¿Por qué ayudó Einstein en el desarrollo de la teoría cuántica si no estaba de acuerdo con ella?

Question

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Leí el libro "Una breve historia del tiempo" de Stephan Hawking. Afirma que Einstein ayudó a científicos como Pauli, etc. en el desarrollo de la teoría cuántica e incluso compartió el Premio Nobel con ellos por sus contribuciones, pero hasta el día de su muerte, no estaba de acuerdo con la teoría. Incluso hizo la cita:

Yo, por mi parte, no creo que Él juegue a los dados.

Si estaba tan en contra de la teoría, cuando ¿Entonces ayudó en su desarrollo?

Answer 1

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Einstein hizo una serie de contribuciones de trascendental importancia a la teoría cuántica en los "primeros días". En 1905, su famoso annus mirabilis , publicó un artículo sobre el efecto fotoeléctrico que sentó las bases para la comprensión moderna de los fotones (es decir, paquetes de ondas cuantificados).

Esto fue veinte años antes de que los fundamentos de la mecánica cuántica fueran formulados correctamente por Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born, etc. En ese momento, las implicaciones del trabajo de Einstein no estaban del todo claras para él, ni para nadie más. para esa materia. Otra contribución importante se produjo en 1924, cuando Einstein se aseguró de que el trabajo de Bose sobre lo que más tarde se conocería como estadísticas de Bose-Einstein se publicara en una revista convencional. En ese momento, sin embargo, Einstein ya se preocupaba mucho por los fundamentos de la mecánica cuántica y la falta de determinación completa que nos presenta.

Después de eso, Einstein no hizo mucho constructivo Trabajar en mecánica cuántica, pero su crítica continua fue importante para obligar a los proponentes de la mecánica cuántica a dar forma a sus ideas y considerar cómo se aplican en situaciones complicadas. El ejemplo más famoso de que esto ocurre es la Quinta Conferencia de Solvay en 1927, cuando Einstein se enfrentó cara a cara con Niels Bohr, proponiendo una serie de `` inconsistencias '' del principio de Heisenberg, y Bohr propuso una refutación una y otra vez.

No daré una descripción seria del trabajo posterior de Einstein sobre la paradoja de EPR; Creo que la respuesta de Logan Maingi ya aborda esto suficientemente. En conclusión, me gustaría señalar que la mayor parte del trabajo constructivo de Einstein sobre la teoría cuántica se realizó antes de que la teoría fuera bien comprendida, pero su importancia para agudizar las mentes de los inventores de la mecánica cuántica no puede ser subestimado. No creo que sea justo decir que Einstein estaba en contra la teoría cuántica: simplemente pensó que no era la teoría final.

Answer 2

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No es cierto que Einstein rechazara la mecánica cuántica por completo. Reconoció que proporcionaba predicciones numéricamente precisas en una amplia variedad de casos, al igual que cualquier físico competente en 1935. En ese año, introdujo la paradoja EPR, que muestra que la mecánica cuántica no respeta la localidad. en relatividad especial. En particular, si se considera un estado entrelazado de dos espines con separación espacial y se mide el giro de uno de ellos, el estado del otro debe cambiar inmediatamente para adaptarse a la medición del primero. Consideraba que este tipo de acción más rápida que la luz a distancia estaba en desacuerdo con cualquier "definición razonable de la naturaleza de la realidad". Esta fue su mejor objeción a la mecánica cuántica tal como se interpretó en ese momento. Por supuesto, Einstein también hizo algunos trabajos iniciales sobre la mecánica cuántica antes de que estos problemas fueran evidentes para él.

Por lo tanto, Einstein eligió rechazar la mecánica cuántica por completo, sino su interpretación convencional. Estaba a favor de una teoría en la que se determinaban todas las medidas físicas, pero no todas podían medirse. Esta sería la llamada teoría de variables ocultas, argumentando que la mecánica cuántica no es completa y que existen grados locales adicionales de libertad que darían una teoría que era esencialmente clásica. Sin embargo, estas "variables ocultas" adicionales no podían esperar ser medidas en la práctica, por lo que lo que terminamos viendo es la mecánica cuántica. Esta posición filosófica a veces se conoce como "realismo local".

