בסקר שנערך בשנת 2013 ברחבי העולם, הורכבה רשימת האנשים המפורסמים ביותר בתולדות האנושות. אלברט איינשטיין, הופיע בין 20 הדמויות המפורסמות ביותר (יחד עם דמויות כמו ישו, הנביא מוחמד ויוליוס קיסר). מעטים האנשים בעולם שאינם מכירים את שמו ומעטים עוד יותר, האנשים שמכירים את שמו ומסוגלים להסביר, מדוע הוא כל כך מפורסם?

כיצד נכנס יהודי מוזר משוויץ לרשימה מפוארת זו? התשובה לכך הונחה בחלקה על שולחנו של העולם הפיזיקאלי בשנת 1905 ("השנה המופלאה"), שבה פרסם איינשטיין, בבת אחת, ארבעה מאמרים ששינו לחלוטין את כל מה שהיינו בטוחים לגביו, בנוגע לאור, לזמן, למרחב, ולחומר ביקום. מה שהפך את איינשטיין למפורסם בקרב הציבור, היה כמובן, פרסומה של תורת היחסות הפרטית בשנת 1905 ולאחר עשור (1915), פרסומה של תורת היחסות הכללית.

כדי להבין את ה"מהפכה", נחזור מעט אחורה לסוף המאה ה - 19. העולם הפיזיקלי היה בתחושה ברורה שלאחר 2500 שנים של מחשבה ומחקר, אנו עומדים להבין את המיסתורין של היקום כולו.

הפיזיקה הניוטוניאנית שלטה בפרדיגמה, אשר האמינה במושגים מוחלטים של מרחב וזמן. למה כוונתנו, כאשר אנו מדברים על מרחב וזמן מוחלטים?

זמן מוחלט הוא זמן "הנע" באופן אחיד וללא שינוי. הזמן "זורם" וכל הארועים ביקום מתרחשים ביחס לאותו קו זמן קבוע ואחיד.

מרחב מוחלט הוא בעצם מערכת ייחוס לתנועה ביקום. תנסו לדמיין אסטרונאוט המרחף בחלל הריק כשמסביבו חושך מוחלט (מצב תאורטי בו הוא אינו רואה כוכבים כלל). כשהוא מביט מסביבו הוא אינו רואה דבר שהוא יכול לייחס לעצמו תנועה ביחס אליו. הוא גם אינו חש בתנועה משום שאין כוח משיכה המעניק תחושה של התנגדות ואין אויר סביבו המעניק את תחושת "הרוח בשערות". אסטרונאוט במצב כזה, בו אין לו שום אפשרות לחוש בתנועה של עצמו, לא יכול לתפוס באופן סובייקטיבי, האם הוא בתנועה או שהוא נייח. הפיזיקה גם אומרת לנו, שאם היקום מלא בחלל ריק (מלבד אותו אסטרונאוט), הרי שאין שום דבר אובייקטיבי שיכול לייחס לאסטרונאוט תנועה. תנועה יכולה להתקיים רק ביחס לנקודת ייחוס או מערכת ייחוס כזו. כעת תמלאו את החלל הריק הזה במים. עכשיו, ניתן לדעת בודאות האם האסטרונאוט בתנועה או לא, משום שניתן לקבוע האם הוא נע או לא, ביחס למים המקיפים אותו.

הפיזיקה הניוטוניאנית פתרה בעיה זו באמצעות מושג ה"אתר". הפיזיקאים של המאה ה – 19, מלאו את היקום כולו באתר, שהוא החומר השקוף אותו מכיל היקום (כולל בחלל הריק) והוא ישות בפני עצמה, שאליה ניתן לייחס כל תנועה באופן אובייקטיבי ומוחלט ולכן זהו מרחב מוחלט.

המדע של סוף המאה ה - 19 האמין באמונה שלמה בקיומו של האתר, על אף שהיה מדובר במרכיב שהוא המצאה מחשבתית אנושית ללא שום ביסוס תצפיתי.

