איינשטיין - אבי החשיבה הקוונטית, חלק א'
מקובל לחשוב על אלברט איינשטיין כאבי תורת היחסות ומתנגד חריף של מכניקת הקוונטים, שכנגדה טען כי "אלוהים איננו משחק בקוביות". ואולם מתברר כי תדמית פופולרית זו איננה עומדת במבחן המציאות. חלק 1 מתוך 2
התדמית של איינשטיין שעמדה לנגד עיניי כשניגשתי לראשונה לנושא איינשטיין והקוונטים היתה מאוד מקובלת, לאמור: איינשטיין, אבי תורת היחסות והמתנגד הבלתי מתפשר לתורת הקוונטים. תדמית זו מקובלת בקרב רוב יודעי איינשטיין ומוקיריו.
להפתעתי, ככל שהוספתי לעיין במקורות – מכתבים ומאמרים של איינשטיין – התבררה לי, בוודאות גדלה והולכת, הטעות שבתדמית זו. איינשטיין הוא, ללא ספק, אבי החשיבה הקוונטית, לא פחות מאשר אבי תורת היחסות! הוא היה הראשון שהכיר בצורך בתיאוריה חדשה, קוונטית. פירסומיו החלוציים בתחום זה היו הבסיס והדחף לפיתוחה של תורת הקוונטים.
אי-הנחת של איינשטיין מן "המוצר הסופי" היא זו שזכתה לפירסום המוגזם. אולם גם אי-נחת זו לזקוף לזכותו של המדען הדגול, שלא שקט על שמריו עד יומו האחרון.
מבוא – Solvay I
ועידות סולביי (Solvay) היו בשליש הראשון של המאה ה-20 הפורום החשוב ביותר לכינוסם של כל גדולי הפיזיקאים באירופה. אמריקה עוד לא שיחקה. לכנסים הללו, שמומנו על-ידי הכימאי ארנסט סולביי, שעשה את המיליונים שלו מפטנט לייצור סודה, הוזמנו כל המי-ומי של הפיזיקה באירופה – רק הגדולים באמת!
כנס סולביי הראשון – פרי יזמתו של הפיזיקאי הגרמני הגדול וולטר נרנסט (Nernst) – התקיים בבריסל בימים 30.10 – 3.11, 1911, ובו השתתפו פלאנק ונרנסט, ברילואן ולורנץ, מארי קירי, לורד ראתרפורד, הנרי פואנקרה, סומרפלד, פרין, וין, קמרלינג-אונס, לנג'בן – כל השמות הגדולים מספרי הלימוד. צעיר המוזמנים היה אלברט איינשטיין (בן 32 היה) אך הוא התכבד בכבוד המיוחד לשאת את הרצאת הסיכום.
מה היה נושא הרצאתו? לא תורת היחסות הפרטית! לא האקוויוולנטיות של מאסה ואנרגיה! לא ההתעקמות של קרני אור בשדה כבידה (מאמר שלו התפרסם ביוני 1911)! הנושא היה תורת הקוונטים: "על המצב הנוכחי של בעיית החום הסגולי". ההרצאה התבססה על עבודה שלו משנת 1906 שבה הראה כי התפלגות האנרגיה "הקוואנטית", התפלגות פלאנק, כשמייחסים אותה לאוסצילטורים של חומר פותרת את חידת ההתנהגות של חום הסגולי בגופים קשים מאד או קרים מאד.
זו היתה הפתיחה החגיגית של הפיזיקה הקוונטית והוויזה שלה כעולה לגאלית לפיזיקה של המאה ה-20. את הוויזה הזאת השיג איינשטיין, באמצעות המאמר שלו על חום סגולי של מוצקים. וכאן ראוי לציין שפלאנק אמנם הכניס את הקבוע שלו ב-1900 אבל כלל לא עלה על דעתו שהוא פתח עידן חדש. הטריק המתמטי של חלוקת האנרגיה הכוללת, E, של הגוף השחור למנות סופיות, ε, היה מוכר מזמן והנוסחה hν = ε התחייבה מ"חוק ההזזה" הקלאסי של וין (Wien, 1864 – 1928).