El realismo local, si bien no es necesario para explicar ninguna medición física, estuvo en buena posición experimental hasta 1964. Hasta ese momento, la opinión predominante era que cualquier teoría de la mecánica cuántica podría convertirse en una teoría de variable oculta local, aunque no uno sabía exactamente cómo. En ese año, Bell derivó sus ahora famosas desigualdades que muestran que la mecánica cuántica predice correlaciones más pequeñas entre ciertas medidas de las que podría acomodar cualquier teoría clásica de variables ocultas. Esto dio lugar a mediciones reales que demostraron definitivamente que las variables ocultas locales no son lo que tenemos en la naturaleza. En ese momento, uno tenía que conformarse con variables ocultas no locales, que no habrían satisfecho mucho a Einstein, o simplemente con la mecánica cuántica. Sin embargo, Einstein no vivió lo suficiente para tener que tomar esa decisión, ya que murió en 1955.

Entonces, no fue tanto que Einstein creyera que la mecánica cuántica era incorrecta. Más bien, pensó que estaba incompleto. Sus frustraciones posteriores fueron más que nadie había logrado averiguar cómo realizarlo con variables ocultas (y pocas personas lo intentaban). Cuando dijo cosas como "Dios no juega a los dados" y cosas por el estilo, no estaba diciendo que la mecánica cuántica estuviera mal, sino incompleta, y estaba molesto porque nadie estaba haciendo lo que él pensaba que era necesario para completarlo. . A través del lente de la historia, podemos ver que estaba equivocado, pero en ese momento, esta era una postura aparentemente razonable.

Answer 3

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Un poco más sobre las contribuciones indirectas de Einstein a la teoría cuántica.

En el ensayo autobiográfico de Heisenberg "Teoría, crítica y filosofía", en la sección "Einstein sobre teoría y observación", Heisenberg relata una conversación que Tuve con Einstein poco después de que Heisenberg propusiera su versión de QM (llamada mecánica matricial).

Einstein me pidió que fuera a su piso y discutiera el asunto con él. Lo primero que me preguntó fue: "¿Cuál era la filosofía subyacente a tu tipo de teoría tan extraña? La teoría se ve bastante bien, pero ¿qué quisiste decir con solo cantidades observables?"

Aquí Einstein alude a la afirmación de Heisenberg de que la física debería ocuparse únicamente de cantidades observables; esto justificó descartar la idea de trayectorias de electrones. Heisenberg respondió:

Sentí que uno debería volver a esas cantidades que realmente se pueden observar y también sentí que este era precisamente el tipo de filosofía que había usado en la relatividad; porque también había abandonado el tiempo absoluto ... Bueno, se rió de mí y luego dijo: "Pero debes darte cuenta de que está completamente mal". Le respondí: "¿Pero por qué, no es cierto que ha utilizado esta filosofía?" "Oh, sí", dijo, "puede que lo haya usado, ¡pero aún así es una tontería!"

Einstein me explicó que en realidad es al revés. Dijo: "Si puedes observar una cosa o no depende de la teoría que uses. Es la teoría la que decide lo que se puede observar.

Heisenberg explica que esta conversación lo puso en el tren de pensamiento que culminó en su Principio de incertidumbre.

Volviendo a Schrödinger, en una nota al pie de su artículo "Sobre la relación de la mecánica cuántica de Heisenberg-Born-Jordan con la mía", escribió:

Mi teoría se inspiró en L. de Broglie y en breves pero infinitamente perspicaces observaciones de A. Einstein (Berl. Ber. 1925, p.9ff)

Creo que el documento citado es el segundo de Einstein sobre estadísticas de Bose-Einstein.

Answer 4

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Si bien las respuestas proporcionadas hasta ahora son buenas, sus autores olvidan mencionar cuál es el punto de partida del desacuerdo de Einstein con la mecánica cuántica: la interpretación de Copenhague. Esta (hasta la fecha) interpretación más difundida de la mecánica cuántica establece que las cantidades observables no tienen un valor específico antes de una medición, después de lo cual el estado cuántico del sistema colapsa aleatoriamente en uno de los posibles estados propios de medición. Es esta aleatoriedad inherente lo que molestaba a Einstein (y no solo a él, otro ejemplo famoso es el gato de Schroedinger que está muerto y vivo al mismo tiempo hasta que uno mide su estado). Esto también da lugar a los efectos superluminales en la paradoja EPR y llevó a la cita sobre Dios no juega a los dados.

