จดหมายของไอน์สไตน์ส่องสว่างจิตใจที่กำลังต่อสู้กับกลศาสตร์ควอนตัม

ย้อนกลับไปก่อนอินเทอร์เน็ต ผู้คนเขียนจดหมายโดยไม่มีอีเมล ส่งข้อความ หรือทวิตเตอร์ แม้แต่คนดังอย่างไอน์สไตน์

และจดหมายของคนดังมักจะได้รับการบันทึกไว้ และในกรณีของไอน์สไตน์ก็ตีพิมพ์ด้วย เป็นเวลากว่า 30 ปีแล้วที่สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันตีพิมพ์จดหมายของไอน์สไตน์ (และเอกสารของเขา การบรรยาย และสิ่งอื่นใดที่เขาเขียน) จดหมายของเขาเผยให้เห็นถึงความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ เกี่ยวกับอัจฉริยะของเขา และข้อเสียบางประการต่อบุคลิกภาพของเขา ซึ่งไม่ค่อยปรากฏในเอกสารทางการและการบรรยายอย่างเป็นทางการของเขา

เดือนนี้พรินซ์ตันเปิดตัวเล่มล่าสุดของเอกสารของไอน์สไตน์ ครอบคลุมช่วงเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2468 ถึงมิถุนายน พ.ศ. 2470 ขณะที่ไอน์สไตน์อยู่ที่มหาวิทยาลัยเบอร์ลิน ถือเป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นเป็นพิเศษในทางวิทยาศาสตร์ เนื่องจากเป็นช่วงเวลาเดียวกับวัยเด็กของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งแวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ผดุงครรภ์เป็นผู้ผดุงครรภ์ในปี พ.ศ. 2468 ขณะอยู่ที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเกนในประเทศเยอรมนี ไอน์สไตน์ยังเผชิญกับความท้าทายใหม่ๆ ต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาในช่วงเวลานี้ และจดหมายของเขาสื่อถึงความสิ้นหวังที่ขาดความก้าวหน้าในการบรรลุเป้าหมายของเขาที่เป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วงและไฟฟ้าที่เป็นหนึ่งเดียว

ในระหว่างภารกิจนั้น กลศาสตร์ควอนตัมมาถึงโดยเป็นสิ่งรบกวนจิตใจอันไม่พึงประสงค์ ไฮเซนเบิร์กจุดชนวนกิจกรรมควอนตัมที่วุ่นวายเมื่อเขาคิดค้นคณิตศาสตร์ใหม่สำหรับอธิบายกลศาสตร์ของอิเล็กตรอนและอนุภาคย่อยอะตอมอื่นๆ ซึ่งเป็นงานที่ขยายแนวคิดควอนตัมก่อนหน้านี้ของ Max Planck, Niels Bohr และ Einstein เอง หลังจากนั้นไม่นาน นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ได้สร้างเวอร์ชันที่แข่งขันกับของไฮเซนเบิร์ก (ซึ่งถึงแม้จะดูแตกต่างออกไปมากในเชิงแนวคิด แต่ก็กลับกลายเป็นว่าเทียบเท่ากันในเชิงคณิตศาสตร์) ไอน์สไตน์ชอบแนวทางของชโรดิงเงอร์ แต่ไม่ได้คิดถึงแนวทางของไฮเซนเบิร์กมากนัก

“ไฮเซนเบิร์กได้วางไข่ควอนตัมขนาดใหญ่” ไอน์สไตน์เขียนถึงนักฟิสิกส์ พอล เอเรนเฟสต์ ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2468 “ในเกิตทิงเงน พวกเขาเชื่ออย่างนั้น (ฉันไม่เชื่อ)”

ชโรดิงเงอร์ได้ประยุกต์คณิตศาสตร์ของคลื่นกับอิเล็กตรอน แต่ไฮเซนเบิร์กปฏิบัติต่ออิเล็กตรอนเสมือนเป็นอนุภาค โดยอธิบายสถานะพลังงานของมันด้วยนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าเมทริกซ์ พีชคณิตเมทริกซ์ได้รับการศึกษาโดยนักคณิตศาสตร์มานานหลายทศวรรษ — เป็นข่าวสำหรับไฮเซนเบิร์กผู้ซึ่งคิดออกเอง จากนั้นเขาได้ร่วมมือกับนักฟิสิกส์ Max Born และ Pascual Jordan (ผู้รู้เรื่องเมทริกซ์) เพื่อพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมใหม่เพื่ออธิบายโลกใต้อะตอม การทำความเข้าใจโลกนั้นจำเป็นต้องให้นักฟิสิกส์ละทิ้งแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับอวกาศและเวลา ไฮเซนเบิร์กยืนกราน “อะตอมคงจะไม่มีอยู่จริง” เขาเขียนถึงไอน์สไตน์ “ถ้าแนวคิดเรื่องกาล-อวกาศของเราถูกต้องโดยประมาณสำหรับพื้นที่ขนาดเล็กมากเท่านั้น”

