Domanda:
Perché Einstein ha aiutato nello sviluppo della teoria quantistica se non era d'accordo con essa?
user3459110
2014-10-29 11:08:57 UTC
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Ho letto il libro "A Brief History of Time" di Stephan Hawking. Afferma che Einstein ha aiutato scienziati come Pauli ecc. Nello sviluppo della teoria quantistica e ha persino condiviso con loro il Premio Nobel per i suoi contributi, ma fino alla sua morte non era d'accordo con la teoria. Fece persino la citazione:

Io, per esempio, non credo che giochi a dadi.

Se fosse così contro la teoria, quando poi ha aiutato nel suo sviluppo?

Leggi la mia risposta. La sua citazione "Non gioca a dadi" è stata presa fuori contesto. Stava rispondendo all'interpretazione di Copenaghen del QM e all'idea, allora creduta, che l'osservatore influenzi il collasso della funzione d'onda. Sappiamo che questo è falso; tuttavia, quando Einstein era vivo questa era una credenza comune (promossa dallo stesso Bohr).
Aiutare a svilupparsi, scientificamente parlando, include fare del proprio meglio per fare buchi in una teoria per forzare la teoria a svilupparsi ulteriormente in risposta e quindi rafforzare la teoria. Rafforzare qui significa avere la teoria in grado di spiegare o prendere in considerazione quelle che sembrano essere incongruenze.
Cinque risposte:
#1
+14
Danu
2014-10-29 13:02:55 UTC
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Einstein diede numerosi contributi di enorme importanza alla teoria quantistica dei "primi tempi". Nel 1905, il suo famoso annus mirabilis , pubblicò un articolo sull'effetto fotoelettrico che pose le basi per la moderna comprensione dei fotoni (cioè pacchetti d'onda quantizzati).

Questo avvenne vent'anni prima che le basi della meccanica quantistica fossero adeguatamente formulate da Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born, ecc. A quel tempo, le implicazioni del lavoro di Einstein non erano del tutto chiare per lui, o per chiunque altro per questo motivo. Un altro importante contributo arrivò nel 1924, quando Einstein assicurò che il lavoro di Bose su quelle che in seguito divenne noto come statistiche di Bose-Einstein venissero pubblicate su una rivista ufficiale. A quel punto, tuttavia, Einstein si preoccupava già molto dei fondamenti della meccanica quantistica e della mancanza di completa determinazione che ci presenta.

Dopodiché, Einstein non fece molto costruttivo lavora sulla meccanica quantistica, ma la sua continua critica è stata importante nel costringere i sostenitori della meccanica quantistica a dare forma alle loro idee, e considerare come si applicano in situazioni complicate. L'istanza più famosa di ciò che si verifica è la Quinta Conferenza Solvay nel 1927, quando Einstein andò testa a testa con Niels Bohr, proponendo una serie di `` incongruenze '' del principio di Heisenberg, con Bohr che presentava una confutazione più volte.

Non darò un resoconto serio del lavoro successivo di Einstein sul paradosso dell'EPR; Penso che la risposta di Logan Maingi affronti già abbastanza questo aspetto. In conclusione, vorrei sottolineare che la maggior parte del lavoro costruttivo di Einstein sulla teoria quantistica fu svolto prima che la teoria fosse ben compresa, ma la sua importanza nell'affinare le menti degli inventori della meccanica quantistica non può essere sottovalutato. Non credo sia corretto dire che Einstein era contro la teoria quantistica: pensava semplicemente che non fosse la teoria finale.