כלומר, הזמן הוא ישות חיצונית שנעה באופן אחיד ומוחלט ללא שינוי ומבלי שתהיה מושפעת מהתהליכים ביקום ומשמשת כרקע להסתכלות שלנו ולהבנה שלנו את השינויים הנראים ביקום. המרחב הוא החומר השקוף הממלא את המיכל שאנו נמצאים בו, הנקרא יקום, אשר כל תנועה מוגדרת ביחס אליו.

בשנת 1887 ביצעו מייקלסון ומורלי ניסוי שמטרתו הייתה למדוד את מהירות כדור הארץ ביחס לאתר. הניסוי נכשל לחלוטין ורק בדיעבד (כ 20 שנה מאוחר יותר) הוגדר כניסוי אשר הפריך את קיומו של האתר. דבר נוסף שיצא מניסוי זה, הייתה ההבנה שמהירות האור היא קבועה לכל צופה ואינה יחסית לתנועתו. ממצא זה סתר את התפיסה הניוטוניאנית והיה אחד הסדקים המשמעותיים בתורתו של ניוטון.

אולם, מה מיוחד במהירות הקבועה של האור? הרי כל דבר ביקום יכול לנוע במהירות קבועה.

העובדה שהאור נע במהירות של כ 300,000 קמ"ש, הייתה ידועה שנים קודם לכן, אולם, מהירותו של כל דבר ביקום היא יחסית לצופה מסוים. אם אתם נוסעים ברכב, במהירות של 100 קמ"ש ומתקדמים לכיוון אדם העומד מולכם, הרי שהוא יראה אתכם מתקדמים אליו, במהירות של 100 קמ"ש. אם אותו אדם, רוכב על האופנוע במהירות 50 קמ"ש לכיוונכם, הרי שהוא רואה אתכם מתקדמים אליו במהירות של 150 קמ"ש, מכיוון שהמהירות היחסית ביניכם היא סכום שתי המהירויות שלכם יחד. באותה מידה, אם האופנוע היה מתרחק מכם במהירות 50 קמ"ש בזמן שאתם רודפים אחריו במהירות 100 קמ"ש, הרי שהוא היה רואה אתכם מתקרבים אליו מאחור במהירות של 50 קמ"ש שהיא המהירות שלכם פחות המהירות של האופנוע שלו המתרחק מכם. במילים אחרות, כל מהירות של שני גופים, אחד ביחס לשני, היא תוצאה של סכום החיבור או החיסור שלהם.

התוצאה המיסתורית של הניסוי של מייקלסון ומורלי הייתה שהאור לא מתנהג בצורה כזו. בכל כיוון ובלי שום קשר למהירות בה אני נע לכיוון האור וממנו, אני תמיד אראה את מהירות האור כקבועה. כלומר, אם אני מתקרב לכיוון פנס שמאיר עלי את אורו במהירות של 300,000 קמ"ש אני אראה את האור מתקרב אלי במהירות זו ולא משנה כמה מהר אני אתקדם לכיוונו. גם אם אני אנוע לכיוונו במהירות של 290,000 קמ"ש, אני עדיין אראה את האור מתקרב אלי במהירות של 300,000 קמ"ש. זוהי תופעה שאינה נתפסת באופן אינטואיטיבי וסותרת לחלוטין את תורתו של ניוטון.

המשמעות היא שבמהירויות גבוהות משהו מוזר קורה. אם המדידה של שני גופים אינה תלויה במהירות שלהם והיא מדידה אובייקטיבית ביחס לאיזה מרחב או זמן מוחלטים המקיפים אותם, הרי שהיה צריך לחבר או להחסיר את מהירותיהם והתופעה שהופיעה לגבי האור לא יכולה להתקיים.

בתחילת המאה ה - 20 אלברט איינשטיין ישב במשרד הפטנטים, משועמם מתפקידו כפקיד ושקע בחלומות בהקיץ על אנשים שרודפים אחרי קרן אור ומה יראה אדם המתרחק משעון במהירות האור.

וכמו בכל סיפור טוב, בניצוץ אחד של גאונות, הוא מצא את התשובה: מה שקבוע ומוחלט היא מהירות האור ומה שמשתנה ויחסי הוא המרחב והזמן.

