Questão:
Por que Einstein ajudou no desenvolvimento da teoria quântica se ele não concordou com ela?
user3459110
2014-10-29 11:08:57 UTC
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Eu li o livro "Uma Breve História do Tempo" de Stephan Hawking. Afirma que Einstein ajudou cientistas como Pauli etc. no desenvolvimento da teoria quântica e até compartilhou o Prêmio Nobel com eles por suas contribuições, mas até o dia de sua morte, não concordou com a teoria. Ele até fez a citação:

Eu, por exemplo, não acredito que Ele jogue dados.

Se ele foi tão contra a teoria, quando então ele ajudou no seu desenvolvimento?

Leia minha resposta. Sua citação "Ele não joga dados" foi tirada do contexto. Ele estava respondendo à Interpretação de Copenhagen de QM e à noção, então acreditada, de que o observador afeta o colapso da função de onda. Sabemos que isso é falso; entretanto, quando Einstein estava vivo, essa era uma crença comum (promovida pelo próprio Bohr).
Ajudar a desenvolver, cientificamente falando, inclui fazer o seu melhor para abrir buracos em uma teoria e forçar a teoria a se desenvolver mais em resposta e, assim, fortalecer a teoria. Fortalecer aqui significa fazer com que a teoria seja capaz de explicar ou levar em consideração o que parecem ser inconsistências.
Cinco respostas:
#1
+14
Danu
2014-10-29 13:02:55 UTC
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Einstein fez uma série de contribuições de grande importância para a teoria quântica nos 'primeiros dias'. Em 1905, seu famoso annus mirabilis , ele publicou um artigo sobre o efeito fotoelétrico que lançou a base para a compreensão moderna dos fótons (ou seja, pacotes de ondas quantizados).

Isso foi vinte anos antes que os fundamentos da mecânica quântica fossem devidamente formulados por Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born, etc. Naquela época, as implicações do trabalho de Einstein não eram muito claras para ele ou para qualquer outra pessoa para esse assunto. Outra contribuição importante veio em 1924, quando Einstein garantiu que o trabalho de Bose sobre o que mais tarde ficou conhecido como estatísticas de Bose-Einstein fosse publicado em um jornal de grande circulação. Naquela época, entretanto, Einstein já se preocupava muito com os fundamentos da mecânica quântica e a falta de determinação completa que ela nos apresenta.

Depois disso, Einstein não fez muito construtivo trabalhar na mecânica quântica, mas sua crítica contínua foi importante para forçar os proponentes da mecânica quântica a dar forma às suas idéias e considerar como se aplicam em situações complicadas. O exemplo mais famoso disso ocorrendo é a Quinta Conferência Solvay em 1927, quando Einstein enfrentou Niels Bohr, propondo uma série de "inconsistências" do princípio de Heisenberg, com Bohr chegando a uma refutação repetidas vezes.

Não vou dar um relato sério do trabalho posterior de Einstein sobre o paradoxo EPR; Acho que a resposta de Logan Maingi já aborda isso suficientemente. Para concluir, gostaria de salientar que a maior parte do trabalho construtivo de Einstein sobre a teoria quântica foi feita antes que a teoria fosse bem compreendida, mas sua importância em aguçar as mentes dos inventores da mecânica quântica não pode ser subestimado. Não acho que seja justo dizer que Einstein era contra a teoria quântica: ele simplesmente pensava que não era a teoria final.

