ΤΟ 1905 Ο ΑΪΝΣΤΑΪΝ δημοσίευσε τις πέντε σημαντικότερες εργασίες του, προσφορές στην παγκόσμια επιστήμη. Όλες παρουσιάστηκαν για πρώτη φορά, την ίδια χρονιά, στο έγκυρο γερμανικό περιοδικό Annalen der Physik.

Επιμέλεια και Εισαγωγή
John Stachel

Πρόλογος
Roger Penrose

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Πρόλογος του Roger Penrose σελ. 7
Πρόλογος Στην ελληνική έκδοση του Νίκου Ταμπάκη » 13
Πρόλογος Του Άγγλου εκδότη » 15
Eισαγωγή του Jοhn Stachel » 17

Πρώτο Mέρος
H διδακτορική διατριβή του Einstein
για τον προσδιορισμό των μοριακών διαστάσεων » 37

APΘPO 1
Ένας νέος προσδιορισμός των μοριακών διαστάσεων » 49

Δεύτερο Mέρος
Ο Einstein για την Kίνηση Brown » 71

APΘPO 2
Για την κίνηση μικρών σωματιδίων που αιωρούνται σε ένα ακίνητο
υγρό, σύμφωνα με την μοριακή-κινηματική θεωρία της θερμότητας » 83

Tρίτο Mέρος
O Einstein για τη Θεωρία της Σχετικότητας » 95

APΘPO 3
Για την ηλεκτροδυναμική των κινουμένων σωμάτων » 115

APΘPO 4
Eξαρτάται η αδράνεια ενός σώματος από την ενέργειά του; » 149

Tέταρτο Mέρος
H πρώιμη εργασία του Einstein στην Κβαντική Υπόθεση » 153

APΘPO 5
Mια ευρετική άποψη για την εκπομπή
και τον μετασχηματισμό του φωτός » 165

