Question:
Pourquoi Einstein a-t-il aidé au développement de la théorie quantique s'il n'était pas d'accord avec elle?
user3459110
2014-10-29 11:08:57 UTC
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J'ai lu le livre "Une brève histoire du temps" de Stephan Hawking. Il déclare qu'Einstein a aidé des scientifiques comme Pauli, etc. dans le développement de la théorie quantique et a même partagé le prix Nobel avec eux pour ses contributions, mais jusqu'à son dernier jour, il n'était pas d'accord avec la théorie. Il a même fait la citation:

Pour ma part, je ne crois pas qu'il joue aux dés.

S'il était tellement contre la théorie, quand puis il a aidé à son développement?

Lisez ma réponse. Sa citation «Il ne joue pas aux dés» a été sortie de son contexte. Il répondait à l'Interprétation de Copenhague de la qualité de la qualité et à la notion, alors croyait, que l'observateur affecte l'effondrement de la fonction d'onde. Nous savons que cela est faux; cependant, quand Einstein était vivant, c'était une croyance commune (promue par Bohr lui-même).
Aider au développement, scientifiquement parlant, implique de faire de son mieux pour percer des trous dans une théorie pour forcer la théorie à se développer davantage en réponse et ainsi renforcer la théorie. Renforcer ici signifie que la théorie peut expliquer ou prendre en compte ce qui semble être des incohérences.
Cinq réponses:
#1
+14
Danu
2014-10-29 13:02:55 UTC
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Einstein a apporté un certain nombre de contributions d'une importance capitale à la théorie quantique dans les «premiers jours». En 1905, sa célèbre annus mirabilis , il publie un article sur l'effet photoélectrique qui jette les bases de la compréhension moderne des photons (c'est-à-dire des paquets d'ondes quantifiés).

C'était vingt ans avant que les fondements de la mécanique quantique ne soient correctement formulés par Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born, etc. À cette époque, les implications du travail d'Einstein n'étaient pas tout à fait claires pour lui, ni pour personne d'autre d'ailleurs. Une autre contribution importante est venue en 1924, quand Einstein s'est assuré que les travaux de Bose sur ce qui deviendra plus tard les statistiques de Bose-Einstein soient publiés dans une revue grand public. À ce moment-là, cependant, Einstein s'inquiétait déjà beaucoup des fondements de la mécanique quantique et du manque de détermination complète qu'elle nous présente.

Après cela, Einstein n'a pas fait grand chose de constructif travailler sur la mécanique quantique, mais sa critique continue a été importante pour forcer les partisans de la mécanique quantique à donner forme à leurs idées et à réfléchir à la manière dont elles s'appliquent dans des situations compliquées. L'exemple le plus célèbre de cette situation est la Cinquième Conférence Solvay en 1927, quand Einstein est allé tête-à-tête avec Niels Bohr, proposant un certain nombre d '«incohérences» du principe de Heisenberg, Bohr proposant une réfutation maintes et maintes fois.

Je ne donnerai pas un compte rendu sérieux des travaux ultérieurs d'Einstein sur le paradoxe EPR; Je pense que la réponse de Logan Maingi répond déjà suffisamment à cette question. En conclusion, je voudrais souligner que la plupart des travaux constructifs d'Einstein sur la théorie quantique ont été faits avant que la théorie ne soit bien comprise, mais son importance pour aiguiser l'esprit des inventeurs de la mécanique quantique ne peut être sous-estimé. Je ne pense pas qu'il soit juste de dire qu'Einstein était contre la théorie quantique: il pensait simplement que ce n'était pas la théorie finale.

