As 1905 dawned, the soon-to-be 26-year-old Albert Einstein faced life as a failed academic. Most physicists of the time would have scoffed at the idea that this minor civil servant could have much to contribute to science. Yet within the following year, Einstein would publish not one, not two, not three, but four extraordinary papers, each on a different topic, that were destined to radically transform our understanding of the universe.
เมื่อต้นปี ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในวัยใกล้จะครบ 26 ปี ถูกมองว่าเป็นนักวิชาการตกอับ นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ในเวลานั้น คงหัวเราะเยาะถ้ามีใครบอกว่า ข้าราชการชั้นผู้น้อยคนนี้อาจทำประโยชน์ อย่างใหญ่หลวงให้แก่วงการวิทยาศาสตร์ กระนั้น ในปีต่อมา ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์ผลงาน ไม่เพียงแค่ หนึ่ง ไม่ใช่ สอง ไม่ใช่ สาม แต่เป็นผลงานถึงสี่เรื่องที่ยอดเยี่ยม ในหัวข้อที่แตกต่างกันไป ที่จะพลิกโฉมความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเอกภพ
The myth that Einstein had failed math is just that. He had mastered calculus on his own by the age of 15 and done well at both his Munich secondary school and at the Swiss Polytechnic, where he studied for a math and physics teaching diploma. But skipping classes to spend more time in the lab and neglecting to show proper deference to his professors had derailed his intended career path. Passed over even for a lab assistant position, he had to settle for a job at the Swiss patent office, obtained with the help of a friend's father.
เรื่องเล่าที่ว่าไอน์สไตน์ตกเลขนั้น เป็นแค่ข่าวลือ เขาศึกษาแคลคูลัส (Calculus) ด้วยตนเอง จนเชี่ยวชาญ เมื่ออายุ 15 ปี และมีผลการเรียนดี ทั้งที่โรงเรียนมัธยมในมิวนิค และที่สถาบันเทคโนโลยีสวิสเซอร์แลนด์ ที่ซึ่งเขาได้ศึกษาเพื่อเป็น อาจารย์สาขาคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ แต่เนื่องจากไม่ค่อยได้เข้าชั้นเรียน เพราะไปหมกตัวอยู่ในห้องทดลอง แถมยังไม่เคารพเชื่อฟังอาจารย์ของเขา ทำให้เส้นทางการเป็นอาจารย์ของเขา ไม่เป็นอย่างที่หวัง ถูกปฏิเสธแม้กระทั่ง ตำแหน่งผู้ช่วยในห้องแลป เขาจึงต้องไปทำงาน ที่สำนักงานสิทธิบัตรในสวิตเซอร์แลนด์ ด้วยความช่วยเหลือจาก เพื่อนของพ่อ
Working six days a week as a patent clerk, Einstein still managed to make some time for physics, discussing the latest work with a few close friends, and publishing a couple of minor papers. It came as a major surprise when in March 1905 he submitted a paper with a shocking hypothesis. Despite decades of evidence that light was a wave, Einstein proposed that it could, in fact, be a particle, showing that mysterious phenomena, such as the photoelectric effect, could be explained by his hypothesis. The idea was derided for years to come, but Einstein was simply twenty years ahead of his time. Wave-particle duality was slated to become a cornerstone of the quantum revolution.
