My new book on Einstein and the history of the general theory of relativity

Here is the dust jacket of my new scholarly book on the history of general relativity, to be released on… my Birthday:

General Relativity Conflict and Rivalries: Einstein’s polemics with Physicists.

Cover

The book is illustrated by me and discusses the history of general relativity, gravitational waves, relativistic cosmology and unified field theory between 1905 and 1955:

The development of general relativity (1905-1916), “low water mark” period and several results during the “renaissance of general relativity” (1960-1980).

Ein

Conversations I have had more than a decade ago with my PhD supervisor, the late Prof. Mara Beller (from the Hebrew University in Jerusalem), comprise major parts of the preface and the general setting of the book. However, the book presents the current state of research and many new findings in history of general relativity.

Ein2

My first book:

Einstein’s Pathway to the Special Theory of Relativity (April, 2015)

includes a wide variety of topics including also the early history of general relativity.

Einstein2

Advertisements

Albert Einstein’s cosmological model

I find the following new paper “Einstein’s steady-state model of the universe” very interesting. The authors present a translation and analysis of an unpublished manuscript by Albert Einstein in which he proposed a “steady-state” model of the universe. They show that the manuscript appears to have been written in early 1931, and demonstrate that Einstein once considered a cosmic model in which the mean density of matter in an expanding universe remains constant due to a continuous creation of matter from empty space, a process he associated with the cosmological constant. x

18_M_library

Einstein, Hubble, Michelson, Campbell, Adams, and others. Einstein wrote the equation: Is Ricci tensor zero in all components? on the blackboard in the library of the Mount Wilson Observatory in Pasadena, California, Jan. 1931. Here

In 1922, Aleksandr Friedmann published a dynamical universe model. Friedmann discovered non-static models with a cosmological constant equal to zero or not equal to zero. This was a prediction of an expanding or a contracting universe of which Einstein’s (static) and de Sitter worlds were special cases. Friedmann’s model with a cosmological constant equal to zero was the simplest general relativity universe. See my paper

In 1929 Edwin Hubble announced the discovery that the actual universe is apparently expanding. In the years beyond 1930, the tide turned in favor of dynamical models of the universe. The discovery was hailed as fulfilling the prediction of general relativity. In January 1931 Einstein became aware of this revolution during a visit to Caltech in Pasadena. Einstein discussed his general theory of relativity and cosmological model at length with Richard Tolman and Hubble, and viewed the skies through the colossal telescope at Mount Wilson. Hubble accompanied Einstein while he examined evidence that demonstrated that the universe was expanding. Upon his return to Berlin the new experimental and theoretical findings have led Einstein to drop his old suggestions in favor of new ones, the dynamical universe. x

Einstein found that models of the expanding universe could be achieved without any mention of the cosmological constant. In April 1931 Einstein published his new findings in a short paper, “On the Cosmological problem of General Relativity”; in this paper he studied Friedmann’s non-static solution of the field equations of the general theory of relativity, of which the line element corresponded to a cosmological constant equal to zero. x

In an August 1931 paper De Sitter adopted this line element with a cosmological constant equal to zero. A few months later, on January 1932, when both De Sitter and Einstein were visiting Mount Wilson Observatory, they wrote a joint paper in which they presented the Einstein-De Sitter universe following Einstein’s lead without the cosmological term. See my paper

imagesDNXANH8P

Einstein writes the equation: Is Ricci tensor zero in all components? on the blackboard in the library of the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, Jan. 1931. here

The authors of the paper “Einstein’s steady-state model of the universe” found a new manuscript, according to which, in early 1931 Einstein proposed a ‘steady-state’ model of the universe. They claim that this model is in marked contrast to previously known Einsteinian models of the cosmos (both static and dynamic) but anticipates the well-known steady-state theories of Hoyle, Bondi and Gold. x

Hence, I assume that perhaps sometime between January 1931 (Einstein’s visit to Caltech) and March 1931, Einstein embarked on developing a “steady-state” model, but eventually renounced this idea; in April 1931 he adopted the line element with a cosmological constant equal to zero, Friedmann’s non-static solution. x

The authors of the paper, “Einstein’s steady-state model of the universe”, write that Einstein’s steady-state model contains a fundamental flaw and suggest it was discarded for this reason. x

It is reasonable to assume that Einstein had renounced the “steady-state” model before April 1931, and then he was ready to publish his April 1931 paper. Einstein dropped the cosmological term publicly and returned to the unmodified field equations of general relativity, and accepted Friedmann’s model with a cosmological constant equal to zero. x

Why did Einstein consider a “steady-state” model of the universe? it seems that the authors do not consider Mach’s principle. Einstein invented a finite and spatially closed static universe, bounded in space (and introduced the cosmological constant for this purpose), 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, which he called “Mach’s ideas”, later called, “Mach’s principle”.

Mach’s Principle was of utmost importance to Einstein. Later Hermann Bondi and Thomas Gold came up with the idea of a steady-state theory of the expanding universe. They were fascinated by Mach’s principle, and spoke about the difficulties “concerned with the absolute state of rotation of a body. Mach examined this problem very thoroughly and all the advances in theory which have been made have not weakened the force of his argument. According to ‘Mach’s Principle’ inertia is an influence exerted by the aggregate of distant matter which determines the state of motion of the local frame of reference by means of which rotation of acceleration is measured…. …. The stationary character of the universe permits us to assume very strong interactions and yet to have permanent laws of nature. Only in this way can Mach’s principle be truly satisfied…” See my paper 

Albert Einstein Traveling with His Wife

(Iranian piece on Einstein)

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