Deux autres contributions d'Einstein méritent d'être mentionnées. Il a donné une nouvelle dérivation exceptionnellement claire de la loi de rayonnement du corps noir de Planck, en utilisant les coefficients dits A et B. En outre, Heisenberg et Schrödinger ont attribué aux conversations avec Einstein une influence décisive en les aidant à formuler leurs versions de la mécanique quantique. Schrödinger a évoqué les «remarques courtes mais infiniment lointaines» d'Einstein. Heisenberg a raconté une conversation où Einstein a fait remarquer que c'est sa théorie qui dit à quelqu'un ce qui est, en principe, observable, et non l'inverse.
#2
+11
Logan M
2014-10-29 12:56:45 UTC
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Ce n'est pas vrai qu'Einstein a complètement rejeté la mécanique quantique. Il a reconnu qu'il donnait des prévisions numériquement exactes dans une grande variété de cas, comme tout physicien compétent en 1935. Cette année-là, il a introduit le paradoxe EPR, qui montre que la mécanique quantique ne respecte pas la localité en relativité restreinte. En particulier, si l'on considère un état intriqué de deux spins à la séparation spatiale, et mesure le spin de l'un d'eux, l'état de l'autre doit changer immédiatement pour s'adapter à la mesure du premier. Il considérait que cette sorte d'action plus rapide que la lumière à distance était en contradiction avec toute «définition raisonnable de la nature de la réalité». C'était sa meilleure objection à la mécanique quantique telle qu'elle était interprétée à l'époque. Bien sûr, Einstein a également fait quelques premiers travaux sur la mécanique quantique avant que ces problèmes ne lui soient apparents.

Ainsi, Einstein a choisi de rejeter non pas la mécanique quantique, mais c'est une interprétation conventionnelle. Il était favorable à une théorie dans laquelle toutes les mesures physiques étaient déterminées, mais ne pouvaient pas toutes être mesurées. Ce serait une soi-disant théorie des variables cachées, faisant valoir que la mécanique quantique n'était pas complète et qu'il existe des degrés de liberté locaux supplémentaires qui donneraient une théorie essentiellement classique. Cependant, ces «variables cachées» supplémentaires ne pouvaient espérer être mesurées dans la pratique, et c'est donc la mécanique quantique que nous finissons par voir. Cette position philosophique est parfois appelée "réalisme local".

Le réalisme local, bien qu'il ne soit pas nécessaire d'expliquer une mesure physique, était encore en bon état expérimental jusqu'en 1964. Jusque-là, l'opinion dominante était que toute théorie de la mécanique quantique pouvait être transformée en une théorie des variables cachées locales, bien que non on savait exactement comment. Cette année-là, Bell a dérivé ses désormais célèbres inégalités montrant que la mécanique quantique prédit des corrélations plus petites entre certaines mesures que celles qui ne pourraient jamais être acceptées par une théorie classique des variables cachées. Cela a donné lieu à des mesures réelles qui ont définitivement montré que les variables cachées locales ne sont pas ce que nous avons dans la nature. À ce stade, il fallait soit se contenter de variables cachées non locales, qui n'auraient pas beaucoup satisfait Einstein, soit simplement de la mécanique quantique. Einstein n'a pas vécu assez longtemps pour avoir à prendre cette décision, car il est mort en 1955.

Ce n'était donc pas tant qu'Einstein pensait que la mécanique quantique était incorrecte. Au contraire, il pensait que c'était incomplet. Ses frustrations ultérieures avec cela étaient plus que personne n'avait réussi à comprendre comment le réaliser avec des variables cachées (et peu de gens essayaient même). Quand il a dit des choses comme «Dieu ne joue pas aux dés», etc., il ne disait pas que la mécanique quantique était fausse, autant qu'incomplète, et était bouleversé que personne ne fasse ce qu'il pensait être nécessaire pour la rendre complète . À travers le prisme de l'histoire, nous pouvons voir qu'il avait tort, mais à l'époque c'était une position apparemment raisonnable à adopter.

C'était une réponse intéressante. Je dirais que vous avez une compréhension approfondie de l'EPR. Je trouve frustrant que les gens ne comprennent pas clairement l'argument, voir ma question ici, qui est plus un commentaire qu'une question: http://physics.stackexchange.com/questions/114651/what-are-the-implications -of-théorème-cloches
Pourquoi les gens écrivent-ils sur les "variables locales cachées", alors que l'argument est clair et simple: Soit les propriétés mesurées sont prédéterminées, soit il y a "une action effrayante à distance" comme l'a fait remarquer Einstein. Bell a montré que les propriétés prédéterminées ne fonctionnent pas. Vous semblez comprendre cet argument très clairement. Cependant, je dois demander: ne pensez-vous pas que cela est en contradiction avec la relativité restreinte?
#3
+5
Michael Weiss
2014-10-30 20:59:20 UTC
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Un peu plus sur les contributions indirectes d'Einstein à la théorie quantique.