ไอน์สไตน์แสดงความสนใจในแนวทางไฮเซนเบิร์ก-บอร์น-จอร์แดน และแนวทางที่เกี่ยวข้องโดยพอล ดิแรก นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ แต่เขาต่อต้านการยอมรับคณิตศาสตร์เมทริกซ์เป็นภาษาที่ถูกต้องในการอธิบายธรรมชาติ

“ทฤษฎีไฮเซนเบิร์ก-ดิแรกทำให้ฉันชื่นชมอย่างแน่นอน แต่สำหรับฉัน ทฤษฎีเหล่านั้นไม่ได้กลิ่นของความเป็นจริง” เขาเขียนถึงนักฟิสิกส์อาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2469 สำหรับชโรดิงเงอร์ ไอน์สไตน์เขียนว่าเขาชอบภาพคลื่นของอิเล็กตรอนมากกว่า Schrödingerได้พัฒนาแล้ว “ผมมั่นใจว่าด้วยการกำหนดเงื่อนไขควอนตัมของคุณ คุณจะได้พบกับความก้าวหน้าขั้นเด็ดขาด” เขาเขียน “ฉันก็มั่นใจเช่นกันว่าเส้นทางที่เกิดจากไฮเซนเบิร์กนั้นถูกนำทางผิด”

ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2469 ไอน์สไตน์เขียนถึงบอร์น (เพื่อนสนิท) ว่าเขาเคารพแนวทางเมทริกซ์ แต่ไม่สามารถยอมรับผลกระทบเชิงปฏิวัติประการหนึ่งได้ นั่นคือ พฤติกรรมของธรรมชาติอยู่ภายใต้กฎทางสถิติ “ทฤษฎีนี้ให้อะไรได้มากมาย แต่แทบจะไม่สามารถนำเราเข้าใกล้ความลับของผู้เฒ่าได้” ไอน์สไตน์เขียน (“ผู้เฒ่า” หมายถึงพระเจ้า) “ไม่ว่าในกรณีใดฉันก็เชื่อมั่นเช่นนั้นเขาไม่ได้เล่นลูกเต๋า”

ในช่วงเวลานี้ ไอน์สไตน์ต่อสู้กับความท้าทายในการรวมทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขา — ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป — กับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนและแสง เขาเชื่อใน "ความสามัคคีที่สำคัญของสนามโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็กไฟฟ้า" ขณะเดียวกันก็ตระหนักว่าเรื่องราวทางทฤษฎีของเอกภาพนั้นไม่ได้รับการวางกรอบอย่างเหมาะสม ในบทความที่ตีพิมพ์ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2468 เขาประกาศว่าเขาประสบความสำเร็จในการค้นหา "วิธีแก้ปัญหาที่แท้จริง"

ในไม่ช้าไอน์สไตน์ก็กลับใจใหม่ ในการอธิบายสมการสัมพัทธภาพทั่วไปให้ละเอียดรวมถึงแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย เขายังคงเชื่อว่าเขามาถูกทางแล้ว แต่ยังไม่ถึงจุดหมาย “สมการเหล่านี้ไม่ได้กำหนดมวลและประจุของอิเล็กตรอนและโปรตอน ดังนั้นพวกเขาจึงยังต้องมีการแก้ไขเพื่อแสดงกฎธรรมชาติทั้งหมด” เขาเขียนถึงนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ อาเธอร์ เอ็ดดิงตัน ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2469 ไอน์สไตน์รับทราบคำถามว่าคำตอบของสมการของเขาจะสอดคล้องกับความเป็นจริงหรือไม่ “ตราบใดที่คำถามเหล่านี้ไม่สามารถตอบได้” เขาเขียนโดย Eddington “ไม่มีใครรู้ได้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป … ล้มเหลวเมื่อเผชิญกับปรากฏการณ์ควอนตัม”

ในขณะเดียวกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขาซึ่งตีพิมพ์ในปี 1905 ได้ถูกตั้งคำถามจากการทดลองใหม่ในแคลิฟอร์เนีย ทฤษฎีพิเศษของไอน์สไตน์ถือว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิด (หรือผู้สังเกตการณ์คนใดก็ตามที่วัดแสงนั้น) หากเป็นเช่นนั้น ก็จะต้องไม่มี “อีเทอร์” ซึ่งมีคลื่นแสงสั่นสะเทือนอยู่ มิฉะนั้น ความเร็วของแสงที่วัดได้บนโลกจะขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของโลกผ่านอีเทอร์ อัลเบิร์ต มิเชลสัน และเอ็ดเวิร์ด มอร์ลีย์การทดลองที่มีชื่อเสียงในคลีฟแลนด์ในปี พ.ศ. 2430 ไม่พบหลักฐานของอีเทอร์ดังกล่าว ซึ่งสนับสนุนทฤษฎีของไอน์สไตน์เป็นอย่างยิ่ง แต่ในปี 1925 นักฟิสิกส์ เดย์ตัน มิลเลอร์ รายงานการทดลองใหม่ที่ยืนยันว่าอีเทอร์ที่ส่งผลต่อความเร็วของแสงมีอยู่จริง