ทำงาน 6 วันต่อสัปดาห์ ในตำแหน่ง พนักงานตรวจสอบสิทธิบัตร เขายังคงแบ่งเวลาส่วนหนึ่งให้กับฟิสิกส์ อภิปรายถึงงานวิจัยใหม่ๆ ร่วมกับเพื่อนสนิทกลุ่มเล็กๆ และได้ตีพิมพ์ผลงานเล็กๆ 2-3 เรื่อง และแล้วเป็นที่น่าประหลาดใจ ที่ในเดือนมีนาคม ปีค.ศ.1905 เขาก็ได้ตีพิมพ์ผลงาน เสนอทฤษฎีที่น่าตกตะลึง แม้จะมีหลักฐานยึนยันว่าแสงเป็นคลื่น มาหลายทศวรรษแล้ว ไอน์สไตน์กลับเสนอว่า แสงอาจเป็นอนุภาค โดยแสดงว่าปรากฎการณ์ที่ยังไม่มีคำอธิบาย เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีของเขา แนวคิดของเขาเป็นเรื่องน่าหัวร่อไปอีกหลายปี แต่ไอน์สไตน์ก็แค่ล้ำหน้ากว่าคนอื่นๆ ไปยี่สิบปี ทวิภาคของคลื่นและอนุภาคได้กลายเป็นหลักสำคัญ ของศาสตร์แขนงใหม่เรื่องกลศาสตร์ควอนตัม
Two months later in May, Einstein submitted a second paper, this time tackling the centuries old question of whether atoms actually exist. Though certain theories were built on the idea of invisible atoms, some prominent scientists still believed them to be a useful fiction, rather than actual physical objects. But Einstein used an ingenious argument, showing that the behavior of small particles randomly moving around in a liquid, known as Brownian motion, could be precisely predicted by the collisions of millions of invisible atoms. Experiments soon confirmed Einstein's model, and atomic skeptics threw in the towel.
สองเดือนต่อมา ในเดือนพฤษภาคม ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์ผลงานชิ้นที่ 2 บทความนี้เกี่ยวกับคำถามเก่าแก่ที่ว่า อะตอมมีจริงหรือไม่ แม้ว่าหลายทฤษฎีจะถูกสร้างขึ้นโดยอาศัย แนวคิดที่ว่ามีอะตอมที่มองไม่เห็นอยู่ นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังบางคนยังคงเชื่อว่า มันเป็นสิ่งที่จินตนาการขึ้นมา มากกว่าจะเป็นสิ่งที่มีตัวตนอยู่จริงๆ แต่ไอน์สไตน์ได้ใช้ข้อพิสูจน์อันหลักแหลม แสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมของอนุภาคขนาดเล็ก ที่เคลื่อนที่ในของเหลวอย่างไม่เป็นระเบียบ ที่เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน นั้นสามารถทำนายได้อย่างแม่นยำ โดยเกิดจากการชนกันของอะตอม ที่มองไม่เห็นนับไม่ถ้วน การทดลองในภายหลังได้พิสูจน์ยืนยัน แบบจำลองของไอน์สไตน์ และข้อกังขาเกี่ยวกับการมีอยู่ของอะตอม ก็สิ้นสุดลง
The third paper came in June. For a long time, Einstein had been troubled by an inconsistency between two fundamental principles of physics. The well established principle of relativity, going all the way back to Galileo, stated that absolute motion could not be defined. Yet electromagnetic theory, also well established, asserted that absolute motion did exist. The discrepancy, and his inability to resolve it, left Einstein in what he described as a state of psychic tension. But one day in May, after he had mulled over the puzzle with his friend Michele Besso, the clouds parted. Einstein realized that the contradiction could be resolved if it was the speed of light that remained constant, regardless of reference frame, while both time and space were relative to the observer. It took Einstein only a few weeks to work out the details and formulate what came to be known as special relativity. The theory not only shattered our previous understanding of reality but would also pave the way for technologies, ranging from particle accelerators, to the global positioning system.