Dans l'essai autobiographique de Heisenberg "Theory, Criticism, and Philosophy", dans la section "Einstein on Theory and Observation", Heisenberg raconte une conversation qu'il eu avec Einstein peu de temps après qu'Heisenberg eut proposé sa version de QM (appelée mécanique matricielle).

Einstein m'a demandé de venir chez lui et de discuter des choses avec lui. La première chose qu'il m'a demandé a été: "Quelle était la philosophie sous-jacente à votre genre de théorie très étrange? La théorie a l'air plutôt sympa, mais qu'entendez-vous par uniquement des quantités observables?"

Ici Einstein fait allusion à l'affirmation de Heisenberg selon laquelle la physique ne devrait traiter que des quantités observables; cela justifiait de rejeter l'idée de trajectoires d'électrons. Heisenberg a répondu:

J'ai senti qu'il fallait revenir à ces quantités qui peuvent vraiment être observées et j'ai aussi senti que c'était juste le genre de philosophie qu'il avait utilisé en relativité; parce qu'il avait aussi abandonné le temps absolu ... Eh bien, il s'est moqué de moi et puis il a dit: "Mais tu dois comprendre que c'est complètement faux." J'ai répondu: "Mais pourquoi, n'est-il pas vrai que vous ayez utilisé cette philosophie?" "Oh oui", dit-il, "je l'ai peut-être utilisé, mais c'est quand même absurde!"

Einstein m'a expliqué que c'était vraiment l'inverse. Il a dit: "Que vous puissiez observer une chose ou non dépend de la théorie que vous utilisez. C'est la théorie qui décide de ce qui peut être observé.

Heisenberg explique que cette conversation l'a mis sur le train de la pensée qui a abouti à son principe d'incertitude.

Se tournant vers Schrödinger, dans une note de bas de page de son article "Sur la relation de la mécanique quantique Heisenberg-Born-Jordan à la mienne", il a écrit: p>

Ma théorie a été inspirée par L. de Broglie et par des remarques brèves mais infiniment clairvoyantes de A. Einstein (Berl. Ber. 1925, p.9ff)

Je pense que l'article cité est le deuxième article d'Einstein sur les statistiques de Bose-Einstein.

#4
+3
Ondřej Černotík
2014-10-29 13:21:25 UTC
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Bien que les réponses fournies jusqu'ici soient toutes les deux bonnes, leurs auteurs oublient de mentionner quel est le point de départ du désaccord d'Einstein avec la mécanique quantique - l'interprétation de Copenhague. Cette interprétation (à jour) la plus répandue de la mécanique quantique indique que les quantités observables n'ont pas de valeur spécifique avant une mesure, après quoi l'état quantique du système s'effondre au hasard dans l'un des états propres de mesure possibles. C'est ce hasard inhérent qui dérangeait Einstein (et pas seulement lui, un autre exemple célèbre est le chat de Schroedinger qui est mort et vivant en même temps jusqu'à ce qu'on mesure son état). Cela donne également lieu aux effets super-luminaux du paradoxe EPR et a conduit à la citation de Dieu ne jouant pas aux dés.

La contribution majeure d'Einstein à la physique quantique - l'explication de l'effet photoélectrique est d'environ 20 ans plus ancienne que l'interprétation de Copenhague et a été formulé dans les toutes premières années de la mécanique quantique. Le paradoxe EPR, en revanche, est plus ancien que l'interprétation de Copenhague et a été conçu principalement pour montrer son apparente incohérence. Il n'y a donc aucune incohérence dans le fait qu'Einstein aide à développer une théorie avec laquelle il n'était pas d'accord.

