The Formative Years of Relativity. Gravitational waves go in one ear and out the other

The purpose of this piece is to review Hanoch Gutfreund’s and Jürgen Renn’s new book The Formative Years of Relativity: The History and Meaning of Einstein’s Princeton Lectures, Princeton University Press and Oxford University Press. I have found two problems in the book the first of which is Poincaré’s influence on Einstein and the second problem is related to gravitational waves. The first part of the review deals with Poincaré’s influence on Einstein. In this part I discuss the problem related to gravitational waves.

Gravitational waves have won the 2017 Nobel Prize in Physics. The prize is awarded to Kip Thorne, Rainer Weiss, Barry Barish for their work on Ligo experiment. Actually, Kip Thorne’s interesting work is on wormholes: the Einstein-Rosen bridges, the Schwarzschild (non-traversable) wormholes and traversable wormeholes converted into time machines. Wormholes spark our imagination because of the possibility of travelling backwards in time and sending signals through the throat in space-time with causality violation.

However, let us concentrate on gravitational waves.

I have ordered the book from Amazon together with The Asshole Survival Guide: How to Deal with People who Treat you Like Dirt written by Robert Sutton, a Stanford University professor:

formative1

It seems that the book, The Formative Years of Relativity has mistakes and also errors in English (the book needs proofreading). I therefore ask the second writer: Are you living in a fool’s paradise?

Right at the beginning Gutfreund argues that gravitational waves is the only major topic debated during the formative years that has no trace in Einstein’s book The Meaning of Relativity. He writes: “Had we restricted our commentaries to the contents of Einstein’s book, there would be no reason to mention gravitational waves; however, it would be inconceivable to talk about the formative years without thoroughly discussing them. What is worth emphasizing in this context is how Einstein’s predominant interest in this phenomenon which developed immediately after the completion of his general theory, had faded away completely by the time he delivered the Princeton lectures” (Gutfreund’s book, page 8):

Picture0

And the above conclusion is mentioned in the New York Times book review section:

Picture00

Gutfreund and Renn “note, however, a conspicuous absence. There is ‘no trace’ in Einstein’s lectures of what is today considered a key topic in relativity: gravitational waves”.

In fact quite the opposite is true. Einstein’s mathematical derivations in his 1916 and 1918 two gravitational waves papers play a central role in The Meaning of Relativity of 1922. It therefore appears that Einstein’s interest in this topic had not faded away by the time he delivered the Princeton lectures.

Consider Einstein’s gravitational waves paper of 1916:

Picture2

And here is the same equation in his 1921 book, The Meaning of Relativity (Gutfreund’s book, page 240):

Picture1

Equation (92) represents the metric of general relativity Picture1 - Copy, which is the sum of the Minkowski flat metric Picture1 - Copy - Copy of special relativity and Picture1 - Copy (2) a very small disturbance.

And again, Einstein’s gravitational waves paper of 1916:

Picture4

And his book, The Meaning of Relativity (Gutfreund’s book, page 246):

Picture3 - Copy

We write the field equations in terms of Picture1 - Copy (2). Equation (96b) below is the linearized approximation of Einstein’s field equations. Then we can solve the field equations in the same way that we solve Maxwell’s electromagnetic field equations (Gutfreund’s book, page 247):

Picture3

Equations (101) above from the book The Meaning of Relativity, which are exactly like equations (9) from the gravitational waves paper of 1916, are the method of retarded potentials.

In his review paper of 1916, The Foundation of the General Theory of Relativity, Einstein’s field equations were valid for systems in unimodular coordinates, i.e. he chose the coordinates so that Picture1111.