มิลเลอร์ได้ทำการทดลองของมิเชลสันและมอร์ลีย์ซ้ำแล้วซ้ำอีกในคลีฟแลนด์ โดยพบว่ามีเพียงสัญญาณเล็กๆ น้อยๆ ที่อาจเป็นไปได้ของเอฟเฟกต์อีเธอร์ที่นั่น แต่แล้วที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น — Mount Wilson ในแคลิฟอร์เนีย — Miller อ้างว่าพบสัญญาณที่สำคัญของอีเธอร์

ผลงานของมิลเลอร์ทำให้ Edwin Slosson ผู้อำนวยการฝ่ายสิ่งพิมพ์รุ่นเยาว์จดหมายข่าววิทยาศาสตร์(ซึ่งต่อมาได้กลายมาเป็นข่าววิทยาศาสตร์) เพื่อเขียนไอน์สไตน์ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2468 เพื่อขอความคิดเห็น ไอน์สไตน์ตอบว่าหากงานต่อมายืนยันผลลัพธ์ของมิลเลอร์ “ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีทั่วไปในรูปแบบปัจจุบันก็จะล่มสลาย การทดลองคือผู้ตัดสินสูงสุด”

แต่ไอน์สไตน์ไม่เชื่อว่าผลลัพธ์ของมิลเลอร์จะคงอยู่ ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2468 เขาเขียนถึงเพื่อนของเขา มิเคเล่ เบสโซ ว่าความล้มเหลวในการควบคุมอุณหภูมิอย่างเหมาะสมอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ผิดพลาดของมิลเลอร์ “ฉันไม่ได้จริงจังกับพวกเขาแม้แต่นิดเดียว” ไอน์สไตน์ประกาศ

ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2469 ไอน์สไตน์โทรหานักข่าวโดยบอกว่าแทบไม่มีโอกาสที่การทดลองของมิลเลอร์จะถูกต้อง พวกเขาระบุแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่ไม่ทราบสาเหตุมากกว่าผลกระทบที่แท้จริง “หากคุณผู้อ่านที่รัก ต้องการใช้สถานการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจนี้ในการเดิมพัน ฉันขอแนะนำให้คุณเดิมพันว่าการทดลองของมิลเลอร์จะพิสูจน์ได้ว่ามีข้อผิดพลาด” หรือไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับอีเทอร์ ไอน์สไตน์แนะนำ “ฉันเองก็คงจะมีความสุขมากที่ได้ทุ่มเงินไปกับสิ่งนั้น”

ในไม่ช้า การทดลองอื่นๆ ก็ล้มเหลวในการยืนยันมิลเลอร์ (การวิเคราะห์ข้อมูลของเขามีข้อผิดพลาด) และทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษก็ได้รับชัยชนะดังที่ยังคงอยู่จนถึงทุกวันนี้ เช่นเดียวกับตำนานของไอน์สไตน์

ตำนานดังกล่าวไม่ได้ทำให้เสื่อมเสีย เนื่องจากจดหมายของเขาเผยให้เห็นถึงความเกลียดชังผู้หญิงเป็นครั้งคราว สิ่งที่ทำให้แฟน ๆ ของไอน์สไตน์ตะลึงมากที่สุดน่าจะเป็นจดหมายที่ส่งถึงเดือนตุลาคม พ.ศ. 2468 ซึ่งไอน์สไตน์ตำหนิมิเลวา อดีตภรรยาของเขา ที่ขู่ว่าจะทำให้เขาอับอายด้วยบันทึกความทรงจำของเธอ “คุณไม่คิดเลยหรือว่าไม่มีใครสนใจแม้แต่น้อยเกี่ยวกับการเขียนหวัดๆ แบบนั้น ถ้าคนที่พวกเขาอยู่ด้วยบังเอิญไม่ได้ทำสิ่งพิเศษสำเร็จใช่ไหม? หากใครไม่มีใครก็ไม่มีอะไรจะคัดค้าน แต่ควรถ่อมตัวอย่างแท้จริงและปิดกับดักไว้ นี่คือคำแนะนำของฉันสำหรับคุณ” ไอน์สไตน์ยืนยันว่าคำพูดของเขาแสดงให้เห็นว่าเขาดีแค่ไหนกับเธอ ไม่เช่นนั้นเขาคงไม่ให้คำแนะนำที่ดีเช่นนั้น “ไม่ใช่แค่เด็กๆ เท่านั้นที่ต้องการการตีเป็นครั้งคราว ผู้ใหญ่ก็ต้องการเช่นกัน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้หญิง”

เช่นเดียวกับมนุษย์ส่วนใหญ่ ไอน์สไตน์เป็นพวกผสมปนเป กระเป๋าของเขาเต็มไปด้วยความยิ่งใหญ่แต่ก็ไม่ปราศจากตำหนิ ดังที่เราทุกคนทราบกันดีอยู่แล้ว เพราะเช่นเดียวกับคนอื่นๆ เพียงไม่กี่คนในประวัติศาสตร์ จดหมายของเขาได้รับการเก็บรักษาไว้อย่างระมัดระวังเพื่อให้ลูกหลานได้วิเคราะห์ ชื่นชม และบางครั้งก็วิพากษ์วิจารณ์