Dovrebbero essere menzionati altri due contributi di Einstein. Ha fornito una nuova ed eccezionalmente chiara derivazione della legge sulla radiazione del corpo nero di Planck, utilizzando i cosiddetti coefficienti A e B. Inoltre, sia Heisenberg che Schrödinger hanno attribuito alle conversazioni con Einstein un'influenza decisiva nell'aiutarli a formulare le loro versioni della meccanica quantistica. Schrödinger ha fatto riferimento alle "osservazioni brevi ma infinitamente lungimiranti" di Einstein. Heisenberg ha raccontato una conversazione in cui Einstein ha osservato che è la propria teoria che dice ciò che è, in linea di principio, osservabile, non il contrario.
#2
+11
Logan M
2014-10-29 12:56:45 UTC
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Non è vero che Einstein abbia rifiutato completamente la meccanica quantistica. Ha riconosciuto di aver fornito previsioni numericamente accurate in un'ampia varietà di casi, così come qualsiasi fisico competente nel 1935. In quell'anno, ha introdotto il paradosso EPR, che mostra che la meccanica quantistica non rispetta la località in relatività speciale. In particolare, se si considera uno stato entangled di due spin alla separazione spaziale, e si misura lo spin di uno di essi, lo stato dell'altro deve cambiare immediatamente per accogliere la misura del primo. Considerava questo tipo di azione a distanza più veloce della luce come in contrasto con qualsiasi "definizione ragionevole della natura della realtà". Questa era la sua migliore obiezione alla meccanica quantistica così come veniva interpretata all'epoca. Naturalmente, Einstein ha anche svolto alcuni primi lavori sulla meccanica quantistica prima che questi problemi gli fossero evidenti.

Quindi, Einstein ha scelto di rifiutare non la meccanica quantistica in modo definitivo, ma è un'interpretazione convenzionale. Preferiva una teoria in cui tutte le misurazioni fisiche erano determinate, ma non potevano essere misurate tutte. Questa sarebbe una cosiddetta teoria delle variabili nascoste, sostenendo che la meccanica quantistica non era completa e che esistono ulteriori gradi di libertà locali che darebbero una teoria essenzialmente classica. Tuttavia, queste "variabili nascoste" aggiuntive non potevano sperare di essere misurate nella pratica, e quindi la meccanica quantistica è ciò che finiamo per vedere. Questa posizione filosofica è talvolta nota come "realismo locale".

Il realismo locale, sebbene non necessario per spiegare alcuna misurazione fisica, era ancora su una buona posizione sperimentale fino al 1964. Fino a quel momento, l'opinione prevalente era che qualsiasi teoria meccanica quantistica potesse essere trasformata in una teoria delle variabili nascoste locali, sebbene no si sapeva esattamente come. In quell'anno, Bell derivò le sue ormai famose disuguaglianze che mostrano che la meccanica quantistica prevede correlazioni minori tra determinate misurazioni di quelle che potrebbero mai essere soddisfatte da qualsiasi teoria classica delle variabili nascoste. Ciò ha dato luogo a misurazioni effettive che hanno dimostrato definitivamente che le variabili nascoste locali non sono ciò che abbiamo in natura. A quel punto, ci si doveva accontentare di variabili nascoste non locali, che non avrebbero soddisfatto molto Einstein, o solo della meccanica quantistica. Einstein non visse abbastanza a lungo per dover prendere quella decisione, poiché morì nel 1955.

Quindi, non era così tanto che Einstein credesse che la meccanica quantistica fosse sbagliata. Piuttosto, pensava che fosse incompleto. Le sue successive frustrazioni con esso furono più che nessuno era riuscito a capire come realizzarlo con variabili nascoste (e poche persone ci stavano persino provando). Quando diceva cose come "Dio non gioca a dadi" e simili, non stava dicendo che la meccanica quantistica era sbagliata, tanto quanto incompleta, ed era sconvolto dal fatto che nessuno stesse facendo quello che pensava fosse necessario per completarla . Attraverso la lente della storia, possiamo vedere che aveva torto, ma all'epoca questa era una posizione apparentemente ragionevole da prendere.

Questa è stata una risposta interessante. Direi che hai una profonda conoscenza dell'EPR. Trovo frustrante che le persone non capiscano chiaramente l'argomento, vedi la mia domanda qui, che è più un commento che una domanda: http://physics.stackexchange.com/questions/114651/what-are-the-implications teorema di campane
Perché le persone scrivono di "variabili nascoste locali", quando l'argomento è chiaro e semplice: o le proprietà misurate sono predeterminate, o c'è "un'azione spettrale a distanza", come ha osservato Einstein. Bell ha mostrato che le proprietà predeterminate non funzionano. Sembra che tu abbia capito questo argomento molto chiaramente. Tuttavia, devo chiederti: non ritieni che questo sia in contrasto con la relatività speciale?
#3
+5
Michael Weiss
2014-10-30 20:59:20 UTC
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Un po 'di più sui contributi indiretti di Einstein alla teoria quantistica.