However, in his gravitational waves paper of 1916, Einstein thanked de Sitter for sending him the following metric, the one below: “Herr [Willem] de Sitter sent me these values by letter”:

Picture6

And in the book, The Meaning of Relativity he writes the the same metric (Gutfreund’s book, page 249):

Picture5

Indeed, in the book, The Formative Years of Relativity, Gutfreund writes: “On 22 June 1916, Einstein wrote to Willem de Sitter […] ‘For I found that the gravitation equations in first-order approximation [i.e. equations (96b) the linearized approximation of Einstein’s field equations] can be solved exactly by means of retarded potentials, if the condition of Picture1111is abandoned. Your solution for the mass point is then the result upon specialization to this case'” (Gutfreund’s book, page 97):

Picture7

Daniel Kennefick explains Einstein’s letter to de Sitter in his book, Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (page 51):

Picture8

By the way I highly recommend Kennefick’s book.

That being said, Gutfreund begins the chapter on gravitational waves with Max Born. Born asked Einstein how fast does the effect of gravitation propagates according to his theory? Einstein replied to him that it is simple to write down the equation for the case where the disturbances one places into the field are infinitesimal. In that case the metric Picture1 - Copy differs only infinitesimally (Picture1 - Copy (2)) from the values (Picture1 - Copy - Copy) that would be present without that disturbance; and the disturbance propagates with the velocity of light (Gutfreund’s book, page 94):

Picture9a

I wrote in my 2015 book General Relativity Conflict and Rivalries and in other places as well that the first time Einstein mentioned gravitational waves was in the discussion after the Vienna lecture in 1913:

Picture12

However, Gutfreund does not cite my 2015 book.

In 2016 Gutfreund wrote a blog post and added Jürgen Renn and Diana Buchwald as co-authors:

Picture10

They told the story of the origin of gravitational waves:

Picture11

They briefly summarize the history of gravitational waves: “The first debates about the existence of gravitational waves even preceded the completion of general relativity by Einstein in November, 1915”. They only mention Max Abraham but don’t write that the first time that Einstein had mentioned gravitational waves was after the Vienna lecture in 1913, in the discussion, Max Born asked Einstein how fast does the effect of gravitation propagates according to his Entwurf theory.

Finally, in the same book, General Relativity Conflict and Rivalries, of 2015 I wrote:

Picture14

And I read in Gutfreund’s book of 2017 and discover that he writes exactly the same thing but does not cite my book (Gutfreund’s book, page 35):

Picture13

 

Advertisements

Einstein on Science and Art

prod-einsteinpablo-l[1] Einstein and Picasso 

In 1945 the late Paul M. Laporte, who at the time was teaching art history at Olivert College in Michigan (and later was teaching the history of art at Immaculate Heart College in Los Angeles) wrote a draft essay which he called: “Cubism and the Theory of Relativity”. In the paper Laporte, being an art historian but not a scientist, tried to link Cubism to popular accounts of the theory of relativity.

Laporte felt he should not publish the essay without getting Einstein’s opinion, and he sent Einstein his essay.

time photo Time Photo

Einstein replied to Laporte on May 4, 1946 a long explanation (in German) on the difference between art and science, and opened his letter by stating in blunt terms: “I find your comparison rather unsatisfactory”. Einstein wrote Laporte that a work of art is “evaluated” differently than a work of science: “In science, the principle of order which creates units is achieved through logical connections while, in art, the principle of order is anchored in the unconscious. The artistic principle of order is always based on traditional modes of connection…”

Einstein often described with lots of creative power the way he invented his scientific theories, and he used artistic language to describe his inventiveness as “free creation of the mind”.

Einstein ended his letter to Laporte by saying that, the essence of the Theory of Relativity has been incorrectly understood in his paper, and he hinted that Cubism has nothing in common with the theory of Relativity:

פיקאסו

“Cubism and Relativity”, Art Journal 25, 1966, 246-248; Leonardo 21, 1988, 313-315.