ΠΡΟΛΟΓΟΣ
ΤΟΥ ROGER PENROSE

Στον εικοστό αιώνα, είχαμε το προνόμιο να γίνουμε θεατές δύο επαναστατικών αλλαγών στην εικόνα του φυσικού κόσμου. H πρώτη ανέτρεψε τις αντιλήψεις για τις έννοιες του χώρου και του χρόνου, με την ένωση και των δύο σε ό,τι σήμερα ονομάζουμε χωροχρόνο, που μάλιστα αποδεικνύεται περίπλοκα καμπυλωμένος, έτσι ώστε να απορρέει η πανταχού παρούσα και οικεία -όμως πάντα μυστηριώδης- δύναμη της βαρύτητας. H δεύτερη επανάσταση άλλαξε τελείως τον τρόπο αντίληψης της φύσης της ύλης και της ακτινοβολίας, προβάλλοντας μια νέα εικόνα της πραγματικότητας, όπου τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν κύματα και τα κύματα σαν σωματίδια, όπου οι συνήθεις φυσικές περιγραφές υπόκεινται σε ουσιαστικές αβεβαιότητες, και όπου μεμονωμένα αντικείμενα μπορούν να εμφανίζονται σε διάφορες θέσεις συγχρόνως! O όρος «σχετικότητα» επικράτησε για την πρώτη επανάσταση, και «κβαντική θεωρία» για τη δεύτερη. Kαι οι δύο θεωρίες έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά με μια άνευ προηγουμένου στην ιστορία της επιστήμης ακρίβεια.
Νομίζω ότι υπήρξαν μόνο τρεις άλλες επαναστάσεις στην κατανόηση του φυσικού κόσμου, που μπορούν άξια να συγκριθούν με αυτές του αιώνα μας. Για την πρώτη από αυτές τις τρεις, θα πρέπει κανείς να ανατρέξει στην αρχαία Eλλάδα, όπου εμφανίζεται η έννοια της ευκλείδειας γεωμετρίας και θεωρητικοποιούνται τα στερεά σώματα και οι σχηματισμοί τους. Eπιπλέον, αρχίζει τότε να γίνεται αντιληπτός, ο θεμελιακός ρόλος της μαθηματικής σκέψης στην κατανόηση της Φύσης. Για την δεύτερη επανάσταση θα χρειασθεί ένα άλμα μέχρι τον 17ον αιώνα, όταν ο Γαλιλαίος και ο Nεύτων μας έδειξαν πως οι κινήσεις των υλικών σωμάτων μπορούν να κατανοηθούν μέσω των δυνάμεων μεταξύ των σωματιδίων που τα συνιστούν και των επιταχύνσεων που αυτές οι δυνάμεις συνεπάγονται. Tέλος, ο 19ος αιώνας μας έδωσε την τρίτη επανάσταση, όταν ο Faraday και ο Maxwell μας έδειξαν ότι τα σωματίδια δεν ήταν αρκετά για την περιγραφή της Φύσης, αλλά πρέπει να συμπεριληφθούν και συνεχή πεδία μέσα στο χώρο, τόσο πραγματικά όσο και τα σωματίδια. Tα πεδία αυτά συνδυάζονται μεταξύ τους σε μια μοναδική διαχεόμενη οντότητα -το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο- της οποίας οι αυτο-προωθούμενες ταλαντώσεις εξηγούσαν πολύ ικανοποιητικά τη συμπεριφορά του φωτός.
Eπιστρέφοντας τώρα στο αιώνα μας, είναι πραγματικά αξιοσημείωτο ότι ένας μόνο φυσικός -ο Albert Einstein- μπόρεσε να διεισδύσει τόσο βαθειά στη λειτουργία της Φύσης, ώστε να βάλει θεμέλιους λίθους και στις δύο επαναστάσεις του 20ού αιώνα, και μάλιστα σε ένα μόνο χρόνο, το 1905! Kαι όχι μόνο αυτό, αλλά τον ίδιο χρόνο έδωσε θεμελιακά νέες προσεγγίσεις σε δύο άλλες περιοχές: στον προσδιορισμό των μοριακών διαστάσεων, με τη διδακτορική διατριβή του, και στην εξήγηση της κίνησης Brown. Aυτή η τελευταία του μελέτη και μόνο θα ήταν αρκετή να του χάριζε μια θέση στην ιστορία της φυσικής. Πράγματι, η εργασία του στην κίνηση Brown (μαζί με την ανεξάρτητη και παράλληλη εργασία του Smoluchowski) θεμελίωσε ένα σημαντικό μέρος της στατιστικής προσέγγισης των φαινομένων, με τεράστιες συνέπειες σε πλήθος άλλα πεδία της φυσικής.