La principal contribución de Einstein a la física cuántica: la explicación del efecto fotoeléctrico es aproximadamente 20 años más antigua que la interpretación de Copenhague y fue formulada en los primeros años de la mecánica cuántica. La paradoja EPR, por otro lado, es más antigua que la interpretación de Copenhague y fue diseñada principalmente para mostrar su aparente inconsistencia. Por lo tanto, no hay ninguna inconsistencia en que Einstein ayude a desarrollar una teoría con la que no estaba de acuerdo.

Answer 5

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1. Su Ley del Efecto Fotoeléctrico (un nombre inapropiado; REALMENTE debería llamarse Cuantización del Campo de Radiación).

2. Su artículo sobre el calor específico de los sólidos (1906)

3. Su artículo sobre vibraciones cuánticas (1907) ... Eso sí, era el ÚNICO físico del mundo que trabajaba seriamente en la teoría cuántica, incluso Bohr pensó que su idea de la energía cuantificada (es decir, los fotones) era tonta, dado que grandes pensadores como Poissant y Maxwell habían "probado" que la luz era una onda. Ningún científico notable creyó en el artículo de Einstein de 1905 hasta al menos la Primera Conferencia Solvay de 1911, e incluso entonces la gran mayoría eran 'escépticos cuánticos'.

4.In 1909 Einstein fue el primero en demostrar que las fluctuaciones estadísticas en los campos de radiación térmica muestran un comportamiento tanto de partículas como de ondas; Esta fue la primera demostración de lo que luego se convertiría en el principio de complementariedad.

5. 1916/1917 marca el artículo más subestimado de Einstein. Después de terminar su obra maestra, Relatividad general, se dedicó a la interacción de la materia y la radiación para crear una teoría cuántica de la radiación. Una vez más basó sus argumentos en estadísticas y fluctuaciones. Bohr introdujo un nuevo concepto crucial llamado estados estacionarios en su artículo de 1913 sobre el hidrógeno, pero las principales características del modelo de Bohr podrían interpretarse como una tontería absoluta porque, según la teoría electromagnética, el electrón irradiaría intensamente, emitiendo un amplio espectro al chocar contra el núcleo. . Aquí vemos contradicciones en las leyes clásicas y, sin embargo, las principales propiedades del modelo de hidrógeno de Bohr se basaron en esas leyes.

Einstein, siempre el pensador original, no tomó como punto de partida el conocido campo de radiación térmica dado por la ley de radiación de Planck. En cambio, asumió que los átomos están en equilibrio térmico y luego dedujo las propiedades del campo de radiación necesarias para mantener el equilibrio. ¿Adivina qué? El campo resultó estar dado precisamente por la ley de radiación de Planck. Se las arregla para crear efectos cuánticos (emisión estimulada y espontánea) a partir de la mayoría de los principios clásicos. Utiliza la ley de desplazamiento de Wien, la distribución canónica de Boltzmann, el teorema de Poynting y la reversibilidad microscópica, todo clásico. La única idea cuántica era el concepto de estados estacionarios. Y, sin embargo, a partir de estos elementos, es el primero en crear una descripción completa de los procesos básicos de radiación y una descripción completa de las propiedades generales del fotón. En su artículo de 1917, crea nuevas y elegantes derivaciones de la ley de radiación de Planck, así como una prueba de la regla de frecuencia de Bohr. En él, entre muchas otras cosas, responde a la pregunta de cómo un gas de átomos mantiene las poblaciones de sus estados estacionarios en equilibrio con un campo de radiación.

El concepto novedoso antes mencionado de emisión espontánea, que encarna la interacción FUNDAMENTAL de la materia con el vacío, es un logro brillante y digno de un premio Nobel. ¿Por qué? La emisión espontánea establece la escala para TODAS las interacciones radiativas. Las tasas de absorción y emisión estimulada, por ejemplo, son proporcionales a la tasa de emisión espontánea. La emisión espontánea puede verse como el último proceso irreversible y la fuente fundamental de ruido en toda la naturaleza. Con el desarrollo de la electrodinámica cuántica de cavidades, el estudio de sistemas atómicos en cavidades cercanas a las ideales, en la década de 1980, la situación física se alteró profundamente. En tales cavidades, la emisión espontánea evoluciona hacia oscilaciones de cavidad espontánea. Aunque el comportamiento dinámico está totalmente alterado, la interacción átomo-vacío que causa la emisión espontánea establece la escala de tiempo para esa evolución. Es el primer artículo de Einstein de 1917 que se demuestra que el fotón posee todas las propiedades de una excitación fundamental y, por lo tanto, está bastante claro que su artículo sobre radiación jugó un papel fundamental en la eventual creación de la electrodinámica cuántica.