Laporte’s reaction was: “The thought that Einstein has given to the problem of my paper shows his deep and authentic understanding of art and especially of music. Given the uncontestable fact that I had ‘incorrectly understood’ the essence of the Theory of Relativity, should I have insisted on my notion and published the paper?” He asked: “can a scientific work like Einstein’s Theory be understood only by specialists?” And he answered: “I venture to believe that ‘correct’ understanding, not only in science but also in art, is possible but to a relatively small number of specialists (even while ‘correct’ means something different in the two fields)”.

einstein8HUJI
Laporte thought that Cubism did have something in common with the Theory of Relativity. Was it Einstein’s Theory of Relativity? No it was not. This “theory of relativity” was based on popular accounts of Einstein’s Theory of Relativity. The statement, “It’s All Relative Einstein” was created by popular writers. If “It’s All Relative Einstein”, then Einstein can just take door number one, and Laporte can take door number two… and we get Laporte’s explanation that, correct understanding of relativity means something different in art and science.

Laporte linked Cubism to a popular “theory of relativity” which had nothing in common with Einstein’s beloved science, The Theory of Relativity. Hence, Einstein was right in saying that, “this new artistic ‘language'” (Picasso’s) has nothing in common with The scientific Theory of Relativity.

Laporte wrote that he prepared his essay for publication in the face of Einstein’s objections. The paper was subsequently published in two parts, one under the title “The Space-Time Concept in the Work of Picasso”, and one under the title “Cubism and Science”.

 

 

Einstein’s 135 Birthday: Einstein and the Violin

In his travels, Einstein always took his violin, and was constantly eager for a chance to play. In the early 1920s he went to Prague for a lecture at the university. He liked the city where he had once been a young professor, honing his mathematics and playing chamber music until dawn. Furthermore, Prague had shown hospitality to Mozart, whose “Don Giovanni” premiered there October, 28, 1787. After his lecture, Einstein was expected to speak as guest of honor at a reception. “Instead of making a speech”, he announced, “I’m going to play my violin”, and he did. He performed Mozart and Bach and was enthusiastically applauded by an audience that was grateful perhaps not to have to cope with the relativity theory at a party. x

For more Einstein stories and anecdotes: Roy Meador “The Scientist who Loved to Fiddle”, Toledo Magazine, October, 2-8, 1988. x

m3

במסעותיו איינשטיין נהג לקחת עמו את הכינור והוא תמיד חיפש אחר הזדמנות לנגן. בתחילת שנות ה-1920 הוא נסע להרצות באוניברסיטת פראג. הוא אהב עד מאוד את העיר פראג, שבה היה בצעירותו פרופסור; בעיר זו הוא טיפח את הכושר המתמטי והפיסיקאלי שלו וגם ניגן מוזיקה בחברותא במשך שעות. כמוכן, פראג ארחה את מוצרט, המלחין האהוב על איינשטיין, ובה נערכה ב-28 לאוקטובר 1787 הבכורה של האופרה של מוצרט “דון ג’ובאני”. אחרי הרצאתו של איינשטיין בפראג, ערכו לכבודו קבלת פנים והקהל חיכה שינאם כאורח כבוד. “במקום לנאום”, הוא הכריז, “אני הולך לנגן בכינור”, וכך אכן עשה. הוא ניגן מוצרט ובאך והקהל הנרגש הריע לו בהתלהבות, בהיותו אסיר תודה למדען הדגול על כך ששחרר את קהלו מהתמודדות עם תורת היחסות במסיבה.

George Gamow and Albert Einstein

Here is my new paper about George Gamow and Albert Einstein (here) x

Mr. Newton once said, momentum conservation
Teach einStein acceleration
If it is in empty space,
Moving straight on a trace,
And flies, never to return,
Then nothing remained of it again. x

Albert Einstein

There was a young fellow from Trinity,
Who took the square root of infinity.
But the number of digits, gave him the fidgets;
He dropped Math and took up Divinity. x

George Gamow, One, Two, Three… Infinity

51RopWizffL

Mr. Tomkins was in a world where the speed of light was about 30 km/h

velocidad-maxima

George Gamow and Albert Einstein and the “biggest blunder” x

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

Albert Einstein and Hermann Minkowski’s Space-time Formalism

Vesselin Petkov writes: “Minkowski’s contributions to modern physics have not been fully and appropriately appreciated. […] Einstein called Minkowski’s approach ‘superfluous learnedness’. Also, Sommerfeld’s recollection of what Einstein said on one occasion can provide further indication of his initial attitude towards Minkowski’s development of the implications of the equivalence of the times of observers in relative motion: ‘Since the mathematicians have invaded the relativity theory, I do not understand it myself any more’. […] Despite his initial negative reaction towards Minkowski’s four-dimensional physics Einstein relatively quickly realized that his revolutionary theory of gravity would be impossible without the revolutionary contributions of Minkowski”. x

