En noviembre de 1922, cuando Einstein y Elsa estaban visitando Japón como parte de una gira extendida por el Lejano Oriente, recibieron la noticia de que Einstein había recibido el Premio Nobel de Física de 1921. Aunque Einstein fue famoso por su teoría de la relatividad, el premio fue otorgado oficialmente por su trabajo en la teoría cuántica. A lo largo del primer cuarto de siglo, Einstein hizo muchas contribuciones importantes a este campo, el primero de los cuales fue su artículo de 1905 sobre el efecto fotoeléctrico. De 1905 a 1923, fue uno de los únicos científicos que se tomó en serio la existencia de cuantos de luz o fotones. Sin embargo, se opuso firmemente a la nueva versión de la mecánica cuántica desarrollada por Werner Heisenberg y Erwin Schroedinger en 1925-26, y desde 1926 en adelante, Einstein lideró la oposición a la mecánica cuántica. Fue, por lo tanto, un gran contribuyente y un importante crítico de la teoría cuántica.
Las primeras contribuciones de Einstein a la teoría cuántica incluyen su sugerencia heurística de que la luz se comporta como si estuviera compuesta de fotones, y su exploración de la estructura cuántica de las energías mecánicas de las partículas incrustadas en la materia. En 1909, introdujo lo que más tarde se denominó dualidad onda-partícula, la idea de que la teoría ondulatoria de la luz debía complementarse con una teoría cuántica de la luz igualmente válida pero contradictoria como partículas discretas. Muchas de las ideas cuánticas de Einstein se incorporaron a un nuevo modelo del átomo desarrollado por el físico danés Niels Bohr en las primeras décadas del siglo. Bohr explicó que los electrones ocupan solo ciertas órbitas bien definidas alrededor de un núcleo denso de protones y neutrones. Mostró que al absorber una cantidad discreta de energía, un electrón puede saltar de una órbita a otra. En 1916, Einstein descubrió que podía explicar el espectro del cuerpo negro de Max Planck en términos de la interacción de los fotones con los nuevos átomos de Bohr. Aunque sus argumentos a favor de los cuantos de luz estaban bien fundados, la comunidad física no los tomó en serio hasta 1923. En este año, el físico estadounidense Arthur Compton midió la transferencia de impulso de los fotones a los electrones a medida que colisionan y se dispersan, una observación que tiene sentido solo en términos de la naturaleza de partículas de la luz.
A pesar de sus contribuciones al modelo del átomo de Bohr, Einstein seguía profundamente preocupado por la idea de que los átomos parecían emitir fotones al azar cuando sus electrones cambian de órbita. Consideró que este elemento de oportunidad es una gran debilidad del modelo, pero esperaba que pronto se resolvería cuando la teoría cuántica se desarrollara por completo. Sin embargo, para 1926 el problema del azar permaneció, y Einstein se alejó cada vez más de los desarrollos en la teoría cuántica; él insistió en que “Dios no juega a los dados”, y por lo tanto no hay lugar para la aleatoriedad fundamental en la teoría física.
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El año 1926 fue un punto de inflexión crítico en la teoría cuántica, porque fue testigo del surgimiento de dos nuevas formas de mecánica cuántica. La primera, la mecánica de ondas, era una teoría matemáticamente accesible basada en la idea de Louis de Broglie de que la materia puede comportarse como ondas, al igual que las ondas electromagnéticas pueden comportarse como partículas. Esta idea recibió el mayor apoyo de Einstein, Planck, de Broglie y el físico austriaco Erwin Schroedinger. El campo contrario, dirigido por los físicos alemanes Bohr, Max Born y Werner Heisenberg, así como el estadounidense Paul Dirac, formuló la teoría de la mecánica matricial. La mecánica de matrices era mucho más abstracta matemáticamente e involucraba aquellos elementos de azar e incertidumbre que Einstein encontró tan filosóficamente problemáticos.
En 1928, Heisenberg, Bohr y Born desarrollaron la “interpretación de Copenhague”, que unió la matriz y las formulaciones mecánicas de ondas en una sola teoría. La interpretación de Copenhague se basa en el principio de complementariedad de Bohr, la idea de que la naturaleza abarca dualidades fundamentales y los observadores deben elegir un lado sobre otro al hacer observaciones. La interpretación también se basa en las relaciones de incertidumbre de Heisenberg, que establecen que ciertas propiedades básicas de un objeto, como la posición y el momento de una partícula subatómica, no pueden medirse simultáneamente con total precisión. Por lo tanto, la interpretación de Copenhague explicó que si bien la mecánica cuántica proporciona reglas para calcular las probabilidades, no puede proporcionarnos medidas exactas.
Tras la formulación de esta nueva interpretación, Born y Heisenberg proclamaron que la “revolución cuántica” había llegado a su fin: los cuantos eran un mero medio para calcular las probabilidades, pero no tenían en cuenta los fenómenos como realmente ocurren. Sin embargo, Einstein no podía aceptar una teoría probabilística como la palabra final. Como él lo vio, el objetivo mismo de la física estaba en juego: anhelaba producir una descripción completa, causal y determinista de la naturaleza. En un debate en curso con Bohr que comenzó en las conferencias de Solvay en 1927 y 1930 y duró hasta el final de su vida, Einstein planteó una serie de objeciones a la mecánica cuántica. Intentó desarrollar experimentos de pensamiento por los cuales el principio de incertidumbre de Heisenberg podría ser violado, pero cada vez, Bohr encontró lagunas en el razonamiento de Einstein. En 1930, Einstein argumentó que la mecánica cuántica en su conjunto era inadecuada como teoría final del cosmos. Mientras que alguna vez fue considerado como demasiado radical en sus teorías cuánticas, ahora parecía ser demasiado conservador en su defensa de las ideas clásicas newtonianas.
En las tres décadas anteriores a su muerte, la desconfianza de Einstein de la teoría cuántica lo aisló de los desarrollos convencionales en física. Todas sus mayores contribuciones a la ciencia se hicieron en 1926 y, a partir de este momento, siguió siendo un firme opositor de la teoría que había hecho tanto para construir en sus primeros años. Einstein enfocó sus esfuerzos en desarrollar una teoría de campo unificado, una teoría que explicara tanto la gravedad como el electromagnetismo en una explicación matemática basada en principios. Esperaba resolver el conflicto entre el continuo continuo del espacio-tiempo descrito por su teoría general de la relatividad y el nervioso mundo de partículas submicroscópicas donde reina la teoría cuántica. Aunque nunca tuvo éxito en este esfuerzo, en cierto sentido, simplemente se adelantó a su tiempo: a lo largo de los años ochenta y noventa, el objetivo principal de los físicos teóricos ha sido la formulación de una gran teoría de todo, o TOE, que explicaría cada elemento de la realidad física