איינשטיין הבין שמהירות האור מדגימה לנו את המהירות הגבוהה ביותר בטבע, שלא ניתן לעבור אותה ולכן היא קבועה ומוחלטת עבור כל מי שצופה בה בלי קשר למהירות תנועתו ביחס אליה. כדי שזה יקרה, צריך שהמרחב והזמן לא יהיו אחידים ומוחלטים וכל גוף נע ישפיע על התקדמות הזמן והתכווצות המרחב מנקודת המבט שלו. ככל שגוף נע מהר יותר, הזמן שלו מתקתק לאט יותר מהזמן של גוף אחר, הנמצא במהירות נמוכה יותר. כלומר, אין זמן שנע באופן אחיד וזהה בכל היקום עבור כל הגופים אלא הוא יחסי לתנועה של הגוף ואותו הדבר לגבי המרחב. רק התכווצות והתרחבות (העקמומיות) של ה"מרחב-זמן" (מושג שטבע מאוחר יותר הרמן מינקובסקי) יכולים לאפשר את תופעת המהירות הקבועה והמוחלטת של האור. צריך לומר שהעקמומיות של המרחב-זמן מושפעת גם מכוח המשיכה והמצאותה של מסה כמו כוכבים או חורים שחורים (תובנות שהגיעו מאוחר יותר בתורת היחסות הכללית), אבל לא ארחיב כרגע בנושא זה.

מה שיפה בסיפור הזה הוא שזה לא רלוונטי רק לגבי האור, אלא, לגבי כל גוף שנמצא בתנועה ובכל מהירות. הסיבה היחידה שאנחנו לא מרגישים זאת בחיי היומיום שלנו היא שאנחנו פשוט נעים לאט מידי ולמרחקים קצרים מאוד ביחס ליקום. גם במהירויות של מאות קמ"ש ההשפעה על המרחב והזמן בכדור הארץ היא זניחה ולכן חיינו באשליה כל כך הרבה שנים שניוטון צודק. אבל האמת היא שהטבע מתנהג כפי שמתאר איינשטיין. באוקטובר 1971, הועלה שעון אטומי למטוס שטס במהירות בגובה רב. לאחר שנחת בוצעה השוואה בינו לבין שעון אטומי זהה שנשאר על הקרקע. לשמחת כולם, הניסוי אישש את תורתו של איינשטיין. בסתירה מוחלטת לאינטואיציה שלנו, השעון שהיה על המטוס הראה שהזמן שחלף בו היה איטי יותר מהזמן שחלף על פני הקרקע. כלומר הזמן במטוס לא התקדם בקצב של הזמן על הקרקע והיה יחסי לתנועה של המטוס.

מה שמדהים בסיפור הזה הוא שיש לכך משמעות מאוד עמוקה ורלוונטית לאופן שבו כל אחד מאיתנו תופס את חיי היומיום שלו. בואו ננסה להבין מהו הדבר הגדול באמת שאיינשטיין אומר לנו?

כדי להבין זאת נסתכל על דוגמא קיצונית. דמיינו שני אנשים הנמצאים על כוכב בגלקסיה רחוקה מכדור הארץ, שניהם נעים זה כלפי זה במהירות וחולפים אחד מול השני. ברגע שמבטיהם מצטלבים נעצור את היקום. מבחינתם מדובר באירוע שהם חשים בו באופן בו זמני אבל אם נסתכל על כדור הארץ המרוחק מאוד מהכוכב בו הם חיים נגלה דבר מדהים. עבור אחד מהם, האירוע הסימולטני שמתרחש בכדור הארץ הוא הרגע שבו אתם קוראים את המשפט הזה במקום בו אתם יושבים. עבור השני, האירוע הסימולטני שמתרחש במקום בו אתם יושבים הוא דינוזאור מטיל ביצה.