First let us correct a myth here: it is not quit true that Minkowski’s contributions have not been appreciated. Hermann Minkowski was Einstein’s former mathematics professor at the Zürich Polytechnic. During his studies at the Polytechnic Einstein skipped Minkowski’s classes; but Einstein also skipped Prof. Carl Friedrich Geiser’s lectures as much as he skipped Prof. Adolf Hurwitz’s classes… They were all mathematicians. Einstein never showed up the classes of mathematicians. At that time Einstein was less interested in mathematics than in the visible process of physics. He found it difficult to accept for a long time the importance of abstract mathematics, and found high mathematics necessary only when developing his gravitation theory – he discovered the qualities of high mathematics around 1912

Einstein and his wife around 1905

Second, On September 21, 1908, in the 80th annual general meeting of the German Society of Scientists and Physicians at Cologne, Minkowski presented his famous talk, “Space and Time”. x

Minkowski

May years later his assistant, the physicist Max Born wrote: “I went to Cologne, met Minkowski and heard his celebrated lecture ‘Space and Time’, delivered on 21 September 1908. […] He told me later that it came to him as a great shock when Einstein published his paper in which the equivalence of the different local times of observers moving relative to each other was pronounced; for he had reached the same conclusions independently but did not publish them because he wished first to work out the mathematical structure in all its splendor. He never made a priority claim and always gave Einstein his full share in the great discovery”. x

Scott Walter writes, “This story of Minkowski’s recollection of his encounter with Einstein’s paper on relativity is curious, in that the idea of the observable equivalence of clocks in uniform motion had been broached by Poincaré in one of the papers studied during the first session of the electron-theory seminar. It is possible, of course, that Poincaré’s operational definition of local time escaped Minkowski’s attention, or that Minkowski was thinking of an exact equivalence of timekeepers”. [In the
summer of 1905, Minkowski and David Hilbert led an advanced seminar on electrodynamical theory]. x

Before 1905 Poincaré stressed the importance of the method of clocks and their synchronization by light signals. He gave a physical interpretation of Lorentz’s local time in terms of clock synchronization by light signals, and formulated a principle of relativity. However, Poincaré did not pronounce “the equivalence of the different local times of observers moving relative to each other”. Einstein was the first to do so

Poincaré

 John Stachel explains Poincaré’s clock synchronization: “Poincaré had interpreted the local time as that given by clocks at rest in a frame moving through the ether when synchronized as if – contrary to the basic assumptions of Newtonian kinematics – the speed of light were the same in all inertial frames. Einstein dropped the ether and the ‘as if’: one simply synchronized clocks by the Poincaré convention in each inertial frame and accepted that the speed of light really is the same in all inertial frames when measured with clocks so synchronized”. x

Einstein in the Patent Office

In the text of the lecture of the Cologne talk immediately after presenting Lorentz’s local time it is written: “However, the credit of first recognizing sharply that the time of the one electron is just as good as that of the other, i.e., that t and t’ are to be treated the same, is of A. Einstein”. And Minkowski referred to Einstein’s 1905 relativity paper and to his 1907 review article

Read my short paper (a note) on Einstein, Minkowski and Max Born’s recollections of Minkowski’s work

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.