ผลงานชิ้นที่สามออกมาในเดือนมิถุนายน นานมาแล้ว ที่ไอน์สไตน์มีปัญหาเรื่อง ความไม่สอดคล้องกัน ของหลักฟิสิกส์พื้นฐานสองเรื่อง หนึ่งคือ หลักสัมพันธภาพ (Principle of relativity) ที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางมา ตั้งแต่ยุคกาลิเลโอ ที่กล่าวว่า การเคลื่อนที่สัมบูรณ์ ไม่สามารถนิยามได้ และแต่ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเช่นกัน กลับยืนยันว่า การเคลื่อนที่สัมบูรณ์มีอยู่จริง ความขัดแย้งที่ว่านี้ และการที่เขาไม่สามารถที่จะไขความกระจ่าง ทำให้ไอน์สไตน์ตกอยู่ในภาวะที่เขาเรียกว่า ภาวะความตึงเครียดทางจิตใจ แต่วันหนึ่งในเดือนพฤษภาคม หลังจากที่เขาขบคิดถึงปัญหานี้ กับเพื่อนชื่อ มิเชล เบส์โซ เมฆหมอกบังตาก็หายไป ไอน์สไตน์ตระหนักว่า ความขัดแย้งกันนี้สามารถจัดการได้ ถ้าความเร็วแสงนั้นคงที่ตลอดเวลา ไม่ว่าจะอยู่ในกรอบอ้างอิงใด ขณะที่เวลาและพื้นที่นั้นสัมพัทธ์กับผู้สังเกต ไอน์สไตน์ใช้เวลาเพียงไม่กีสัปดาห์จากนั้น แต่งเติมรายละเอียด และคิดค้นสิ่งที่ต่อมารู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special relativity) ทฤษฎีนี้ไม่เพียงเปลี่ยนความเข้าใจของเรา ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับความเป็นจริง แต่ยังนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ตั้งแต่เครื่องเร่งอนุภาค ไปจนถึง ระบบกำหนดตำแหน่งบนโลก (Global positioning system)
One might think that this was enough, but in September, a fourth paper arrived as a "by the way" follow-up to the special relativity paper. Einstein had thought a little bit more about his theory, and realized it also implied that mass and energy, one apparently solid and the other supposedly ethereal, were actually equivalent. And their relationship could be expressed in what was to become the most famous and consequential equation in history: E=mc^2.
บางคนอาจคิดว่าผลงานเท่านี้น่าจะเพียงพอแล้ว แต่ในเดือนกันยายน งานตีพิมพ์ชิ้นที่ 4 ได้ออกมา ในฐานะภาคต่อของทฤษฎีสัมพันธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์ได้คิดต่อยอดจากทฤษฎีของเขา และได้ตระหนักว่า มันยังบ่งบอกถึงสสารและพลังงาน ซึ่งอันหนึ่งมีตัวตน และอีกอันไม่มีตัวตน ว่าจริงๆ แล้วเป็นอันเดียวกัน ความสัมพันธ์ของมันสามารถแสดงออกมาได้เป็น สมการอันโด่งดังในตำนาน E=mc^2
Einstein would not become a world famous icon for nearly another fifteen years. It was only after his later general theory of relativity was confirmed in 1919 by measuring the bending of starlight during a solar eclipse that the press would turn him into a celebrity. But even if he had disappeared back into the patent office and accomplished nothing else after 1905, those four papers of his miracle year would have remained the gold standard of startling unexpected genius.
ไอน์สไตน์ยังคงไม่เป็นที่รู้จักมากนัก จนกระทั่งอีก 15 ปีถัดมา ในตอนที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ได้รับการพิสูจน์ในปีค.ศ. 1919 โดยการวัดว่าแสงมีการโค้งเบน ขณะเกิดสุริยุปราคา ซึ่งสื่อได้ทำให้เขากลายเป็นคนดัง แต่ต่อให้เขากลับไปหมกตัวทำงาน ที่สำนักงานสิทธิบัตร และไม่ได้สร้างผลงานอะไรออกมาอีกเลย นับจากปีค.ศ. 1905 เป็นต้นมา งานตีพิมพ์ทั้งสี่ในปีมหัศจรรย์ของเขา ก็ยังคงเป็นสิ่งที่แสดงถึง อัจฉริยภาพที่น่าทึ่งของเขาอยู่ดี