אלברט איינשטיין / צילום: רויטרס
לפעמים נדמה שתרומתו העיקרית של אלברט איינשטיין לאנושות הייתה פתיחת עידן המדען כסלב. גם מי שבורח במהירות האור כשהוא נתקל בפיזיקה מודרנית או במתימטיקה גבוהה מכיר משהו מתורתו, וכמעט כל נער שמסיים תיכון יזהה את ציצית השיער ואת חריצת הלשון המתריסה נגד כל מה שמכובד ורציני במדע. דמותו, המודפסת על טי-שירטס, הפכה שם נרדף לחוכמה, והעובדה שהוא תפס את תשומת לבה של מרילין מונרו, הכוכבת הגדולה של זמנו, הוסיפה לחוכמה הזאת נופך סקסי.
אבל בעוד שכל הדיוט כמעט יידע לשרבט E=MC^2 ולומר שהיא עוסקת בקשר בין אנרגיה למאסה, והמתקדמים יותר יידעו שאיינשטיין טען שמהירות האור היא קבוע והזמן מתקפל ועושה דברים מוזרים, רובנו לא יודעים כיצד מתבטאים הרעיונות שהגה איינשטיין בחיי היומיום שלנו. מומחים מהאוניברסיטה העברית, המחזיקה בזכויות המותג "אלברט איינשטיין", מסבירים כיצד התיאוריות שלו רלוונטיות לטכנולוגיות המתפתחות כיום.
תודה על המעלית שלא נסגרת עלינו
הגילוי של איינשטיין: האפקט הפוטואלקטרי (המרת אור לחשמל)
היישומים: מתאים סולאריים ועד מחשב קוואנטי
אלברט איינשטיין אמנם התפרסם בזכות תורת היחסות הפרטית והכללית שפיתח, אבל את פרס נובל קיבל ב-1922 על גילוי האפקט הפוטואלקטרי, הקשור בהמרת אור לחשמל. באותה תקופה, עדיין לא היו הוכחות אמפיריות לתורת היחסות והיא הייתה שנויה במחלוקת, ולכן ועדת הפרס החליטה להסתפק באפקט הפוטואלקטרי, שאכן שינה ועוד ישנה את חיינו.
"בתחילת המאה ה-20 היה ידוע שאור מתנהג כמו גל. נכתבו משוואות כדי לתאר את ההתנהגות הזאת והן ניבאו היטב כמעט את כל ההתנהגויות של אור בעולם, אולם תופעה אחת נותנה לא ברורה: היה ידוע שכאשר מקרינים משטח מתכתי באור, יכול להיפלט מהמשטח אלקטרון, אבל לא היה ברור מדוע האלקטרון נפלט רק כאשר האור הוא מעל תדר מסוים", אומר פרופ' אורי בנין מהמכון לכימיה והמרכז לננומדע ולננוטכנולוגיה באוניברסיטה העברית, והמייסד המדעי של חברת קיולייט, שנמכרה לענקית החומרים והפארמה הגרמנית Merck.
התשובה שהציע איינשטיין הייתה שהאור מורכב מחבילות גלים שהן למעשה חלקיקי אור, פוטונים, ואם האנרגיה של כל פוטון היא קטנה מכדי לשחרר אלקטרון, הוא לא ישתחרר. רק פוטון עם אנרגיה גבוהה מאנרגיית סף ישחרר אלקטרון, וזה קורה רק כשהאור נמצא בתדר מסוים.
לדברי הפיזיקאי פרופ' חנוך גוטפרוינד, בעבר נשיא האוניברסיטה העברית וכיום מנהל מרכז איינשטיין וראש הוועד המנהל של הקרן הלאומית למדע, "גילוי קיומו של פוטון, כלומר של אור שמתנהג כחלקיק ולא רק כגל, עומד בבסיס כל הפיזיקה הקוואנטית, שכנראה תניב לנו בעתיד את המחשבים הקוואנטיים". המחשבים האלה יעלו את יכולות החישוב כמה מדרגות ויובילו אותנו למקומות שקשה עדיין לדמיין מבחינת הקצב והדיוק בעיבוד מידע.
