שנת הפלאות (1905)

פרסומי שנת הפלאות (בלטינית: annus mīrābilis) הם מאמריו של אלברט איינשטיין שפורסמו בשנת 1905 בכתב העת המדעי החשוב "Annalen der Physik". ארבעת המאמרים האלה העלו תרומה ניכרת ליסודות הפיזיקה המודרנית ושינו את תמונת העולם אודות חלל, זמן וחומר. שנת הפלאות קרויה בשפה האנגלית "The Miracle Year" ובגרמנית "Wunderjahr". ארבעת המאמרים דנים באפקט הפוטואלקטרי, תנועה בראונית, תורת היחסות הפרטית ובשקילות המסה והאנרגיה. האיחוד הבינלאומי לפיזיקה תאורטית ויישומית (IUPAP) הגדיר את שנת 2005 כ"שנת הפיזיקה העולמית", לציון 100 שנים מאז פרסום מאמריו פורצי-הדרך של איינשטיין, שהשפיעו רבות על האנושות. "על נקודת מבט היוריסטית בייצור והעברה של אור" (Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt) – במאמר זה הציג איינשטיין את הקוונטיזציה של האור (כלומר, קרינה אלקטרומגנטית) וחלוקתו למנות אנרגיה בדידות, המתנהגות כמו חלקיקים (בניגוד לתאוריה הגלית ששלטה באותם ימים). איינשטיין הסיק זאת על סמך שיקולים תרמודינמיים כמותיים (חישובי אנטרופיה) ומאמרו של מקס פלאנק על קרינת גוף שחור. למרות שהיה זה חלק משני במאמר, עיקר פרסומו בא לו מכך שהסביר את האפקט הפוטואלקטרי שהתגלה בניסוי פרנק-הרץ, ובו מתכת פולטת אלקטרונים רק כאשר מוקרן עליה אור מעל לתדירות סף מסוימת. איינשטיין הסביר את התופעה באמצעות הטענה שהאנרגיה של האור באה במנות בדידות, "קוונטות", שנישאות על ידי פוטונים (חלקיקי אנרגיה אלקטרומגנטית חסרי מסה), ושהאנרגיה שכל פוטון נושא פרופורציונית לתדירות שלו. יחד עם המאמר של מקס פלאנק המתייחס לקרינת גוף שחור, מאמר זה היווה את היסוד למכניקת הקוונטים ולתפיסה של דואליות גל-חלקיק של האור. על מאמר זה קיבל איינשטיין פרס נובל לפיזיקה בשנת 1921. "על התנועה הנדרשת מהתורה הקינטית המולקולארית של החום ושל חלקיקים קטנים השוהים על פניו של נוזל במנוחה" (Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen) – מאמר זה הסביר את התנועה של גזים וחלקיקי אבק הצפים בתוך נוזל, תופעה הידועה בשם תנועה בראונית. המאמר היווה תרומה חשובה לתחום הפיזיקלי של מכניקה סטטיסטית וחיזק מאוד את האמונה בדבר ממשות קיומם של אטומים, שבאותה תקופה רבים ראו בהם רק פיקציות תאורטיות. איינשטיין הציג את עבודתו כתוצאה תאורטית הנובעת מההנחה שיש סטיות מדידות משיווי המשקל התרמודינמי של לודוויג בולצמן והתייחס אל התנועה הבראונית רק כחיזוי אפשרי שלה, מתוך מחסור במידע. "על האלקטרודינמיקה של גופים נעים" (Zur Elektrodynamik bewegter Körper) – במאמר זה הציג איינשטיין את תורת היחסות הפרטית ובתחילת המאמר מנתח את בעיית המגנט הנע והמוליך. עד אז הייתה מקובלת בפיזיקה התאורטית רק תורת המכניקה של ניוטון, שעל פיה הזמן זורם באופן שווה בכל מקום ביקום. ברם, ניסויים שנערכו במאה ה-19 גילו כי התנהגות האור