אלברט איינשטיין
ביוגרפיה > "שנת הפלאות"

בשנת 1905 (המכונה שנת הפלאות – Annus Mirabilis) פרסם איינשטיין ארבעה מאמרים בשנתון הפיזיקה (Annalen der Physik), כתב העת המדעי החשוב ביותר לפיזיקה באותה עת. מאמרים אלה נחשבים לאבני יסוד בפיזיקה המודרנית, ששינו את התפיסות המקובלות עד אז לגבי הקשרים שבין מרחב, זמן וחומר:
"על התנועה הנדרשת מהתורה הקינטית המולקולרית 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 תנועת הגזים וחלקיקי האבק הצפים בנוזל, תופעה הידועה בשם תנועה בראונית. המאמר היווה תרומה חשובה לתחום הפיזיקלי של מכניקה סטטיסטית, וחיזק את האמונה על אודות קיומם של אטומים, שבאותה תקופה רבים ראו בהם המצאה תאורטית גרידא. איינשטיין הציג את עבודתו כתוצאה הגיונית הנובעת מההנחה שישנן סטיות מדידה משיווי המשקל התרמודינמי של לודוויג בולצמן, ותיאר את התנועה הבראונית רק כחיזוי אפשרי שלה, מחוסר מידע מספיק באותה עת.
"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, של קרינה אלקטרומגנטית) וחלוקתו למנות אנרגיה בדידות, המתנהגות כמו חלקיקים – בניגוד לתאוריה הגלית של האור ששלטה באותם ימים. איינשטיין הסיק זאת על סמך שיקולים תרמודינמיים כמותיים (חישובי אנטרופיה), וכן על בסיס מאמרו של מקס פלאנק בנושא קרינת גוף שחור. על אף שהיה זה חלק משני במאמר, עיקר פרסומו בא לו מכך שהסביר את האפקט הפוטואלקטרי שהתגלה בניסוי פרנק-הרץ, שבו מתכת פולטת אלקטרונים רק כאשר מוקרן עליה אור מעל לתדירות סף מסוימת. איינשטיין הסביר זאת באמצעות הטענה כי אנרגיית האור באה במנות בדידות, "קוונטות", שנישאות על ידי פוטונים – חלקיקי אנרגיה אלקטרומגנטית חסרי מסה – ושהאנרגיה שכל פוטון נושא פרופורציונית לתדירותו. יחד עם מאמרו של מקס פלאנק המתייחס לקרינת גוף שחור, היווה מאמר זה את היסוד למכניקת הקוונטים ולתפיסת הדואליות גל-חלקיק של האור. על מאמר זה הוענק לאיינשטיין פרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.
"על האלקטרודינמיקה של גופים נעים" (Zur Elektrodynamik bewegter Körper) – במאמר זה הציג איינשטיין את תורת היחסות הפרטית. עד אז הייתה מקובלת בפיזיקה התאורטית רק תורת המכניקה של ניוטון, על פיה הזמן מתקדם באופן שווה בכל נקודה ביקום. ברם, ניסויים שנערכו במאה ה-19 גילו כי התנהגות האור שונה מהתחזיות המקובלות, והתאוריה ששלטה עד אז בפיזיקה החלה להתערער. כפי שנרמז בכותרת המאמר, מטרתה הראשונה של תורת היחסות הייתה לפתור את הסתירה שבתורה האלקטרומגנטית, ליתר דיוק זו שנובעת מכוח לורנץ  {\vec {F}}=q{\vec {E}}+{\frac {q}{c}}{\vec {v}}\times {\vec {B}} שם יש התייחסות למהירות של החלקיק, כאשר לא ברור בדיוק באיזו מהירות מדובר (כלומר, ביחס לאיזו מערכת היא נמדדת). יוצא מכך שבמערכות ייחוס שונות פועל על החלקיק כוח מגנטי שונה, והוא יפתח תאוצה שונה. עוד לפני איינשטיין, פיתח הפיזיקאי ההולנדי הנדריק לורנץ טרנספורמציות בין מערכות ייחוס שפותרות את הבעיה, אך הן "נתפרו" אמפירית במיוחד לבעיה זו. גישתו של איינשטיין הייתה הרבה יותר רדיקלית: הוא הגדיר מחדש מהו זמן ומהו מרחב, באמצעות שני פוסטולטים: האחד, האינווריאנטיות של מהירות האור, כלומר: כל צופה, בכל מערכת ייחוס, ימדוד מהירות אור קבועה: c; השני, שמירת כל חוקי הפיזיקה תחת כל מערכות הייחוס האינרציאליות. איינשטיין הראה כיצד אפשר לגזור את טרנספורמציית לורנץ הקושרת 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 שהיו קיימות לגבי זמן ומרחב. דוגמאות: 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, שרובם נפתרים כשמביאים 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 שני צדדים של אותו מטבע. הסיכום הפופולרי והקצר ביותר של מאמר זה הוא המשוואה הנודעת E=mc² (אנרגיה שווה למכפלת המסה בריבוע-מהירות-האור). הניסוח המפורט והמדויק של משוואה זו שונה במקצת:  \!\,E=\gamma m_{0}c^{2} כאשר m0 היא מסת המנוחה של החלקיק, ו"גמא" הוא פקטור לורנץ, התלוי במהירות החלקיק ושואף לאינסוף כשמהירות החלקיק שואפת למהירות האור, ושווה ל-1 כאשר החלקיק במנוחה. לנוסחה זו היו יישומים רבים, המרכזיים שבהם הם פצצת האטום, והפקת אנרגיה באמצעות תהליכים תרמו-גרעיניים. הביטוי "E=mc²" הפך לאחת הנוסחאות הפיזיקליות המפורסמות ביותר בהיסטוריה והמזוהות ביותר עם עבודתו של איינשטיין ועם הפיזיקה בכלל.
ב-30 באפריל 1905 הציג איינשטיין באוניברסיטת ציריך את עבודת הדוקטורט שלו, "קביעה מחודשת של הממדים המולקולריים" (Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen), שנכתבה בהנחייתו של אלפרד קליינר. ב-15 בינואר 1906 הוענק לו תואר דוקטור לפיזיקה מטעם סנאט האוניברסיטה.
ב-1909 התמנה איינשטיין לפרופסור חבר לפיזיקה עיונית באוניברסיטת ציריך. ב-1911 התמנה לפרופסור גם באוניברסיטת קארל בפראג. ב-1912 שב לבית הספר הפוליטכני הגבוה של ציריך, הפעם כפרופסור מן המניין. ב-1914 מונה למנהל המכון לפיזיקה על שם הקיסר וילהלם באוניברסיטת הומבולדט בברלין. עם הצטרפותו לאוניברסיטה שב לגרמניה והתגורר בברלין. אז גם נבחר לחבר באקדמיה הפרוסית הממלכתית למדעים, וניתנה לו קצבה מספקת לפרנסתו, כדי שיוכל להקדיש את כל זמנו ומרצו למחקר, מבלי שתוטל עליו חובת ההוראה. בשנים אלה נעשה איינשטיין אזרח גרמני שוב.