עוד לפני המחשב הקוואנטי, לאפקט הפוטואלקטרי יש כבר היום יישומים. אחד מהם הוא התא הסולארי, שמשתמש בדיוק באפקט הזה: קרינת השמש משחררת ממשטח המתכת אלקטרונים שהם בעצם זרם חשמלי. התיאוריה של איינשטיין לגבי האפקט הפוטואלקטרי אפשרה להבין מה בדיוק מתרחש בתוך התא הסולרי ולמקסם את הפוטנציאל שלו.
התיאוריה הזאת ישימה גם באנליזה ובזיהוי של חומרים וננו-חומרים, אומר בנין, המתמחה במחקר של ננו-גבישים. "היום יש מגוון מכשירים שמאפשרים לבצע ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים לחומרים. זה גם בסיס לאפיון חומרים מתקדמים במאיצי חלקיקים. זה יכול לאפשר זיהוי של כל חומר וללמוד על תכונותיו לפי מספר האלקטרונים שנפלט ביחס לתדר האור. הטכנולוגיה הזו משמשת אותי במחקר, והיא גם משמשת למשל את אינטל בבדיקות האפיון ובבדיקות כשל לשבבים שלה, כך שגם תעשיית המחשוב תלויה בכך".
"הנכדים והנינים של הרעיון הזה נמצאים בעשרות אלפי שימושים כבר היום", מוסיף גוטפרוינד. "למשל, מדוע מעלית לא נסגרת עליי? כי אני מפריע לאלומת אור להגיע לתא פוטואלקטרי קטן. אם האלומה מגיעה אליו, היא מפיקה ממנו אלקטרונים שיוצרים זרם שמאותת למעלית להיסגר".
הנוסחה שהובילה לפצצת האטום
הגילוי של איינשטיין: E=MC^2, המשוואה שקושרת בין אנרגיה למאסה
היישומים: מאנרגיה אטומית ועד הקרנות נגד סרטן
E=MC^2, המשוואה המפורסמת ביותר של איינשטיין, קשרה לראשונה בין אנרגיה למאסה. במשוואה הזאת, E היא האנרגיה ו-M היא המאסה, ו-C היא מספר קבוע המייצג את מהירות האור. אבל מה זה אומר בעצם?
לפני איינשטיין, היה מקובל לחשוב שאנרגיה של מערכת סגורה נשמרת תמיד, וכך גם המאסה שלה ("חוק שימור האנרגיה" ו"חוק שימור החומר"). לדוגמה, אם אנחנו שורפים חומר ומפיקים ממנו אנרגיה, אנחנו הופכים אנרגיה שהייתה אגורה בקשרים בין היסודות הכימיים של אותו חומר לאנרגיה של חום. אותו חום אינו הולך לאיבוד, אלא יגרום לתהליכים בעולם ששוב יקשרו קשרים כימיים בין יסודות, כלומר האנרגיה תשנה צורה אך לא תלך לאיבוד. כך גם לגבי מאסה - אם נשקול את חומר הבעירה ואחר כך את תוצרי הבעירה כולם, נגיע תמיד לאותה תוצאה.
איינשטיין טען לראשונה שהמאסה והאנרגיה יכולות להתחלף זו בזו, באופן שסותר כביכול את חוק שימור המאסה וחוק שימור האנרגיה, וזאת משום שחומר שיש בו מאסה, יש בו גם אנרגיה. המאסה הזאת יכולה להפוך לאנרגיה בתהליכי התפרקות רדיואקטיבית. אם מצליחים לשנות את גרעין האטום כך שיסוד הופך ליסוד אחר, המאסה תהפוך לאנרגיה, אפילו לאנרגיה רבה. בעת ביקוע כזה, לא כל המאסה של המערכת נשמרת, משום שחלקה הופך לאנרגיה, לפי הנוסחה.
"ב-1939 כתב איינשטיין מכתב לנשיא ארה"ב תאודור רוזוולט, ובו הסביר שעל פי מחקרי המשך למשוואת E=MC^2, שפורסמו על ידי חוקרים גרמנים, ככל הנראה ניתן יהיה בקרוב לפרק יסודות גדולים כגון אורניום ולהפיק מהם אנרגיה רבה", מספר בנין. איינשטיין לא הסתפק בהעלאת המודעות של הנשיא ברמה התיאורטית או אפילו הטכנולוגית והוסיף כי ישנם מאגרי פלוטוניום, בעיקר בצ'כוסלובקיה, שהגרמנים יכולים להגיע אליהם, וגם בקונגו הבלגית, שרצוי שהאמריקאים יגיעו אליהם. איינשטיין והמדענים הנוספים שחתמו איתו על המכתב מביעים חשש מההשלכות האפשריות של טכנולוגיה כזאת, אך גם מבהירים שכדאי שהטכנולוגיה הזאת תהיה בידי ארה"ב אם ממילא תהיה גם בידי הגרמנים. שש שנים אחר כך, כבר הנחיתה ארה"ב את פצצת האטום הראשונה על יפן.