Nel saggio autobiografico di Heisenberg "Theory, Criticism, and Philosophy", nella sezione "Einstein on Theory and Observation", Heisenberg racconta una conversazione che aveva avuto con Einstein poco dopo che Heisenberg aveva proposto la sua versione di QM (chiamata meccanica delle matrici).

Einstein mi ha chiesto di venire a casa sua e discutere la questione con lui. La prima cosa che mi ha chiesto è stata: "Qual era la filosofia alla base del tuo tipo di teoria molto strana? La teoria sembra piuttosto carina, ma cosa intendevi per quantità osservabili?"

Qui Einstein allude all'affermazione di Heisenberg che la fisica dovrebbe occuparsi solo di quantità osservabili; questo giustificava lo scartare l'idea delle traiettorie elettroniche. Heisenberg rispose,

Sentivo che si dovrebbe tornare a quelle quantità che possono essere realmente osservate e sentivo anche che questo era proprio il tipo di filosofia che aveva usato nella relatività; perché anche lui aveva abbandonato il tempo assoluto ... Beh, ha riso di me e poi ha detto: "Ma devi capire che è completamente sbagliato". Ho risposto: "Ma perché, non è vero che hai usato questa filosofia?" "Oh sì", ha detto, "potrei averlo usato, ma è ancora una sciocchezza!"

Einstein mi ha spiegato che è davvero il contrario. Disse: "Il fatto che tu possa osservare o meno una cosa dipende dalla teoria che usi. È la teoria che decide cosa può essere osservato.

Heisenberg spiega che questa conversazione lo ha impostato su il filo del pensiero che culminò nel suo Principio di incertezza.

Rivolgendosi a Schrödinger, in una nota a piè di pagina al suo articolo "Sulla relazione della meccanica quantistica di Heisenberg-Born-Jordan alla mia", scrisse: p>

La mia teoria è stata ispirata da L. de Broglie e da brevi ma infinitamente lungimiranti osservazioni di A. Einstein (Berl. Ber. 1925, p.9ff)

Credo che l'articolo citato sia il secondo di Einstein sulle statistiche di Bose-Einstein.

#4
+3
Ondřej Černotík
2014-10-29 13:21:25 UTC
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Sebbene le risposte fornite finora siano entrambe buone, i loro autori dimenticano di menzionare qual è il punto di partenza del disaccordo di Einstein con la meccanica quantistica: l'interpretazione di Copenhagen. Questa interpretazione (aggiornata) più diffusa della meccanica quantistica afferma che le quantità osservabili non hanno un valore specifico prima di una misurazione, dopodiché lo stato quantistico del sistema collassa casualmente in uno dei possibili autostati di misurazione. È questa casualità intrinseca che ha infastidito Einstein (e non solo lui, un altro famoso esempio è il gatto di Schroedinger che è morto e vivo allo stesso tempo finché non si misura il suo stato). Ciò dà origine anche agli effetti super-luminali nel paradosso EPR e ha portato alla citazione di Dio che non gioca a dadi.

Il principale contributo di Einstein alla fisica quantistica: la spiegazione dell'effetto fotoelettrico è di circa 20 anni più vecchia l'interpretazione di Copenhagen ed è stata formulata nei primissimi anni della meccanica quantistica. Il paradosso dell'EPR, d'altra parte, è più antico dell'interpretazione di Copenhagen ed è stato progettato principalmente per mostrare la sua apparente incoerenza. Non c'è quindi incoerenza nel fatto che Einstein aiuti a sviluppare una teoria con cui non era d'accordo.

"Il paradosso dell'EPR, invece, è più antico dell'interpretazione di Copenhagen". Dovrebbe essere "più giovane"?
#5
+2
Albert Heisenberg
2016-08-06 03:48:10 UTC
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  1. La sua legge dell'effetto fotoelettrico (un termine improprio - dovrebbe essere VERAMENTE chiamata, la quantizzazione del campo di radiazione).