Duas outras contribuições do Einstein devem ser mencionadas. Ele deu uma derivação nova e excepcionalmente clara da lei de radiação de corpo negro de Planck, usando os chamados coeficientes A e B. Além disso, tanto Heisenberg quanto Schrödinger creditaram as conversas com Einstein como tendo uma influência decisiva em ajudá-los a formular suas versões da mecânica quântica. Schrödinger referiu-se às "observações curtas, mas infinitamente perspicazes" de Einstein. Heisenberg relatou uma conversa em que Einstein observou que é a teoria de alguém que diz o que é, em princípio, observável, e não o contrário.
#2
+11
Logan M
2014-10-29 12:56:45 UTC
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Não é verdade que Einstein rejeitou a mecânica quântica completamente. Ele reconheceu que dava previsões numericamente precisas em uma ampla variedade de casos, assim como qualquer físico competente em 1935. Naquele ano, ele introduziu o paradoxo EPR, que mostra que a mecânica quântica não respeita a localidade na relatividade especial. Em particular, se alguém considera um estado emaranhado de dois spins na separação espacial e mede o spin de um deles, o estado do outro deve mudar imediatamente a fim de acomodar a medição do primeiro. Ele considerou esse tipo de ação mais rápida que a luz à distância em desacordo com qualquer "definição razoável da natureza da realidade". Esta foi sua melhor objeção à mecânica quântica como era interpretada na época. É claro que Einstein também fez alguns trabalhos iniciais sobre a mecânica quântica antes que essas questões fossem aparentes para ele.

Assim, Einstein optou por rejeitar não a mecânica quântica completamente, mas sua interpretação convencional. Ele defendia uma teoria em que todas as medidas físicas eram determinadas, mas nem todas podiam ser medidas. Esta seria a chamada teoria das variáveis ​​ocultas, argumentando que a mecânica quântica não estava completa e que existem graus locais adicionais de liberdade que dariam uma teoria que era essencialmente clássica. No entanto, essas "variáveis ​​ocultas" adicionais não poderiam ser medidas na prática e, portanto, a mecânica quântica é o que acabamos vendo. Essa posição filosófica às vezes é conhecida como "realismo local".

O realismo local, embora não seja necessário para explicar qualquer medição física, ainda estava em boa posição experimental até 1964. Até aquele ponto, a visão predominante era que qualquer teoria da mecânica quântica poderia ser transformada em uma teoria de variável oculta local, embora não um sabia exatamente como. Naquele ano, Bell derivou suas agora famosas desigualdades, mostrando que a mecânica quântica prevê correlações menores entre certas medições do que jamais poderia ser acomodado por qualquer teoria clássica de variável oculta. Isso deu origem a medidas reais que mostraram definitivamente que as variáveis ​​ocultas locais não são o que temos na natureza. Nesse ponto, era preciso se contentar com variáveis ​​ocultas não locais, que não teriam satisfeito muito Einstein, ou apenas com a mecânica quântica. Einstein não viveu o suficiente para ter que tomar essa decisão, pois morreu em 1955.

Então, não foi tanto que Einstein acreditou que a mecânica quântica estava incorreta. Em vez disso, ele pensou que estava incompleto. Suas frustrações posteriores com ele foram mais porque ninguém havia conseguido descobrir como realizá-lo com variáveis ​​ocultas (e poucas pessoas estavam tentando). Quando ele disse coisas como "Deus não joga dados" e coisas do gênero, ele não estava dizendo que a mecânica quântica estava errada, tanto quanto incompleta, e ficou chateado por ninguém estar fazendo o que ele achava necessário para completá-la . Pelas lentes da história, podemos ver que ele estava errado, mas na época essa era uma postura aparentemente razoável de se adotar.

Esta foi uma resposta interessante. Eu diria que você tem um profundo conhecimento do EPR. Acho frustrante que as pessoas não entendam o argumento claramente, veja minha pergunta aqui, que é mais um comentário do que uma pergunta: http://physics.stackexchange.com/questions/114651/what-are-the-implications teorema-dos-sinos
Por que as pessoas escrevem sobre "variáveis ​​ocultas locais", quando o argumento é claro e simples: ou as propriedades medidas são pré-determinadas ou há uma "ação fantasmagórica à distância", como observou Einstein. Bell mostrou que propriedades pré-determinadas não funcionam. Você parece entender esse argumento muito claramente. No entanto, devo perguntar: você não acha que isso está em desacordo com a relatividade especial?
#3
+5
Michael Weiss
2014-10-30 20:59:20 UTC
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Um pouco mais sobre as contribuições indiretas de Einstein para a teoria quântica.