שונה מהתחזיות המקובלות, והתאוריה השלטת בפיזיקה החלה מתערערת. כפי ששם המאמר מרמז, מטרתה הראשונה של תורת היחסות הייתה לפתור את הסתירה שבתורה האלקטרומגנטית, בייחוד זו שנובעת מכוח לורנץ F → = q E → + q c v → × B → {\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+{\frac {q}{c}}{\vec {v}}\times {\vec {B}}} שבה יש התייחסות למהירות של החלקיק אך לא ברור בדיוק באיזו מהירות מדובר (כלומר, ביחס לאיזה מערכת היא נמדדת). יוצא שבמערכות ייחוס שונות – על החלקיק פועל כוח מגנטי שונה והוא יפתח תאוצה שונה. עוד לפני איינשטיין, פיזיקאי הולנדי בשם הנדריק לורנץ פיתח טרנספורמציות בין מערכות ייחוס שפותרות את הבעיה, אך הן "נתפרו" אמפירית במיוחד בשביל בעיה זו. הגישה של איינשטיין הייתה הרבה יותר רדיקלית. הוא הגדיר מחדש מהו הזמן ומהו המרחב, ובאמצעות שני פוסטולטים: האחד, אינווריאנטיות מהירות האור (כלומר: כל צופה, בכל מערכת ייחוס, ימדוד מהירות אור קבועה c), והשני, שמירת כל חוקי הפיזיקה תחת כל מערכות הייחוס האינרציאליות, הראה איינשטיין כיצד אפשר לגזור את טרנספורמציית לורנץ שקושרת ביחד את המרחב והזמן (את הצגתו של מרחב-הזמן כמרחב וקטורי בעל 4-ממדים ביצע חברו של איינשטיין, המתמטיקאי היהודי הרמן מינקובסקי). תורת היחסות הפרטית הייתה מהפכנית משום ששינתה את כל התפיסות הקיימות לגבי זמן ומרחב. לדוגמה, שני אירועים שקורים בו-זמנית (סימולטנית) במערכת אחת אינם קורים בו-זמנית במערכת ייחוס אחרת, התארכות הזמן והתקצרות האורך של גוף נע, ועוד. הניגוד שבין תורת היחסות לבין האינטואיציה הביאה להצגה של מספר פרדוקסים, כגון פרדוקס התאומים, שרובם נפתרים כאשר מביאים בחשבון את אובדן הסימולטניות. "האם האינרציה של גוף תלויה בתכולת האנרגיה שלו?" (Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig?‎) – במאמר זה ביסס איינשטיין את השקילות שבין מסה לאנרגיה כמסקנה של תורת היחסות הפרטית, וקבע בכך, למעשה, שחוק שימור המסה וחוק שימור האנרגיה הם שתי פנים של אותו מטבע. הסיכום הפופולרי והקצר ביותר של מאמר זה הוא המשוואה הנודעת E=mc² (אנרגיה שווה למכפלת המסה במהירות האור בריבוע). הניסוח המדויק של משוואה זו שונה, והוא: E = γ m 0 c 2 {\displaystyle \!\,E=\gamma m_{0}c^{2}} כאשר m0 היא מסת המנוחה של החלקיק ו"גמא" הוא גורם לורנץ, התלוי במהירות החלקיק ושואף לאינסוף כאשר מהירות החלקיק שואפת למהירות האור ושווה ל-1 כאשר החלקיק במנוחה. לנוסחה זו היו יישומים רבים, המרכזיים שבהם הם פצצת האטום והפקת אנרגיה באמצעות תהליכים גרעיניים. "E=mc²" הפכה לאחת הנוסחאות הפיזיקליות המפורסמות ביותר בהיסטוריה, ולסמל של ממש לעבודתו של איינשטיין ולפיזיקה בכלל. שנת הפלא של אלברט איינשטיין – אתר המוקדש לנושא ומכיל תרגום לעברית של ארבעת המאמרים וולטר איזקסון, שנת הפלאות של איינשטיין, באתר ynet, 8 בספטמבר 2011