A propósito de la segunda creación brillante de su artículo de 1917, emisión estimulada de radiación, vemos la primera génesis del láser. La emisión estimulada subyace al mecanismo básico del láser y, por extensión, al enfriamiento del láser; Este análisis de la transferencia de momento en un campo de radiación térmica se puede aplicar inmediatamente al movimiento atómico en un campo láser. Si el ancho espectral de un campo térmico se reemplaza por el ancho de línea natural del átomo, la fuerza de amortiguación viscosa de Einstein daría lugar al fenómeno conocido como melaza óptica. Este proceso fundamental de enfriamiento por láser fue redescubierto por la comunidad atómica en los años 80. Por supuesto, necesita la Mecánica Cuántica para una comprensión completa de todos los mecanismos de radiación, pero artículos como este son contribuciones fundamentales a lo que eventualmente se convertiría en QM.

La teoría de la radiación de Einstein proporcionó una caracterización completa de las propiedades de partículas del cuanto de luz y, en retrospectiva, estaba al alcance de la mano para desarrollar la mecánica estadística de estas partículas. Dado que su propuesta de 1905 para la cuantificación de la energía de la radiación se basaba en la analogía entre las entropías de la radiación térmica y un sistema de partículas, es sorprendente que Einstein no extendiera su método de razonamiento para derivar la ley de Planck al tratar los fotones como indistinguibles. partículas. Estuvo MUY cercano, y es bastante evidente que el propio Bose no se dio cuenta de que había hecho nada nuevo.

6. Sobre la cuantización del caos (1919): En En este sentido, Einstein fue el primero en señalar los problemas fundamentales que surgen cuando se aplica la teoría del caos clásica a los estados cuánticos (un artículo 50 años adelantado a su tiempo, ya que este es un problema que recién ahora hemos comenzado a comprender completamente): http://boulderschool.yale.edu/sites/default/files/files/Einstein_chaos.pdf

7. Avance rápido hasta 1924 y Einstein, no Bose, aplicó el razonamiento en el tratamiento de Bose de los fotones como partícula indistinguible de un gas de átomos indistinguibles, creando así las estadísticas de Bose-Einstein y, más tarde, la condensación de Bose-Einstein. Posteriormente, Einstein teorizó la condensación de Bose-Einstein, un trabajo por el que se han otorgado 6 premios Nobel. Einstein estaba al 45% del camino hacia la ecuación de Schrodinger. Fue solo después de que Schrodinger leyó el artículo de Einstein que derivó sus ecuaciones que gobiernan la función de onda.

8. Einstein fue el primero en concebir los campos fantasma como densidades de probabilidad, un concepto que aplicó a un gas de fotones (es decir, ondas de probabilidad). Max Born esencialmente tomó la idea textualmente y la aplicó a los electrones. Born siempre reconoció esto.

9. EPR Paradox Paper: el primer artículo que muestra cómo el entrelazamiento cuántico surge de las ecuaciones de QM.

* El trabajo de Einstein sobre la dualidad onda-partícula condujo directamente a la tesis de De Broglie sobre las ondas de materia, y parece poco probable que De Broglie la hubiera concebido sin Einstein.

Einstein es prácticamente el padre de la teoría cuántica temprana y es uno de los cofundadores de la mecánica cuántica moderna. Los tres principales sistemas estadísticos que gobiernan el ámbito microscópico son: Estadísticas de Fermi-Dirac, Estadísticas de Einstein-Bose y Estadísticas de Boltzmann. Con razón, sería considerado como una leyenda por su trabajo solo en BEC y, sin embargo, contribuyó enormemente a la Mecánica Cuántica. Por favor, consulte su artículo sobre la cuantificación del caos, es absolutamente brillante y muestra cuán indispensable fue su pensamiento para el desarrollo de QM.