No ensaio autobiográfico de Heisenberg "Teoria, crítica e filosofia", na seção "Einstein sobre teoria e observação", Heisenberg relata uma conversa que teve com Einstein logo após Heisenberg ter proposto sua versão de QM (chamada de mecânica de matriz).

Einstein me pediu para ir ao seu apartamento e discutir o assunto com ele. A primeira coisa que ele me perguntou foi: "Qual era a filosofia subjacente ao seu tipo de teoria muito estranha? A teoria parece muito boa, mas o que você quis dizer com apenas quantidades observáveis?"

Aqui Einstein alude à afirmação de Heisenberg de que a física deveria lidar apenas com quantidades observáveis; isso justificava o descarte da ideia de trajetórias de elétrons. Heisenberg respondeu:

Achei que devíamos voltar àquelas quantidades que realmente podem ser observadas e também achei que esse era exatamente o tipo de filosofia que ele havia usado na relatividade; porque ele também havia abandonado o tempo absoluto ... Bem, ele riu de mim e disse: "Mas você deve perceber que é completamente errado." Eu respondi: "Mas por que, não é verdade que você usou essa filosofia?" "Ah, sim", disse ele, "posso ter usado, mas ainda assim é um absurdo!"

Einstein me explicou que na verdade é o contrário. Ele disse: "Se você pode observar uma coisa ou não depende da teoria que você usa. É a teoria que decide o que pode ser observado.

Heisenberg explica que esta conversa o levou a a linha de pensamento que culminou em seu Princípio da Incerteza.

Voltando-se para Schrödinger, em uma nota de rodapé de seu artigo "Sobre a Relação da Mecânica Quântica Heisenberg-Born-Jordan com a minha", ele escreveu:

Minha teoria foi inspirada por L. de Broglie e por comentários breves, mas infinitamente perspicazes de A. Einstein (Berl. Ber. 1925, p.9ff)

Acredito que o artigo citado seja o segundo de Einstein nas estatísticas de Bose-Einstein.

#4
+3
Ondřej Černotík
2014-10-29 13:21:25 UTC
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Embora as respostas fornecidas até agora sejam boas, seus autores se esquecem de mencionar qual é o ponto de partida da discordância de Einstein com a mecânica quântica - a interpretação de Copenhagen. Esta (até o momento) mais difundida interpretação da mecânica quântica afirma que as grandezas observáveis ​​não têm um valor específico antes de uma medição, após o qual o estado quântico do sistema colapsa aleatoriamente em um dos possíveis autoestados de medição. É essa aleatoriedade inerente que incomodava Einstein (e não só ele, outro exemplo famoso é o gato de Schroedinger, que está morto e vivo ao mesmo tempo até que se mede seu estado). Isso também dá origem aos efeitos superluminais no paradoxo EPR e levou à citação sobre Deus não jogar dados.

A principal contribuição de Einstein para a física quântica - a explicação do efeito fotoelétrico é cerca de 20 anos mais velha que a interpretação de Copenhagen e foi formulada nos primeiros anos da mecânica quântica. O paradoxo EPR, por outro lado, é mais antigo do que a interpretação de Copenhague e foi projetado principalmente para mostrar sua aparente inconsistência. Portanto, não há inconsistência em Einstein ajudando a desenvolver uma teoria com a qual ele não concordava.

“O paradoxo EPR, por outro lado, é mais antigo do que a interpretação de Copenhague”. Isso deveria ser "mais jovem"?
#5
+2
Albert Heisenberg
2016-08-06 03:48:10 UTC
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  1. Sua Lei do Efeito Fotoelétrico (um termo impróprio - realmente deveria ser chamado de Quantização do Campo de Radiação).