הזרעים להבנת תהליך הביקוע הגרעיני נזרעו בתורתו של איינשטיין. אף שהרעיון לתהליך עצמו פותח על ידי מדענים אחרים, היום מקובל להניח שלא היה ניתן לעשות זאת ללא אותה משוואה פשוטה של איינשטיין.
"מלבד פצצות האטום, הביקוע הגרעיני משמש גם בסיס לאנרגיה אטומית", אומר בנין. "בצרפת, למשל, 75% מהאנרגיה החשמלית מגיעים מהמקור הזה, שנחשב ידידותי לסביבה יותר מאשר שריפת פחם. היתרון הוא הפקה של אנרגיה רבה ממאסה נמוכה יחסית".
גם רפואה גרעינית, הכוללת הקרנות לטיפול בסרטן והדמיה על בסיס מיפוי גרעיני, מבוססת על תהליכי פירוק גרעיני. "התרומה של איינשטיין הייתה בנטיעת הרעיון", אומר בנין.
הזמן שלנו הוא לא הזמן של החלל
הגילוי של איינשטיין: תורת היחסות הכללית
היישומים: איכון מיקום מדויק
ניווט באמצעות GPS, כמו זה שיש באפליקציית Waze או בניווט בזמן אמת של גוגל, מבוסס על איכון מיקום של אדם ביחס למפה, על בסיס המרחק היחסי שלו מארבעה לוויינים הנמצאים בחלל. בכל רגע נתון מגיעים אותות לטלפון מהלווינים, ועל בסיס הזווית והמרחק היחסיים מכל לוויין, אפשר להבין היכן נמצא המכשיר, בדיוק רב.
לדברי גוטפרוינד, לא היינו יכולים להגיע לדיוק הזה לולא היינו מביאים בחשבון את הבדלי הזמן בין הטלפון שעל הארץ לבין הלוויין שנע בחלל.
תורת היחסות הכללית של איינשטיין גורסת שמאסה (למשל המאסה של כדור הארץ) גורמת לעיקום של המרחב הנמצא סביבה וגם לעיקום של הזמן. כלומר, אם אנחנו מדמיינים קו ישר מהלוויין לטלפון שלנו, אנחנו צריכים להביא בחשבון קו קצת עקום, משום שככל שמתקרבים לכדור הארץ, חל עיקום של המרחב סביבו.
לא רק זאת, אנחנו צריכים להביא בחשבון שהזמן בכדור הארץ זז קצת אחרת מהזמן בחלל. זה נשמע לא סביר, אבל התעלמות מכך תוביל למכשירי GPS לא מדויקים.
התיאוריה שבראה את הלייזר
הגילוי של איינשטיין: אפקט הפליטה המאולצת
היישומים: מחיתוך מתכות בלייזר ועד האינטרנט
אפקט הפליטה המאולצת, שאיינשטיין חזה באופן תיאורטי, אומר שכאשר מכניסים אנרגיית אור חדשה למערכת הנמצאת במצב מעורר, נפלטת ממנה אנרגיית אור זהה בצבע, בכיוון, בפאזה ובכל פרמטר אחר לאנרגיה שהוכנסה למערכת.
ההבנה הזאת מאפשרת ליצור מערכות אנרגיית אור שבהן אפשר לשלוט בדיוק בכמות, בצבע ובכיוון האור שנפלט, והרי לנו לייזר.
"רק זמן רב אחרי שאיינשטיין כתב את הרעיון הזה, הצליחו הפיזיקאים היישומיים להגיע אפילו קרוב לטכנולוגיית לייזר שבאמת עובדת באור נראה, אולם היום השימושים של לייזר מקיפים אותנו בכל מקום, כולל חיתוך מתכות, ניתוחי עיניים וניתוחים מדויקים אחרים. כיום משתמשים בלייזרים גם לתקשורת, כך שהם מאפשרים את האינטרנט".