How many scientists did it take to make the discovery of Relativity – Special and General Theories? x

 Albert Einstein? or Albert Einstein, Michele Besso, Marcel Grossmann?… Read my latest paper

Besso, Special Relativity: Einstein ends his 1905 relativity paper by saying that he is indebted to Besso for several valuable suggestions. What could Besso’s valuable suggestions have been? Einstein’s biographer, Carl Seelig, wrote: “Later Besso […] used the following analogy: Einstein the eagle has taken Besso the sparrow under his wing. Then the sparrow fluttered a little higher: ‘I could not have found a better sounding-board in the whole of Europe’, Einstein remarked when the conversation turned one day to Besso. This way Einstein and Besso became inseparable”. x

In 1952 Besso recounted, “Another little fairy tale of mine concerning my view that I had participated in [the formulation of] the special theory of relativity. It seemed to me, as an electrical engineer, I must have brought up, in conversations with you, the question, within the context of Maxwell’s theory, of what is induced in the inductor of an alternator […]”: the Magnet and Conductor thought experiment that opens Einstein’s 1905 Relativity Paper. Maxwell’s theory was not yet on the official program of the Polytechnic School ETH (Einstein’s and Besso’s collage). It was probably Einstein’s self-reading about Maxwell’s theory, who explained to Besso about this theory. Only after such explanation could Besso within the context of Maxwell’s theory refer to his technical work and speak with Einstein or remind him about induction of which Einstein had already read about in books

Einstein and his closest friend, Michele Besso

Grossmann, General Relativity: When Einstein came back to Zurich in 1912 Marcel Grossmann looked through the literature, and discovered that the mathematical problem was already solved by Riemann, Ricci and Levi-Civita. Einstein collaborated with Grossmann and this led to the Einstein-Grossmann theory published in two joint papers. Just before writing the first paper with Grossmann, Einstein had struggled with these new tools in the Zurich Notebook. Einstein wrote Grossmann’s name and considered candidate field equations he would come back to in the first 1915 paper on General Relativity

In this paper Einstein wrote in the introduction, “I completely lost trust in my established field equations [of the Einstein-Grossmann theory], […]. Thus I arrived back at the demand of a broader general covariance for the field equations, from which I parted, though with a heavy heart, three years ago when I worked together with my friend Grossmann. As a matter of fact, we then have already come quite close to the solution of the problem given in the following”. x

Marcel Grossmann, Albert Einstein, Gustav Geissler and Marcel’s brother Eugen
during their time as students at the ETH- here

Besso, General Relativity: During a visit by Besso to Einstein in Zurich in June 1913 they both tried to solve the Einstein-Grossmann theory field equations to find the perihelion advance of Mercury in the “Einstein-Besso manuscript”. Besso was inducted by Einstein into the necessary calculations. Besso collaborated with Einstein on the wrong gravitational Einstein-Grossmann theory, and their calculation based on this theory gave a wrong result. In October 1915 Einstein abandoned the Einstein-Grossmann theory; he transferred the basic framework of the calculation from the Einstein-Besso manuscript, and corrected it according to his new 1915 General Relativity Theory with which he got the correct precession so quickly, because he was able to apply the methods he had already worked out two years earlier with Besso. Einstein though did not acknowledge his earlier work with Besso, and did not mention his name in his 1915 paper that explains the anomalous precession of Mercury

Einstein considered his best friend Michele Besso as a sounding board and his class-mate from the Polytechnic Marcel Grossman – as his active partner. Yet, Einstein wrote that Grossman will never claim to be considered a co-discoverer of the Einstein-Grossmann theory – a theory very close to Einstein’s general theory of relativity that he published in November 1915. He only helped in guiding Einstein through the mathematical literature, but contributed nothing of substance to the results of the theory. Hence, Einstein neither considered Besso or Grossmann as co-discoverers or co-inventors of the relativity theory which he himself invented

Read also this paper, “How many scientists does it take to make a discovery? The era of the lone genius , as epitomised by Albert Einstein, has long gone”. Prof. Athene Donald, the author of the paper writes, “Ask people to conjure up an image of a scientist and Albert Einstein is most likely to pop into their head. The iconic image is of a lone genius beavering away in some secluded room until that familiar equation – E=mc2 – crystallised in his brain sufficiently to be written down. I very much doubt doing science was ever quite like that, but it is even more unlikely to apply now”. What do you think? x