Einstein no solo entendió la mecánica cuántica, sino que eminentes físicos e historiadores de la ciencia como Leonard Susskind, Douglas Stone, Abraham Pais, TS Kuhn, John Stachel y otros, han argumentado convincentemente que Einstein debería llamarse el Padre de la Mecánica Cuántica. Entendió la teoría cuántica temprana mejor que nadie de esa época.
* Einstein mostró por primera vez su genio de renombre mundial al publicar tres artículos entre 1902 y 1904 sobre los fundamentos de la mecánica estadística, en los que trató de llenar un vacío importante en los fundamentos mecánicos de la termodinámica. En el momento en que Einstein escribió sus tres documentos, no estaba familiarizado con el trabajo de GW Gibbs (porque aún no se había traducido al alemán) y solo parcialmente con el de Boltzmann. Los documentos de Einstein forman un puente, paralelo a los Principios elementales de mecánica estadística de GW Gibbs en 1902, entre el trabajo de Boltzmann y el enfoque moderno de la mecánica estadística. En particular, Einstein formuló independientemente la distinción entre los conjuntos microcanónicos y canónicos y derivó la distribución de equilibrio para el conjunto canónico a partir de la distribución microcanónica. De especial importancia para su investigación posterior en la teoría cuántica fue la derivación de la fórmula de fluctuación de energía para el conjunto canónico.
* La profunda comprensión de Einstein sobre la naturaleza y el tamaño de las fluctuaciones jugó un papel decisivo para su contribución más revolucionaria a la física: la hipótesis cuántica de la luz (ver más abajo). En este primer artículo de 1905, extrajo el postulado cuántico de la luz de una analogía mecánica estadística entre la radiación en el régimen de Viena y un gas ideal clásico de partículas materiales. En esta consideración, el principio de Boltzmann, que relaciona la entropía y la probabilidad de estados macroscópicos, jugó un papel clave. Más tarde, Einstein extendió estas consideraciones a un análisis de las fluctuaciones en la energía y el impulso del campo de radiación. Para este último, también se basó en ideas y métodos que había desarrollado en el curso de su trabajo sobre el movimiento browniano, otra hermosa aplicación de la teoría de la fluctuación (ver más abajo).
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* Albert Einstein fue el primero en demostrar la existencia de átomos en su artículo seminal sobre el problema de ~ 100 años del movimiento browniano (esto, por cierto, también demostró la existencia de moléculas y es uno de los 10 documentos más citados del siglo XX porque de sus aplicaciones generalizadas).
* Albert Einstein fue uno de los primeros científicos en inventar una nueva forma de calcular el Número de Avogrado (por cierto, su disertación). El artículo se titula “Una nueva determinación de las dimensiones moleculares” e inventa una nueva fórmula de difusión que juega un papel crítico en su brillante disquisición Brownian Motion.
* Es probablemente la figura más influyente en la historia de la mecánica cuántica gracias a su trabajo de 1905 sobre la cuantización del campo de radiación, denominado incorrectamente el “Papel de efecto fotoeléctrico” (hace mucho más que simplemente explicar el efecto fotoeléctrico). Este trabajo seminal revolucionó la física al postular que la luz es una partícula y que los intercambios de energía en el campo de radiación vienen en trozos discretos de partículas indivisibles. En esencia, propuso que el campo mismo se cuantificara (muy revolucionario de hecho). Él, más que Max Planck, introdujo el concepto de cuantificación de la energía en la mecánica atómica. Poco después sería el primer científico en declarar que la luz es a la vez partícula y onda.
* Einstein, en su artículo sobre el Calor específico de los sólidos (1906), fue el primer físico, utilizando su propio trabajo en la cuantificación del campo de radiación, para explicar con precisión las condiciones para el equilibrio térmico entre la materia y la radiación.
* Einstein propuso el fotón, la primera partícula portadora de fuerza descubierta para una interacción fundamental, y propuso la noción de dualidad onda-partícula, basada en sólidos argumentos estadísticos 14 años antes del trabajo de De Broglie. Tanto Susskind Douglas Stone han argumentado convincentemente que Einstein debería ser reconocido por ser el primero en concebir ondas de materia (con las ecuaciones correctas) pero no las publicó porque no había evidencia experimental de ellas. Como reconocimiento de esto, De Broglie y su asesor de tesis M. Langevin, más tarde acreditaron a Einstein por ser el creador de la tesis del estudiante de doctorado sobre la dualidad onda-partícula. A la luz de la brecha entre la teoría y el experimento, Einstein comenzó a sugerir a los físicos que buscaran en serio una evidencia de la onda de la materia. Pronto, Davisson y Germer proporcionaron pruebas con el descubrimiento accidental de ondas de electrones al observar un patrón de difracción en un cristal de níquel.