"Le paradoxe EPR, en revanche, est plus ancien que l'interprétation de Copenhague". Cela devrait-il être «plus jeune»?
#5
+2
Albert Heisenberg
2016-08-06 03:48:10 UTC
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  1. Sa loi de l'effet photoélectrique (un abus de langage - il devrait VRAIMENT être appelé, la quantification du champ de rayonnement).

  2. Son article sur la chaleur spécifique des solides (1906)

  3. Son article sur les vibrations quantiques (1907) ... Rappelez-vous qu'il était le SEUL physicien au monde à travailler sérieusement sur la théorie quantique - même Bohr pensait que son idée de l'énergie quantifiée (c'est-à-dire des photons) était idiote, étant donné à quel point de grands penseurs comme Poissant et Maxwell avaient "prouvé" que la lumière était une onde. Pas un SEUL scientifique notable n'a cru en l'article d'Einstein de 1905 jusqu'au moins jusqu'à la première conférence Solvay de 1911, et même alors, la grande majorité était des `` sceptiques quantiques ''.

4.In 1909 Einstein a été le premier à montrer que les fluctuations statistiques des champs de rayonnement thermique présentent à la fois un comportement en forme de particule et en forme d'onde; C'était la première démonstration de ce qui allait devenir plus tard le principe de complémentarité.

  1. 1916/1917 est l'article le plus sous-estimé d'Einstein. Après avoir terminé son opus magnum, la relativité générale, il s'est tourné vers l'interaction de la matière et du rayonnement pour créer une théorie quantique du rayonnement. Il a de nouveau fondé ses arguments sur les statistiques et les fluctuations. Bohr a introduit un nouveau concept crucial appelé états stationnaires dans son article de 1913 sur l'hydrogène, mais les principales caractéristiques du modèle de Bohr pourraient être interprétées comme un non-sens absolu car, selon la théorie électromagnétique, l'électron rayonnerait intensément, émettant un large spectre lorsqu'il s'écraserait dans le noyau. . Nous voyons ici des contradictions dans les lois classiques, et pourtant les principales propriétés du modèle de l'hydrogène de Bohr reposaient sur ces lois.

Einstein, toujours le penseur originel, n'a pas pris comme point de départ le champ bien connu du rayonnement thermique donné par la loi de rayonnement de Planck. Au lieu de cela, il a supposé que les atomes étaient en équilibre thermique et a ensuite déduit les propriétés du champ de rayonnement nécessaires pour maintenir l'équilibre. Devine quoi? Le champ s'est avéré être donné précisément par la loi de rayonnement de Planck. Il parvient à créer des effets quantiques (émission stimulée et spontanée) à partir de la plupart des principes classiques. Il utilise la loi de déplacement de Wien, la distribution canonique de Boltzmann, le théorème de Poynting et la réversibilité microscopique - tous classiques. La seule idée quantique était le concept d'états stationnaires. Et pourtant, à partir de ces éléments, il est le premier à créer une description complète des processus de rayonnement de base et une description complète des propriétés générales du photon. Dans son article de 1917, il crée des dérivations nouvelles et élégantes de la loi de rayonnement de Planck ainsi qu'une preuve de la règle de fréquence de Bohr. Il y répond, entre autres, à la question de savoir comment un gaz d'atomes maintient les populations de ses états stationnaires en équilibre avec un champ de rayonnement.

Le nouveau concept susmentionné d'émission spontanée, qui incarne l'interaction FONDAMENTALE de la matière avec le vide, est une brillante réalisation digne du prix Nobel. Pourquoi? L'émission spontanée définit l'échelle de TOUTES les interactions radiatives. Les taux d'absorption et d'émission stimulée, par exemple, sont proportionnels au taux d'émission spontanée. L'émission spontanée peut être considérée comme le processus irréversible ultime et la source fondamentale de bruit dans toute la nature. Avec le développement de l'électrodynamique quantique des cavités - l'étude des systèmes atomiques dans des cavités proches de l'idéal - dans les années 1980, la situation phystique a été profondément modifiée. Dans de telles cavités, l'émission spontanée évolue en oscillations de cavité spontanée. Bien que le comportement dynamique soit totalement modifié, l'interaction atome-vide qui provoque l'émission spontanée définit l'échelle de temps pour cette évolution. C'est d'abord dans l'article d'Einstein de 1917 qu'il est démontré que le photon possède toutes les propriétés d'une excitation fondamentale, et il est donc tout à fait clair que son article sur les rayonnements a joué un rôle fondamental dans la création éventuelle de l'électrodynamique quantique.

