעות במשרד ולפחות שעה אחת בשעורים פרטיים. אחר כך, בנוסף, הוא עשה עבודה מדעית כלשהי. אבל בדיקת בקשות לפטנטים לא הייתה עבודת פרך. איינשטיין עד מהרה למד שהוא יכול לעבוד על בקשות פטנטים כה מהר שזה הותיר לו זמן לחשוב על המדע במהלך היום.

אנטון רייזר, חתנו של אינשטיין מספר בביוגרפיה שלו, “הוא מהר מאוד גילה שהוא יכל למצוא זמן כדי להקדיש למחקריו המדעיים של עצמו במידה ועשה את עבודתו בפחות זמן. אבל שיקול דעת היה נחוץ, כי למרות שהממונים יכלו להיות מרוצים מהעבודה האיטית, החיסכון בזמן לעיסוקים אישיים היה אסור רשמית. אינשטיין המודאג הקפיד, שגיליונות הנייר הקטנים עליהם כתב ושרטט, ייעלמו לתוך מגירת שולחנו מיד כאשר הוא שמע צעדים מתקרבים מאחורי הדלת. אילו היו מגלים אותו, היו לועגים לו וגם פוגעים בו; המנהל היה צוחק בנוסף לכך שהיה כועס. הוא היה יותר מידי פוזיטיביסט מכדי שיחשוב על מדע ספקולטיבי”.

חמישים שנה אחרי משרד הפטנטים – פרינסטון תמונות של LIFE Ralph Morse

 fifty years after the patent Office – Einstein’s desk

בזמן שגיליונות ניירות מחקריו הזעירים היו נעלמים לתוך מגירת שולחן עבודתו במשרד הפטנטים בעת שהאלר היה מסתובב ושומר, איינשטיין כתב את מאמריו הגדולים ביותר של שנת 1905 ואלה גרמו בסוף למהפכה במאה ה-20.

האם יש לחוש צער על זה שאיינשטיין עבד בהתגנבות, בעודו מנודה מהאכסדרות של האקדמיה? אינשטיין עצמו האמין להפך, שמצב זה היה דווקא יתרון למדע שלו. שם במשרד הפטנטים הרעיונות הטובים ביותר שלו נבטו, כפי שהעיד בפני חברו מיקל’ה בסו מאוחר יותר.

אלברט איינשטיין – דרכו ליחסות Albert Einstein – pathway to theory of relativity

My Einstein and Relativity Papers – Gali Weinstein

Einstein’s Pathway to the Special Theory of Relativity

Einstein’s Pathway to the General Theory of Relativity

The papers describe the genesis and history of special relativity and the discovery and history of general relativity – Einstein chases a light beam, the magnet and conductor thought experiment, Michelson-Morley experiment, emission theory, ether superfluous, Fizeau water-tube experiment, the principle of relativity and the principle of the constancy of the velocity of light (light postulate), The Step, Besso-Einstein meeting, Relativity 1905 paper. 1907 equivalence principle, lift experiments, Galileo principle, coordinate-dependant theory of relativity, Zurich Notebook, Einstein-Grossmann theory (Entwurf theory), deflection of light near the sun, Einstein’s struggles with Entwurf theory, hole argument, 1915 General Theory of Relativity: Hilbert – Einstein, precession or advance of Perihelion of Mercury, how Einstein found the generally covariant field equations, and Einstein’s 1916 general theory of relativity – Mach’s principle, rotating disk thought experiment, and point coincidence argument. These papers do not discuss the affine connection. For a discussion of the affine connection please consult Prof. John Stachel’s works

Philosophyof physics andof Special Relativity – papers discussing philosophical questions about space and time and interpretations of Special Relativity. A rigid body does not exist in the special theory of relativity, distant simultaneity defined with respect to a given frame of reference without reference to synchronized clocks, Einstein synchronization, challenges on Einstein’s connection of synchronization and Lorentz contraction, a theory of relativity without light – Ignatowski, Einstein’s composition of relative velocities – addition theorem for relative velocities, and space of relative velocities, Max Born and rigid body problem, Paul Ehrenfest’s paradox, relativity of simultaneity, Einstein’s clocks: Einstein’s 1905 Clock Paradox, Paul Langevin and the Twin Paradox

Poincaré and EinsteinThe inertial mass-energy equivalence, Lorentz’s theory of the electron violated the principle of action and reaction, Henri Poincaré trying to mend this violation, in 1905 Einstein showed that a change in energy is associated with a change in inertial mass equal to the change in energy divided by c2. Einstein and Poincaré– Method of clocks and their synchronization, Sur la dynamique de l’electron, Dynamics of the Electron, Einstein’s 1905 letter to Conrad Habicht, Poincaré’s 1905 letters to Lorentz, Poincaré’s spacetime mathematical theory of groups, As opposed to Einstein, before 1905 Poincaré stressed the importance of the method of clocks and their synchronization by light signals. Poincaré’s Lorentz group, Poincaré’s La Science et l’hypothèse  – Science and Hypothesis 

Innovation never comes from the established institutions… – Eric Schmidt

מאמרי איינשטיין והיחסות שלי – גלי וינשטיין

דרכו של איינשטיין ליחסות הפרטית.

דרכו של איינשטיין ליחסות הכללית.

אני מתכננת לפרסם ספר ולכן המאמרים הם טיוטא ולא גרסא סופית.

“חידוש אף פעם לא מגיע ממוסדות מוכרים” – אריק שמידט.

Einstein Archives – Jerusalem and Einstein Papers Project – Caltech

ארכיון איינשטיין

פרויקט איינשטיין

התמונה מכאן