* Einstein, en su artículo sobre Emisión espontánea y estimulada, fue el primero en reconocer la aleatoriedad intrínseca en los procesos atómicos e introdujo la noción de probabilidades de transición, incorporada en los coeficientes A y B para la emisión y absorción atómicas. Einstein también fue el primero en introducir una noción central para la mecánica cuántica conocida como complementariedad. En este artículo vemos a Einstein inventar una derivación completamente original (y elegante) de la ley de radiación de Planck, así como una derivación completamente original (y elegante) de la regla de frecuencia de Bohr. Su trilogía de documentos entre 1916 y 1917 forma la base del LÁSER y es una obra de genio profético. Lea el documento de Daniel Kleppner (MIT) sobre él, muy esclarecedor:
http://cua.mit.edu/8.421/Papers/…
* Einstein también precedió a Max Born al sugerir la interpretación de los campos de ondas como densidades de probabilidad para partículas, fotones, en el caso del campo electromagnético. Born más tarde ganaría un Premio Nobel en 1954 tomando la idea de Einstein y simplemente aplicándola a los electrones, y tuvo la gentileza de darle el crédito a Einstein por la idea.
* Einstein, estimulado por Bose, fue el primero en introducir la noción de partículas indistinguibles en el sentido cuántico y derivó la fase condensada de los bosones, que es uno de los estados fundamentales de la materia a bajas temperaturas. Por esto, Manuel Cardona y otros han llamado a Einstein “el padre de la física de la materia condensada”:
http://arxiv.org/ftp/physics/pap…
* Su trabajo en estadística cuántica a su vez estimuló directamente a Schrodinger hacia su descubrimiento de la ecuación de onda de la mecánica cuántica. Schrodinger siempre reconoció esto (ver: Abraham Pais “Sutil es el Señor”, 1982).
* Einstein fue el primer científico en predecir el entrelazamiento cuántico en su controvertido documento EPR Paradox que luego fue probado experimentalmente por John Bell (es decir, el Teorema de Bell). Einstein teorizó sobre el enredo como una prueba, pero no obstante fue el primer científico en ver donde otros no podían ver. Sus ideas sobre las variables ocultas y la no localidad todavía se debaten hoy, 80 años después del hecho.
Fue solo debido a su rechazo de la teoría final debido a incongruencias filosóficas que generalmente no es reconocido como la figura más central en este logro histórico de la civilización humana.
¿Estaba equivocado acerca de la mecánica cuántica? Dijo que era una teoría poderosa que predecía mucho pero explicaba poco. ¿Es esto diferente de lo que la mayoría de los físicos reflexivos han dicho sobre el tema? Richard Feynman (uno de los fundadores de la teoría cuántica de campos): “Cualquiera que afirme que comprende la mecánica cuántica no lo comprende”. Tal cita de un fundador de QFT es bastante reveladora. Einstein describió la mecánica cuántica como “incompleta”. La mayoría de los físicos de hoy probablemente estarían de acuerdo en que de hecho es “incompleto” ya que no explica por qué ciertas partículas poseen las propiedades específicas que poseen, y eso es solo la punta del iceberg. ¿Qué dice la mecánica cuántica sobre la teoría del caos? Nada fructífero Si la mecánica cuántica no era “incompleta”, ¿por qué la misión central de la física sigue siendo una “Teoría de campo unificada” del tipo que Einstein luchó para encontrar durante sus últimos años?
Por último, Einstein estaba muy molesto por la implicación de que el observador “colapsa” la función de onda, lo que implica que QM tenía un componente subjetivo. Incluso hasta el día de hoy, la “interpretación” de la mecánica cuántica está tan confusa en la epistemología paradójica que nadie tiene una interpretación clara e internamente coherente de las leyes de la mecánica cuántica y cómo produce un mundo “macro” clásico. Entonces, no, Einstein no estaba equivocado acerca de la mecánica cuántica: si estuviera vivo hoy, sabiendo lo que sabemos sobre el teorema de Bell, probablemente estaría trabajando en problemas cuánticos, y, dado su notable genio, probablemente estaría resolviendo un buen número de ellos.
Fuentes:
Profesor Douglas Stone (Jefe de Física Aplicada en la Universidad de Yale): “Einstein y el Quantum: La búsqueda del valiente suabo” (2014)
Abraham Pais (Profesor del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton): “Sutil es el Señor” (1982)
Daniel Kleppner (Profesor de Física en el MIT): “Relectura de Einstein sobre la radiación” (2005)
Norbert Straumann (Profesor de Física en la Universidad de Zurich). Charla ofrecida en el coloquio conjunto de ETH y la Universidad de Zúrich, 27 de abril (2005).