  2. Il suo articolo su the Specific Heat of Solids (1906)

  3. His Paper on Quantum Vibrations (1907) ... Tenete presente che era l'UNICO fisico al mondo a lavorare seriamente sulla teoria quantistica - anche Bohr pensava che la sua idea di energia quantizzata (cioè i fotoni) fosse sciocca, visto come grandi pensatori come Poissant e Maxwell avevano "dimostrato" che la luce era un'onda. Non un SOLO scienziato degno di nota credeva nell'articolo di Einstein del 1905 almeno fino alla Prima Conferenza Solvay del 1911, e anche allora la stragrande maggioranza erano "scettici quantistici".

4.In 1909 Einstein fu il primo a dimostrare che le fluttuazioni statistiche nei campi di radiazione termica mostrano un comportamento sia particellare che ondulatorio; questa fu la prima dimostrazione di quello che sarebbe poi diventato il principio di complementarità.

  1. 1916/1917 segna l'articolo più sottovalutato di Einstein. Dopo aver terminato il suo capolavoro, Relatività generale, si è rivolto all'interazione tra materia e radiazione per creare una teoria quantistica della radiazione. Ancora una volta ha basato i suoi argomenti su statistiche e fluttuazioni. Bohr introdusse un nuovo concetto cruciale chiamato stati stazionari nel suo articolo del 1913 sull'idrogeno, ma le principali caratteristiche del modello di Bohr potrebbero essere interpretate come un'assurdità assoluta perché, secondo la teoria elettromagnetica, l'elettrone si irradierebbe intensamente, emettendo un ampio spettro mentre si schianta contro il nucleo . Qui vediamo contraddizioni nelle leggi classiche, e tuttavia le principali proprietà del modello dell'idrogeno di Bohr si basavano su quelle leggi.

Einstein, da sempre il pensatore originale, non prese come punto di partenza il noto campo di radiazione termica dato dalla legge di Planck sulla radiazione. Invece, ha ipotizzato che gli atomi fossero in equilibrio termico e quindi ha dedotto le proprietà del campo di radiazione richieste per mantenere l'equilibrio. Indovina un po? Il campo si è rivelato essere dato proprio dalla legge sulle radiazioni di Planck. Riesce a creare effetti quantistici (emissione stimolata e spontanea) dalla maggior parte dei principi classici. Usa la legge di spostamento di Wien, la distribuzione canonica di Boltzmann, il teorema di Poynting e la reversibilità microscopica, tutti classici. L'unica idea quantistica era il concetto di stati stazionari. Eppure, da questi elementi, è il primo a creare una descrizione completa dei processi di radiazione di base e una descrizione completa delle proprietà generali del fotone. Nel suo articolo del 1917, crea nuove ed eleganti derivazioni della legge sulle radiazioni di Planck, nonché una prova della regola della frequenza di Bohr. In esso, tra molte altre cose, risponde alla domanda su come un gas di atomi mantenga le popolazioni dei suoi stati stazionari in equilibrio con un campo di radiazione.

Il suddetto nuovo concetto di emissione spontanea, che incarna l'interazione FONDAMENTALE della materia con il vuoto, è un brillante risultato degno del Premio Nobel. Perché? L'emissione spontanea imposta la scala per TUTTE le interazioni radiative. I tassi di assorbimento e di emissione stimolata, ad esempio, sono proporzionali al tasso di emissione spontanea. L'emissione spontanea può essere vista come l'ultimo processo irreversibile e la fonte fondamentale di rumore in tutta la natura. Con lo sviluppo dell'elettrodinamica quantistica della cavità - lo studio dei sistemi atomici in cavità prossime all'ideale - negli anni '80, la situazione fisica fu profondamente alterata. In tali cavità, l'emissione spontanea si evolve in oscillazioni cavitarie spontanee. Sebbene il comportamento dinamico sia totalmente alterato, l'interazione atomo-vuoto che causa l'emissione spontanea determina la scala temporale di tale evoluzione. È per la prima volta nell'articolo di Einstein del 1917 che si dimostra che il fotone possiede tutte le proprietà di un'eccitazione fondamentale, e quindi è abbastanza chiaro che la sua carta sulle radiazioni ha giocato un ruolo fondamentale nella creazione finale dell'elettrodinamica quantistica.