המושג "קוואנט אנרגיה" הופיע לראשונה במאמרו של איינשטיין מ-1905 על האפקט הפוטואלקטרי. המושג "קוואנט פעולה" מופיע אצל פלאנק לראשונה ב-1906. אף כי מאמרו זה של איינשטיין היה פורץ הדרך האמיתי בדברו על קוואנטים של הקרינה/האור הוא לא הצליח להבקיע את חומת אי-האמון של קהילת הפיזיקאים.
בשנת 1913 כתבו פלאנק, נרנסט, רובנס ווורבורג המלצה חמה לקבל את איינשטיין כחבר מלא באקדמיה הפרוסית למדעים – במידה רבה בזכות תרומתו לפיזיקה הקוונטית, ואף על פי כן מכילה ההמלצה הסתייגות נמרצת מן המאמר על האפקט הפוטואלקטרי ועבודותיו באותו נושא. אני מצטט:
"אין לזקוף לחובתו את העובדה שמדי פעם החטיא את המטרה בספקולציות שלו כמו, למשל, בתיאוריה שלו על קוואנטים של אור." נדרשו עוד 10 שנים (ובסך הכל – 18 שנה) עד אשר קיבלה קהילת הפיזיקאים הממוסדת את רעיון הפוטונים, בזכותו של ארתור קומפטון (Compton, 1892 – 1962) .
משעשע מאד לקרוא את חוויותיו של איינשטיין מכנס סולביי הראשון כפי שהוא מתאר אותן במכתבו לידידו הטוב ד"ר היינריך צנגר (Zangger, 1874 - 1957):
"פואנקרה שלילי לגמרי (אין לי ספק שאתו שוחח על תורת היחסות) ... את פלאנק לא ניתן להזיז מעמדותיו ... הרכילות בעתונות על מאדאם קירי ולנג'בן היא שטות גמורה ... לורנץ ניהל את הישיבות בטקט אדיר ובווירטואוזיות נפלאה. חריפותו המדעית היא יחידה במינה ... הוא ממש יצירת אמנות. אך באשר למידע – כולם שרויים באפלה. הסיפור כולו יכול היה לשמש מטעמים לכת שטנית של כמרים ישועיים."
בשנת 1927 התקיים כנס סולביי החמישי. היה זה כנס הנצחון של תורת הקוונטים ואכן השתתפו בו כל יוצריה: דה ברויי, בוהר, שרדינגר, הייזנברג, פאולי, בורן, דיראק ואפילו קומפטון (האמריקאי). כמו כן, הופיעו כמה מידידנו הוותיקים משכבר הימים כגון מקס פלאנק, מארי קירי,לנג'בן ולורנץ. איינשטיין, אשר ב-1911 עמד צנוע בצד, היה עתה הדמות המרכזית...
הכנס הזה היה כנס של התפעלות ושביעות רצון מתורת הקוואנטים. אבל זה היה גם הכנס שבו נפתח העימות הקשה בין איינשטיין לבוהר. איינשטיין היה הראשון שהכניס קוונטים של קרינה, הראשון שהבין שפליטת אור ורדיואקטיביות הן תופעות קוונטיות, הראשון שתפשׂ את בעיית הדואליות של האור והראשון שהבין לעומקו את הצורך בתיאור גלי של חלקיקי חומר.
המלחמה שבה פתח עתה לא היתה כלל נגד ילדת רוחו, הפיזיקה הקוונטית. נוכיח בהמשך עד כמה בטוח ומשוכנע היה בנכונותה. הוא נלחם נגד שביעות הרצון וההרגשה של ה"דור הצעיר" (כולל נילס בוהר) ש"מצאנו את התיאוריה הנכונה, הסופית". הוא היה בטוח, שתופעות המקריות ואי-הוודאות המלוות אותה אינן חלק הכרחי או בלתי נמנע של הפיזיקה הקוואנטית.
עם זאת אנו נראה שכל היוצרים של תורת הקוואנטים קיבלו את רעיונותיהם מאיינשטיין ו/או שאבו תמיכה ועידוד ישירים מאיינשטיין. הרשימה ארוכה: פלאנק עצמו, נילס בוהר, דה ברויי, שרדינגר, הייזנברג, מקס בורן, פאולי...