כמה מכניס המותג אלברט איינשטיין לאוניברסיטה העברית
אלברט איינשטיין אמנם מעולם לא התגורר פרק זמן משמעותי בישראל, אולם הוא היה קשור למדינה בקשר חזק והיה שותף לייסוד האוניברסיטה העברית. במותו, הוריש לאוניברסיטה שני נכסים רבי ערך: ארכיון מסמכיו, הכולל את מכתביו, מאמריו ותמונותיו, והזכות לשימוש בקניין הרוחני שלו, הכולל את גילוייו (שאין עליהם פטנט) ואת המותג איינשטיין.
השבוע, לרגל ציון 140 שנה להולדתו של איינשטיין, חשפה האוניברסיטה מסמכים חדשים שנרכשו ממחזיקיהם בעולם ומעשירים את האוסף הקיים במידע נוסף שיהיה זמין לחוקרי ההיסטוריה של המדע.
המותג הוא סוגיה מעניינת יותר. לאיזו אוניברסיטה יש בעלות על מותג של סלב? לדברי ישי פרנקל, מנכ"ל האוניברסיטה העברית, המותג מנוהל אצל סוכן מותגים בחו"ל, ממש כמו המותגים אלביס פרסלי ומרילין מונרו, אבל האוניברסיטה מפעילה שיקול דעת רב בהחלטה כיצד להשתמש בו. המטרה היא לא בהכרח להרוויח, אלא לקדם את המדע ואת שם האוניברסיטה העברית ומדינת ישראל בעולם.
"נניח שמישהו רוצה לשווק מותג של משקה אנרגיה מעורר לסטודנטים תחת המותג איינשטיין, הוא אמור לשלם סכום מסוים לאוניברסיטה, וזה אכן קורה בפועל", אומר פרנקל. "לא כולם שומרי חוק, אבל המותג בייבי איינשטיין, מותג הקלטות החינוכיות לתינוקות, אכן יצא בתיאום איתנו ושילם לנו תמלוגים מהיום הראשון".
מוצרים נוספים שקיבלו אישור בתשלום הם בית ספר פרטי למדעים ומתימטיקה בהודו וסדרת ספרי הרפתקאות מדע לנוער בשם Max Einstein, שמשתמשת בדמותו בעלילה. בדף הספרים באמזון נכתב בבולטות כי "זהו הספר העלילתי היחיד לנוער שאושר רשמית על ידי ארכיון אלברט איינשטיין" (אם כי לא מצוין במקרה הזה, היכן הארכיון נמצא).
האם מדובר בהכנסה משמעותית?
"התשלום משתנה מעסקה לעסקה ויוצר הכנסה של כמה מיליוני שקלים בשנה לאוניברסיטה, אבל המטרה העיקרית היא לאו דווקא מקסום הרווח, אלא לוודא שהשימוש מכבד את המורשת של איינשטיין. לדוגמה, אם מישהו רוצה להשתמש במותג למשקה אלכוהולי או למוצר שיש בו משהו פוגעני, לא ניתן את האישור".
וכבר קרה שסירבתם לבקשה להשתמש במותג על רקע חוסר התאמה או חוסר כבוד למורשת?
"חברת ביגוד שתמכה ב-BDS קיבלה תשובה שלילית. לעומת זאת אוניברסיטה שביקשה לקרוא לבית הספר לרפואה שלה על שם איינשטיין קיבלה אישור לעשות זאת ללא תשלום. איינשטיין מזוהה עם שלום, מדע וישראל, ואלה הערכים שאנחנו רוצים לשמר".
במזרח הרחוק לאיינשטיין מעמד מיתי. "כשאנחנו מגייסים סטודנטים זרים אנחנו בהחלט משתמשים בזה. בשנה הבאה אנחנו מתכננים תערוכה נודדת של כתביו בסין, ואנחנו רואים את ההשפעה של פעילות כזו על המותג של האוניברסיטה העברית ועל המעמד של ישראל בעולם. זו בעצם הייתה גם המטרה המוצהרת של איינשטיין כשהוריש לאוניברסיטה את הזכות להשתמש בשמו ובמורשתו".