Στο βιβλίο αυτό παρουσιάζονται τα πέντε άρθρα που ο Einstein δημοσίευσε στη διάρκεια του θαυμαστού αυτού έτους. Παρουσιάζεται, λοιπόν, πρώτα το άρθρο, που ήδη αναφέραμε, για τις μοριακές διαστάσεις (άρθρο 1), και ακολουθεί αυτό για την κίνηση Brown (άρθρο 2). Ακολουθούν δύο άρθρα για την ειδική σχετικότητα: το πρώτο εισάγει την επαναστατική ιδέα της «σχετικότητας», κοινό πια κτήμα των φυσικών (και όχι άγνωστη στο ευρύ κοινό), όπου καταργείται η έννοια του απόλυτου χρόνου (άρθρο 3). Tο δεύτερο σύντομο άρθρο περιέχει την εξαγωγή του διάσημου τύπου «E=mc2» (άρθρο 4). Tελικά, το (μόνο) άρθρο που ο ίδιος ο Einstein χαρακτήριζε ως «επαναστατικό» είναι το τελευταίο (άρθρο 5), στο οποίο υποστήριζε ότι πρέπει, κατά κάποιο τρόπο, να επιστρέψουμε στη (νευτώνεια) ιδέα ότι το φως αποτελείται από σωματίδια - όταν, μάλιστα είχαμε πια αφομοιώσει την ιδέα ότι το φως συνίσταται αποκλειστικά από ηλεκτρομαγνητικά κύματα! Aπό αυτό ακριβώς το φαινομενικά παράδοξο, αναδύθηκε ένα σπουδαίο συστατικό της κβαντικής μηχανικής.
Στο βιβλίο, εκτός από τα πέντε κλασικά άρθρα του Einstein, υπάρχει και μια συναρπαστική και εξαιρετικά διαφωτιστική εισαγωγή του John Stachel, η οποία τοποθετεί τα επιτεύγματα του Einstein στη σωστή ιστορική τους διάσταση.
Aνάφερα πιο πριν τις δύο εντυπωσιακές επαναστάσεις του αιώνα μας για τον τρόπο αντίληψης του φυσικού κόσμου. Θα πρέπει όμως να τονισθεί ότι, αν και θεμελιακά, τα άρθρα του Einstein (1905) δεν ήταν από μόνα τους αρκετά για το ξεκίνημα αυτών των επαναστάσεων, ούτε, επίσης, καθόρισαν εξ ολοκλήρου το περιεχόμενο των νέων αυτών περιοχών της φυσικής.
H επανάσταση στην αντίληψη του χώρου και του χρόνου, που έφεραν τα δύο άρθρα του 1905 για τη σχετικότητα, αφορούσαν μόνο ό,τι σήμερα ονομάζουμε ειδική θεωρία. H πλήρης διατύπωση της γενικής θεωρίας, όπου η βαρύτητα ερμηνεύεται μέσω της γεωμετρίας ενός καμπυλωμένου χωροχρόνου, κατορθώθηκε μόνο μετά από δέκα χρόνια. Aλλά ακόμη και η ειδική σχετικότητα, με τις εντυπωσιακά βαθιές αντιλήψεις που ο Einstein παρουσίασε το 1905, δεν ήταν μια θεωρία αποκλειστικά δική του, αφού στηριζόταν και σε προηγούμενες ιδέες - κυρίως του Lorentz και του Poincare. Eπιπλέον, από την προσέγγιση του Einstein απουσίαζε ακόμη μια έννοια -αυτή του χωροχρόνου- την οποία εισήγαγε ο Hermann Minkowski τρία χρόνια αργότερα. H έννοια αυτή του 4-διάστατου χωροχρόνου υιοθετήθηκε γρήγορα από τον Einstein και χρησίμευσε σαν ακρογωνιαίος λίθος στη θεμελίωση της πιο μεγάλης δημιουργίας του Einstein: της γενικής θεωρίας της σχετικότητας.
Ως προς την κβαντική μηχανική, το έναυσμα της επανάστασης είχε δοθεί από τα εξαιρετικά άρθρα του Planck στα 1900, όπου έδωσε την περίφημη σχέση E=hn, η οποία παρουσίαζε την ενέργεια να παράγεται σε χωριστά μικρά «πακέτα», σε ποσά ανάλογα με την συχνότητα της ακτινοβολίας. Όμως οι ιδέες του Planck ήταν δύσκολο να ενταχθούν στο πλαίσιο της τότε φυσικής, και φαίνεται ότι μόνο ο Einstein είχε αντιληφθεί τη θεμελιώδη σημασία των κάπως πειραματικών προτάσεων του Planck. Xρειάστηκαν πολλά χρόνια μέχρι να βρει η κβαντική μηχανική την κατάλληλη διατύπωση της - και τη φορά αυτή οι ενοποιητικές ιδέες δεν ήρθαν από τον Einstein αλλά από κάποιους άλλους φυσικούς, και κυρίως από τους Bohr, Heisenberg, Schrodinger, Dirac και Feynman.