במילים אחרות, לא ניתן לעצור את היקום ולמפות את כל האירועים הסימולטניים המתרחשים ברגע זה ביקום כולו. כל אירוע הוא יחסי לצופה ולתנועתו ולכן מה שנחשב עבורי כרגעים בו זמניים ביקום יהיו, עבור אחר, אירועים המתרחשים בעבר או בעתיד הרחוקים שלו.

אם עוצרים רגע ומנסים להבין את המשמעות (ולצערי אי אפשר להתחמק מכך), מבינים שכל אירוע ביקום יכול להיות בעבר, בהווה או בעתיד של כל צופה ביקום ועל כן אין משמעות לשיוך של האירוע לעבר/הווה/עתיד ואם מחילים זאת על כל האירועים ביקום מבינים שכל האירועים מהמפץ הגדול ועד קץ היקום מתקיימים בו זמנית. תובנה זאת נקראת "יקום הגוש".

יש להסתכל על כל הארועים בחיי היקום כולו, כארועים הקיימים על מפה. כאשר אני מסתכל על מפה גאוגרפית, אני יודע את מיקומי במפה וכשאני מחפש את דרכי מתל אביב לירושלים, אני יודע בודאות גמורה שאף על פי, שטרם הגעתי לירושלים, ירושלים קיימת במציאות ומחכה לפגוש בי כאשר אכנס בשעריה. העובדה שטרם הגעתי לירושלים, לא מעידה דבר על ממשותה וקיומה של ירושלים במציאות. תורת היחסות אומרת אותו הדבר לגבי הזמן. העובדה שאני חווה רגע מסוים בזמן כ"עכשיו", מעיד על כך שאני נמצא בנקודה מסוימת במפת הזמן שלי ולא אומר דבר על הממשות והקיום של כל רגע אחר בעבר שלי או בעתיד שלי, אשר כבר מופיעים על המפה. במילים אחרות, על אף העובדה, שאני חש ונמצא כרגע, ברגע מסוים בהווה שלי, כל רגע אחר בעתיד שלי כבר קרה ומחכה לי. כמו שהכניסה שלי לירושלים תתרחש כתוצאה מהתנועה שלי במרחב (ואינה מעידה על חוסר קיומה של ירושלים לפני ההגעה שלי), כך החוויה שלי את האירוע העתידי תתרחש כתוצאה מהתנועה שלי בזמן (ואינה מעידה על אי ממשותו של אירוע זה עוד בטרם חוויתי אותו).

הבעיה הפילוסופית הגדולה הנובעת מכך היא שכל אירוע בעתיד שלי כבר קיים וממשי ועל כן, כל בחירה שאבחר בעתיד כבר נקבעה מראש ואינה פתוחה לבחירה החופשית שלי (המשמעות הדטרמיניסטית של תורה זו כבר נדונה בפוסטים קודמים שלי).

שאלה מעניינת שצריך לשאול היא האם המרחב-זמן אינו מערכת ייחוס בפני עצמה? האם בעצם לא החליפו את האתר מהמאה ה - 19, ביישות חדשה בשם "מרחב-זמן", שאמנם אינה חומר ושונה במהותה מהאתר, אבל, בסופו של דבר, יכולה להוות מערכת ייחוס עבור התנועה ביקום. השאלה הזו תתחדד עוד יותר, כאשר נבין את תורת הקוואנטים ואת תורת השדות הקוואנטיים ואת המסקנה הבסיסית הנובעת מהם שהעולם שלנו בנוי משדות. האם שדות אלו אינם בעצם, שוב, מערכת ייחוס מוחלטת? על שאלות אלו ננסה להשיב בפוסטים עתידיים.

למרות פרסומה של תורת היחסות, איינשטיין קיבל את פרס הנובל דווקא על מאמר אחר שהוא פרסם באותה שנה מופלאה. מאמרו של איינשטיין על האפקט הפוטואלקטרי היה אחד מהיסודות של תורת הקוואנטים. התורה, שאיינשטיין בעצמו לא היה מסוגל לתפוס עד יומו האחרון ושגרמה לנו להבין שהיקום הוא הרבה יותר מיסתורי, אפילו ממה שחשבנו...