  2. Seu Artigo sobre o calor específico dos sólidos (1906)

  3. Seu artigo sobre as vibrações quânticas (1907) ... Veja bem, ele foi o ÚNICO físico no mundo a trabalhar seriamente na teoria quântica - até Bohr achava que sua ideia de energia quantizada (ou seja, fótons) era boba, considerando como grandes pensadores como Poissant e Maxwell haviam "provado" que a luz era uma onda. Nem um ÚNICO cientista notável acreditou no artigo de Einstein de 1905 até pelo menos a Primeira Conferência Solvay de 1911, e mesmo então a grande maioria eram 'céticos quânticos'.

4. Em 1909 Einstein foi o primeiro a mostrar que as flutuações estatísticas nos campos de radiação térmica exibem comportamento semelhante ao de partícula e de onda; esta foi a primeira demonstração do que mais tarde se tornaria o princípio da complementaridade.

  1. 1916/1917 marca o artigo mais subestimado de Einstein. Depois de terminar sua magnum opus, General Relativity, ele se voltou para a interação da matéria e da radiação para criar uma teoria quântica da radiação. Ele mais uma vez baseou seus argumentos em estatísticas e flutuações. Bohr introduziu um novo conceito crucial chamado estados estacionários em seu artigo de 1913 sobre hidrogênio, mas as principais características do modelo de Bohr podem ser interpretadas como um absurdo absoluto porque, de acordo com a teoria eletromagnética, o elétron irradiaria intensamente, emitindo um amplo espectro ao colidir com o núcleo . Aqui, vemos contradições nas leis clássicas, mas as principais propriedades do modelo de hidrogênio de Bohr se baseavam nessas leis.

Einstein, sempre o pensador original, não tomou como ponto de partida o conhecido campo de radiação térmica dado pela lei de radiação de Planck. Em vez disso, ele assumiu que os átomos estão em equilíbrio térmico e então deduziu as propriedades do campo de radiação necessárias para manter o equilíbrio. Adivinha? O campo acabou sendo dado precisamente pela lei de radiação de Planck. Ele consegue criar efeitos quânticos (emissão estimulada e espontânea) a partir da maioria dos princípios clássicos. Ele usa a lei do deslocamento de Wien, a distribuição canônica de Boltzmann, o teorema de Poynting e a reversibilidade microscópica - tudo clássico. A única ideia quântica era o conceito de estados estacionários. Mesmo assim, a partir desses elementos, ele é o primeiro a criar uma descrição completa dos processos básicos de radiação e uma descrição completa das propriedades gerais do fóton. Em seu artigo de 1917, ele cria novas e elegantes derivações da lei de radiação de Planck, bem como uma prova da regra de frequência de Bohr. Nele, entre muitas outras coisas, ele responde à questão de como um gás de átomos mantém as populações de seus estados estacionários em equilíbrio com um campo de radiação.

O novo conceito mencionado de emissão espontânea, que incorpora a interação FUNDAMENTAL da matéria com o vácuo, é uma conquista brilhante e digna do Prêmio Nobel. Por quê? A emissão espontânea define a escala para TODAS as interações radiativas. As taxas de absorção e emissão estimulada, por exemplo, são proporcionais à taxa de emissão espontânea. A emissão espontânea pode ser vista como o processo irreversível final e a fonte fundamental de ruído em toda a natureza. Com o desenvolvimento da eletrodinâmica quântica de cavidades - o estudo de sistemas atômicos em cavidades próximas do ideal - na década de 1980, a situação física foi profundamente alterada. Em tais cavidades, a emissão espontânea evolui para oscilações da cavidade espontânea. Embora o comportamento dinâmico seja totalmente alterado, a interação átomo-vácuo que causa a emissão espontânea define a escala de tempo para essa evolução. É a primeira vez no artigo de Einstein de 1917 que o fóton demonstra possuir todas as propriedades de uma excitação fundamental e, portanto, é bastante claro que seu artigo sobre radiação desempenhou um papel seminal na eventual criação da eletrodinâmica quântica.