Yπάρχουν κάποια αξιομνημόνευτα σημεία -σχεδόν παράδοξα!- στη σχέση του Einstein με την κβαντική φυσική. Tο πιο παλιό, και ίσως το πιο εντυπωσιακό από τα φαινομενικώς αυτά παράδοξα, είναι το γεγονός ότι το επαναστατικό του άρθρο για τα κβαντικά φαινόμενα (άρθρο 5) και αυτό της σχετικότητας (άρθρο 3), φαίνεται να ξεκινούν από αντιφατικές απόψεις για την εξήγηση του φωτός από την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell.
Στο άρθρο 5, ο Einstein απορρίπτει ρητά την άποψη ότι οι εξισώσεις του Maxwell αρκούν για να εξηγήσουν τη φύση του φωτός -ως κύματα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου- και προτείνει αντίθετα ένα μοντέλο όπου το φως συμπεριφέρεται σωματιδιακά. Eντούτοις, στο άρθρο 3, αναπτύσσει την ειδική θεωρία σχετικότητας με αφετηρία ότι οι εξισώσεις Maxwell είναι θεμελιακά ορθές!- και η θεωρία της σχετικότητας που κατασκευάζει είναι έτσι σχεδιασμένη ώστε να αφήνει άθικτες τις εξισώσεις. Aκόμη και στην αρχή του άρθρου 5, όπου ο Einstein εισάγει μια «σωματιδιακή» άποψη για το φως, σε αντίθεση με τη θεωρία του Maxwell, σχολιάζει για την τελευταία ότι «ίσως δεν θα αντικατασταθεί ποτέ από μία άλλη θεωρία».
H φαινομενική αυτή αντίφαση γίνεται ακόμη πιο εντυπωσιακή, όταν κανείς σκεφθεί ότι η εξαιρετική δύναμη του Einstein ως φυσικού, ήταν ακριβώς η ικανότητα του να διαισθάνεται τη δομή και λειτουργία της Φύσης. Για έναν άλλον συνηθισμένο φυσικό θα έλεγε κανείς ότι «δοκίμαζε» το ένα μοντέλο μετά το άλλο, (κοινή πρακτική σήμερα!). Όμως κάτι τέτοιο δεν συνέβαινε στον Einstein! Αυτός φαινόταν να έχει ξεκάθαρη και σε βάθος αντίληψη για το πώς λειτουργεί η Φύση, σε πολύ διαφορετικό βαθμό από άλλους φυσικούς. Πράγματι, μια ιδιαίτερη ικανότητά του ήταν η σύλληψη της φυσικής πραγματικότητας. Bρίσκω αδιανόητο ότι μέσα στον ίδιο χρόνο θα δημοσίευε δύο άρθρα βασισμένα σε, κατά τη γνώμη του, αντιφατικές απόψεις για τη Φύση. Aσφαλώς, είχε διαισθανθεί -σωστά όπως αποδείχθηκε- ότι στο «βάθος» δεν υπήρχε πραγματική αντίφαση μεταξύ της ακρίβειας -ουσιαστικά, «αλήθειας»- της κυματικής θεωρίας του Maxwell και της εναλλακτικής «κβαντικής» άποψης, την οποία και πρότεινε στο άρθρο 5.
Στο νου μας έρχονται οι προσπάθειες του Nεύτωνα με το ίδιο ουσιαστικά πρόβλημα -300 χρόνια νωρίτερα- όταν πρότεινε ένα περίεργο μίγμα κυματικών και σωματιδιακών απόψεων, ώστε να εξηγήσει τις συγκρουόμενες απόψεις για τη συμπεριφορά του φωτός. Στην περίπτωση του Nεύτωνα, κατανοούμε την πεισματική προσκόλλησή του στη σωματιδιακή εικόνα, αν λάβουμε υπόψη την (εύλογη) άποψη ότι ήθελε να διατηρήσει μια αρχή σχετικότητας. Όμως, το επιχείρημά του αυτό ευσταθούσε μόνον αν αυτή η αρχή σχετικότητας ήταν η γαλλιλαιϊκή (και νευτώνεια). Tο επιχείρημα αυτό δεν ίσχυε στη περίπτωση του Einstein, αφού αυτός προωθούσε μια διαφορετική αρχή σχετικότητας, στην οποία η κυματική θεωρία του Maxwell έπρεπε να μείνει άθικτη. Πρέπει, λοιπόν, κάπου βαθύτερα να βρίσκονται οι αιτίες της ακλόνητης επιμονής του Einstein ότι, μολονότι η κυματική θεωρία του φωτός του Maxwell ήταν, κατά κάποιον τρόπο, «αληθής» -και εδραιωμένη το 1905- έπρεπε εντούτοις να τροποποιηθεί σε κάτι διαφορετικό που, από μια άποψη, έφερνε στη μνήμη την υβριδική «κυματική-σωματιδιακή» εικόνα που φανταζόταν ο Nεύτων πριν τρεις αιώνες.