A propos de la deuxième création brillante de son article de 1917, émission stimulée de rayonnement, on voit la première genèse du laser. L'émission stimulée sous-tend le mécanisme de base du laser et, par extension, le refroidissement du laser; son analyse du transfert d'impulsion dans un champ de rayonnement thermique peut être immédiatement appliquée au mouvement atomique dans un champ laser. Si la largeur spectrale d'un champ thermique est remplacée par la largeur de raie naturelle de l'atome, la force d'amortissement visqueux d'Einstein donnerait naissance au phénomène connu sous le nom de mélasse optique. Ce processus fondamental de refroidissement laser a été redécouvert par la communauté atomique dans les années 80. Bien sûr, vous avez besoin de la mécanique quantique pour une réalisation complète de tous les mécanismes du rayonnement, mais des articles comme celui-ci sont des contributions fondamentales à ce qui deviendra finalement la QM.

La théorie du rayonnement d'Einstein a fourni une caractérisation complète des propriétés particulières du quantum lumineux et, rétrospectivement, il était à portée de main pour élaborer la mécanique statistique de ces particules. Étant donné que sa proposition de 1905 pour la quantification d'énergie du rayonnement était basée sur l'analogie entre les entropies du rayonnement thermique et un système de particules, il est surprenant qu'Einstein n'ait pas étendu sa méthode de raisonnement pour dériver la loi de Planck en traitant les photons comme indiscernables particules. Il était TRÈS proche, et il est tout à fait évident que Bose lui-même n'avait pas réalisé qu'il avait fait quelque chose de nouveau.

  1. Sur la quantification du chaos (1919): In elle, Einstein a été le premier à signaler les problèmes fondamentaux qui se posent lorsque l'on applique la théorie classique du chaos aux états quantiques (un article 50 ans en avance sur son temps car il s'agit d'un problème que nous commençons seulement à saisir pleinement): http://boulderschool.yale.edu/sites/default/files/files/Einstein_chaos.pdf

  2. Avance rapide jusqu'en 1924 et Einstein, pas Bose, appliqué le raisonnement dans le traitement par Bose des photons comme une particule indiscernable à un gaz d'atomes indiscernables créant ainsi des statistiques de Bose-Einstein, et plus tard, la condensation de Bose-Einstein. Par la suite, Einstein a théorisé la condensation de Bose-Einstein, un travail pour lequel 6 prix Nobel ont été décernés. Einstein était à 45% du chemin vers l'équation de Schrödinger. Ce n'est qu'après que Schrodinger eut lu l'article d'Einstein qu'il dériva ses équations régissant la fonction d'onde.

  3. Einstein a été le premier à concevoir les champs fantômes comme des densités de probabilité, un concept qu'il a appliqué à un gaz de photons (c'est-à-dire des ondes de probabilité). Max Born a essentiellement pris l'idée mot pour mot et l'a appliquée aux électrons. Born l'a toujours reconnu.

  4. EPR Paradox Paper: le premier article à montrer comment l'intrication quantique émerge des équations du QM.

* Les travaux d'Einstein sur la dualité onde-particule ont conduit directement à la thèse de De Broglie sur les ondes de matière, et il semble peu probable que De Broglie l'aurait conçue sans Einstein.

Einstein est à peu près le père de la théorie quantique précoce, et est l'un des co-fondateurs de la mécanique quantique moderne. Les trois principaux systèmes statistiques régissant le domaine microscopique sont: les statistiques de Fermi-Dirac, les statistiques d'Einstein-Bose et les statistiques de Boltzmann. Il serait à juste titre considéré comme une légende pour son travail sur BEC seul, et pourtant il a contribué massivement à la mécanique quantique. Veuillez consulter son article sur la quantification du chaos, il est absolument brillant et montre à quel point sa réflexion était indispensable au développement de la QM.



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