A propósito da segunda brilhante criação de seu artigo de 1917, emissão estimulada de radiação, vemos a primeira gênese do laser. A emissão estimulada é a base do mecanismo básico do laser e, por extensão, do resfriamento do laser; sua análise da transferência de momento em um campo de radiação térmica pode ser aplicada imediatamente ao movimento atômico em um campo de laser. Se a largura espectral de um campo térmico for substituída pela largura de linha natural do átomo, a força de amortecimento viscosa de Einstein daria origem ao fenômeno conhecido como melaço óptico. Este processo fundamental de resfriamento a laser foi redescoberto pela comunidade atômica nos anos 80. Claro, você precisa da Mecânica Quântica para uma compreensão completa de todos os mecanismos de radiação, mas artigos como este são contribuições seminais para o que eventualmente se tornaria QM.

A teoria da radiação de Einstein forneceu uma caracterização completa das propriedades semelhantes a partículas do quantum de luz e, em retrospecto, ele estava ao alcance de suas mãos para trabalhar a mecânica estatística dessas partículas. Dado que sua proposta de 1905 para a quantização de energia da radiação foi baseada na analogia entre entropias de radiação térmica e um sistema de partículas, é surpreendente que Einstein não tenha estendido seu método de raciocínio para derivar a lei de Planck tratando os fótons como indistinguíveis partículas. Ele estava MUITO perto e é bastante evidente que o próprio Bose não percebeu que havia feito algo novo.

  1. On the Quantization of Chaos (1919): Em nele, Einstein foi o primeiro a apontar os problemas fundamentais que surgem quando se aplica a teoria clássica do caos a estados quânticos (um artigo 50 anos à frente de seu tempo, pois este é um problema que só agora começamos a compreender completamente): http://boulderschool.yale.edu/sites/default/files/files/Einstein_chaos.pdf

  2. Avanço rápido para 1924 e Einstein, não Bose, aplicado o raciocínio no tratamento de Bose dos fótons como partícula indistinguível de um gás de átomos indistinguíveis, criando assim as estatísticas de Bose-Einstein e, mais tarde, a Condensação de Bose-Einstein. Posteriormente, Einstein teorizou a condensação de Bose-Einstein, uma obra para a qual foram dados 6 prêmios Nobel. Einstein estava a 45% do caminho para a Equação de Schrodinger. Foi somente depois de ler o artigo de Einstein que Schrõdinger derivou suas equações que governam a função de onda.

  3. Einstein foi o primeiro a conceber os campos fantasmas como densidades de probabilidade, um conceito que aplicou a um gás de fótons (ou seja, ondas de probabilidade). Max Born basicamente pegou a ideia literalmente e a aplicou aos elétrons. Born sempre reconheceu isso.

  4. Artigo do paradoxo de EPR: o primeiro artigo a mostrar como o emaranhamento quântico emerge das equações do QM.

* O trabalho de Einstein sobre a dualidade onda-partícula levou diretamente à tese de De Broglie sobre as ondas de matéria, e parece improvável que De Broglie a tivesse concebido sem Einstein.

Einstein é praticamente o pai da teoria quântica inicial e um dos co-fundadores da mecânica quântica moderna. Os três principais sistemas estatísticos que governam o reino microscópico são: Estatísticas de Fermi-Dirac, Estatísticas de Einstein-Bose e Estatísticas de Boltzmann. Ele seria considerado uma lenda por seu trabalho apenas em BEC, mas ele contribuiu maciçamente para a Mecânica Quântica. Por favor, verifique seu artigo sobre a quantização do caos, é absolutamente brilhante e mostra como seu pensamento foi indispensável para o desenvolvimento do QM.



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