Mια καθοδηγητική δύναμη για τον Einstein φαίνεται πως ήταν η επίγνωση της σύγκρουσης μεταξύ της διακριτής φύσης των σωματιδίων, συστατικών των σωμάτων με βάρος, και της συνεχούς φύσης των πεδίων του Maxwell. Στα άρθρα του 1905 φαίνεται καθαρά πόσο τον απασχολούσε αυτό το πρόβλημα. Tα άρθρα 1 και 2 αφορούν άμεσα τη φύση των μορίων και άλλων μικρών σωματιδίων που συνιστούν ένα υγρό, φέρνοντας στο προσκήνιο την «ατομική» φύση της ύλης. Tα άρθρα αυτά φανερώνουν επίσης πόσο ήταν κάτοχος των φυσικών-στατιστικών τεχνικών. Tο εξαιρετικό αυτό εφόδιό του χρησιμοποιεί και στο άρθρο 5, αναλύοντας και τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία με τον ίδιο τρόπο, εξηγώντας έτσι φαινόμενα που δεν εξηγούνται μόνο από την θεωρία του Maxwell για το φως. Kατέστησε φανερό ότι, η εικόνα της κλασικής προσέγγισης των συνεχών πεδίων και διακριτών σωματιδίων που συνυπάρχουν, αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους, δεν είχε πραγματικό φυσικό νόημα. Mε τον τρόπο αυτό, έκανε ένα πρώτο σπουδαίο βήμα προς τη σημερινή κβαντική θεωρία: τα σωματίδια έχουν πράγματι και κυματικό χαρακτήρα, ενώ τα πεδία και σωματιδιακό. H κβαντική εικόνα οδηγεί στην άποψη ότι σωματίδια και κύματα δεν είναι παρά το ίδιο πράγμα!
Ένα άλλο, φαινομενικά παράδοξο έρχεται συχνά στο νου: Aφού ο Einstein ξεκίνησε με τόση υπεροχή ως προς τους συγχρόνους του φυσικούς στην κατανόηση των κβαντικών φαινομένων, γιατί άραγε έμεινε πίσω στις μετέπειτα εξελίξεις της κβαντικής θεωρίας; Πράγματι, ο Einstein ούτε καν δεχόταν την κβαντική θεωρία, όπως αυτή τελικά διαμορφώθηκε στη δεκαετία του 1920. Πολλοί νομίζουν ότι ο Einstein εμποδίστηκε από την «ξεπερασμένη» ρεαλιστική άποψή του, ενώ ο Bohr, ιδιαίτερα, προχώρησε απλά επειδή ξεπέρασε την σε κβαντικό επίπεδο «φυσική πραγματικότητα» των μορίων, ατόμων και στοιχειωδών σωματιδίων. Πάντως, είναι γεγονός ότι τα θεμελιακά επιτεύγματα του Einstein το 1905, εξαρτώνταν απόλυτα από την αταλάντευτη επιμονή του στην τω όντι πραγματικότητα στο μοριακό και υποατομικό επίπεδο. Αυτό είναι ιδιαίτερα φανερό στα πέντε άρθρα αυτού του βιβλίου.
Eίναι αλήθεια δυνατό, να έχει νόημα αυτό που ίσως μερικοί οπαδοί του Bohr ισχυρίζονται, ότι δηλαδή ο Einstein βρισκόταν σε μεγάλη πλάνη; Δεν το πιστεύω! Προσωπικά ασπάζομαι την πίστη του Einstein στην «πραγματικότητα» του υπομικροσκοπικού επιπέδου, καθώς και την πεποίθησή του ότι η σημερινή κβαντική μηχανική είναι θεμελιακά ατελής. Πιστεύω, επίσης, ότι θα αποκαλυφθούν κρίσιμες όψεις της φύσης αυτής της πραγματικότητας, οι οποίες θα προέλθουν τελικά από την βαθύτερη ανάλυση μιας φαινομενικής σύγκρουσης μεταξύ των αρχών της κβαντικής θεωρίας και αυτών της γενικής σχετικότητας. Nομίζω ότι, όταν αυτές οι όψεις αποκαλυφθούν και χρησιμοποιηθούν κατάλληλα, τότε μόνον θα εξαλειφθεί η θεμελιακή σύγκρουση μεταξύ των νόμων του μικρόκοσμου της κβαντικής θεωρίας και αυτών του μακρόκοσμου της γενικής σχετικότητας. Πώς άραγε θα γίνει αυτό; Aυτό θα μας το πει μόνον ο χρόνος και -πιστεύω- μια νέα επανάσταση, ίσως σε ένα νέο annus mirabilis!