אני מתבסס כאן על מאמרים ומכתבים מקוריים של איינשטיין, פלאנק, שרדינגר, בורן ועוד. כן נעזרתי רבות במאמרים המצויינים של מרטין קליין (Klein), ג'והן סטצ'ל (Stachel), אברהם פייס (Pais) ומקס ימר (Jammer).
האטום של Bohr - קריאת עידוד
יש מספר עדויות לכך שרעיון רמות האנרגיה של האטום – אותה הנחה שרירותית של נילס בוהר משנת 1913 – רחש בראשו של איינשטיין עוד בשנת 1905. ידידו הטוב והנאמן מישל בסו רומז על כך (ככל הנראה) במכתב שכתב לו ב-17.1.1928.
עדות מוצקת יותר מצוייה במכתב מ-16.11.1905 שכתב איינשטיין לפיליפ לנארד:
"אין להוציא מכלל אפשרות שהבליעה והפליטה של כל קו ספקטרלי קשורה למצב מוגדר של האטום. הבליעה של קו 1 לסדר: האות היוונית ני ומספר תחתי 1 > מאפשרת לאטום לבלוע קו 2 ."
מכתב זה נכתב לאחר המאמר שבו הצהיר שבליעה ופליטה מתבצעת בקוונטים hν.
אוסיף כאן דיאגרמה המתבקשת כאיור למכתב הזה.
מזכיר את בוהר, לא כן? 8 שנים לפני בוהר! בספטמבר 1913 השתתף ג'ורג' פון הבשי (von Hevesy; רדיו-כימאי, חתן פרס נובל ומורו של ארנסט אלכסנדר, איש האוניברסיטה העברית) בכנס בווינה, שם נפגש עם איינשטיין. הבשי מדווח על הפגישה לראתרפורד ולנילס בוהר.
"בין השאר, דיברנו על התיאוריה של בוהר והוא סיפר לי שגם לו היו רעיונות דומים אך לא העיז לפרסמם. ואמר: 'אם תורת בוהר נכונה זהו גילוי בעל חשיבות גדולה ביותר' כשסיפרתי לו על המדידות הספקטרליות של פאולר (המאשרות את תורת בוהר בדיוק רב עבור הליום מיונן!) עיניו הגדולות של איינשטיין נראו גדולות עוד יותר ואמר: 'אם כך, זוהי אחת התגליות הגדולות ביותר'. חשתי שמחה גדולה לשמוע את איינשטיין אומר זאת."
כך, לראתרפורד. במכתב לבוהר הבשי מפרט יותר:
"כשסיפרתי לו על הספקטרום של פאולר-פיקרינג המתייחס להליום הוא היה מופתע ונפעם ואמר: 'אם כך, תדירות האור אינה מתייחסת כלל לתדירות האלקטרון. זהו הישג אדיר! התיאוריה של בוהר חייבת אם כך להיות נכונה'." "קשה לי לתאר לך", כך הבשי, "עד כמה שמחתי. קשה לחשוב על משהו שיכול היה לשמח אותי כל כך כמו שיפוטו זה, הספונטאני, של איינשטיין."
אין כל ספק – מעמדו של איינשטיין באותו זמן היה כזה, שלתגובתו המתפעלת היתה חשיבות עצומה לביסוס התיאוריה! בגלל ההרגל קשה לנו היום לתפוש את המהפך הטוטאלי בחשיבה הפיזיקלית שנבע מהגילוי הזה. קריאות העידוד של איינשטיין היו בעלות חשיבות רבה.
בהרצאה שנשא איינשטיין ב-4.10.1924 בשם "על האֶתר" אמר:
"העובדה החשובה, שלפי תורת בוהר תדירות הקרינה הנפלטת לא נקבעת על ידי תדירות תנועתם של המטענים, מחזקת בנו את הספקות בדבר הממשות הבלתי תלויה של השדה האלקטרו-מגנטי הקלאסי, שדה הגלים האלקטרו-מגנטיים."
לפי תורת מקסוול, מתנד (אוסצילטור) קטן בעל תדירות מוגדרת פולט ברצף גלים כדוריים, המתפשטים סביבו כמרכז, באותה התדירות.
פרופ' יששכר אונא, מכון רקח לפיזיקה, האוניברסיטה העברית בירושלים
לפנייה לכתב/ת 