A proposito della seconda brillante creazione del suo articolo del 1917, emissione stimolata di radiazioni, vediamo la prima genesi del laser. L'emissione stimolata è alla base del meccanismo di base del laser e, per estensione, del raffreddamento laser; la sua analisi del trasferimento di quantità di moto in un campo di radiazione termica può essere immediatamente applicata al moto atomico in un campo laser. Se la larghezza spettrale di un campo termico fosse sostituita dalla larghezza di linea naturale dell'atomo, la forza di smorzamento viscoso di Einstein darebbe origine al fenomeno noto come melassa ottica. Questo processo fondamentale di raffreddamento laser è stato riscoperto dalla comunità atomica negli anni '80. Ovviamente, hai bisogno della Meccanica Quantistica per una piena realizzazione di tutti i meccanismi della radiazione, ma articoli come questo sono contributi fondamentali a quello che alla fine sarebbe diventato QM.

La teoria della radiazione di Einstein ha fornito una caratterizzazione completa delle proprietà simili alle particelle del quanto di luce e, in retrospettiva, era a portata di mano per elaborare la meccanica statistica di queste particelle. Dato che la sua proposta del 1905 per la quantizzazione energetica della radiazione era basata sull'analogia tra entropie della radiazione termica e un sistema di particelle, è sorprendente che Einstein non abbia esteso il suo metodo di ragionamento per derivare la legge di Planck trattando i fotoni come indistinguibili particelle. Era MOLTO vicino ed è abbastanza evidente che lo stesso Bose non si rese conto di aver fatto qualcosa di nuovo.

  1. Sulla quantizzazione del caos (1919): In Einstein è stato il primo a sottolineare i problemi fondamentali che sorgono quando si applica la teoria del caos classica agli stati quantistici (un articolo con 50 anni di anticipo sui tempi poiché questo è un problema che solo ora abbiamo iniziato a comprendere appieno): http://boulderschool.yale.edu/sites/default/files/files/Einstein_chaos.pdf

  2. Avanti veloce al 1924 e Einstein, non Bose, applicato il ragionamento nel trattamento di Bose dei fotoni come particella indistinguibile da un gas di atomi indistinguibili creando così le statistiche di Bose-Einstein e, più tardi, la condensazione di Bose-Einstein. Successivamente, Einstein ha teorizzato la condensazione di Bose-Einstein, un'opera per la quale sono stati assegnati 6 premi Nobel. Einstein era al 45% del percorso per l'equazione di Schrodinger. Fu solo dopo che Schrodinger ebbe letto l'articolo di Einstein che derivò le sue equazioni che governano la funzione d'onda.

  3. Einstein fu il primo a concepire i campi fantasma come densità di probabilità, un concetto che applicò a un gas di fotoni (cioè onde di probabilità). Max Born ha sostanzialmente preso l'idea alla lettera e l'ha applicata agli elettroni. Born lo ha sempre riconosciuto.

  4. EPR Paradox Paper: il primo documento che mostra come l'entanglement quantistico emerge dalle equazioni del QM.

* Il lavoro di Einstein sulla dualità onda-particella portò direttamente alla tesi di De Broglie sulle onde della materia, e sembra improbabile che De Broglie l'avrebbe concepito senza Einstein.

Einstein è praticamente il padre della prima teoria quantistica ed è uno dei co-fondatori della moderna meccanica quantistica. I tre principali sistemi statistici che governano il regno microscopico sono: statistica di Fermi-Dirac, statistica di Einstein-Bose e statistica di Boltzmann. Sarebbe giustamente considerato una leggenda solo per il suo lavoro su BEC, eppure ha contribuito in modo massiccio alla Meccanica Quantistica. Si prega di consultare il suo articolo sulla quantizzazione del caos, è assolutamente geniale e mostra quanto sia indispensabile il suo pensiero per lo sviluppo di QM.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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