Einstein hat in den "frühen Tagen" eine Reihe von Beiträgen von bedeutender Bedeutung für die Quantentheorie geleistet. 1905 veröffentlichte er mit seinem berühmten annus mirabilis einen Artikel über den photoelektrischen Effekt, der die Grundlage für das moderne Verständnis von Photonen (d. H. Quantisierten Wellenpaketen) legte.

Dies war zwanzig Jahre, bevor die Grundlagen der Quantenmechanik von Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born usw. richtig formuliert wurden. Zu dieser Zeit waren ihm oder irgendjemand anderem die Implikationen von Einsteins Arbeit nicht ganz klar für diese Angelegenheit. Ein weiterer wichtiger Beitrag kam 1924, als Einstein dafür sorgte, dass Boses Arbeit über die später als Bose-Einstein-Statistik bekannten Statistiken in einem Mainstream-Journal veröffentlicht wurde. Zu diesem Zeitpunkt machte sich Einstein jedoch bereits große Sorgen um die Grundlagen der Quantenmechanik und den Mangel an vollständiger Bestimmtheit, mit der sie uns konfrontiert.

Danach unternahm Einstein nicht viel konstruktives Arbeit an der Quantenmechanik, aber seine ständige Kritik war wichtig, um die Befürworter der Quantenmechanik zu zwingen, ihren Ideen Gestalt zu geben und zu überlegen, wie sie in komplizierten Situationen angewendet werden. Das bekannteste Beispiel hierfür ist die Fünfte Solvay-Konferenz im Jahr 1927, bei der Einstein sich mit Niels Bohr auseinandersetzte und eine Reihe von „Inkonsistenzen“ des Heisenberg-Prinzips vorschlug, wobei Bohr immer wieder eine Widerlegung vorlegte.

Ich werde Einsteins spätere Arbeit zum EPR-Paradoxon nicht ernsthaft beschreiben. Ich denke, die Antwort von Logan Maingi spricht dies bereits ausreichend an. Abschließend möchte ich darauf hinweisen, dass die meisten konstruktiven Arbeiten von Einstein zur Quantentheorie durchgeführt wurden, bevor die Theorie gut verstanden wurde, aber seine Bedeutung für die Schärfung des Geistes der Erfinder der Quantenmechanik kann es nicht sein unterschätzt. Ich denke nicht, dass es fair ist zu sagen, dass Einstein gegen Quantentheorie war: Er dachte einfach, es sei nicht die endgültige Theorie.

Es ist nicht wahr, dass Einstein die Quantenmechanik vollständig abgelehnt hat. Er räumte ein, dass es in einer Vielzahl von Fällen numerisch genaue Vorhersagen lieferte, ebenso wie jeder kompetente Physiker bis 1935. In diesem Jahr führte er das EPR-Paradoxon ein, das zeigt, dass die Quantenmechanik die Lokalität nicht respektiert in spezieller Relativitätstheorie. Insbesondere wenn man einen verschränkten Zustand zweier Spins bei räumlicher Trennung betrachtet und den Spin eines von ihnen misst, muss sich der Zustand des anderen sofort ändern, um die Messung des ersten zu ermöglichen. Er betrachtete diese Art von Aktion, die in der Ferne schneller als Licht war, als im Widerspruch zu einer "vernünftigen Definition der Natur der Realität". Dies war sein bester Einwand gegen die Quantenmechanik, wie sie damals interpretiert wurde. Natürlich hat Einstein auch einige frühe Arbeiten zur Quantenmechanik durchgeführt, bevor ihm diese Probleme klar wurden.

Daher hat Einstein beschlossen, die Quantenmechanik nicht direkt abzulehnen, sondern es ist eine konventionelle Interpretation. Er befürwortete eine Theorie, in der alle physikalischen Messungen bestimmt wurden, aber nicht alle gemessen werden konnten. Dies wäre eine sogenannte Theorie der versteckten Variablen, in der argumentiert wird, dass die Quantenmechanik nicht vollständig ist und dass zusätzliche lokale Freiheitsgrade existieren, die eine Theorie ergeben würden, die im Wesentlichen klassisch ist. Diese zusätzlichen "versteckten Variablen" konnten jedoch nicht in der Praxis gemessen werden, und so sehen wir am Ende die Quantenmechanik. Diese philosophische Position wird manchmal als "lokaler Realismus" bezeichnet.

Der lokale Realismus war zwar nicht notwendig, um eine physikalische Messung zu erklären, befand sich aber bis 1964 noch in einem guten experimentellen Zustand. Bis zu diesem Zeitpunkt war die vorherrschende Ansicht, dass jede quantenmechanische Theorie zu einer lokalen Theorie versteckter Variablen gemacht werden könnte, obwohl nein man wusste genau wie. In diesem Jahr leitete Bell seine inzwischen bekannten Ungleichungen ab, die zeigen, dass die Quantenmechanik kleinere Korrelationen zwischen bestimmten Messungen vorhersagt, als dies jemals mit einer klassischen Theorie versteckter Variablen möglich wäre. Dies führte zu tatsächlichen Messungen, die definitiv zeigten, dass lokale versteckte Variablen nicht das sind, was wir in der Natur haben. Zu diesem Zeitpunkt musste man sich entweder mit nicht lokalen versteckten Variablen zufrieden geben, die Einstein nicht sehr befriedigt hätten, oder nur mit der Quantenmechanik. Einstein lebte jedoch nicht lange genug, um diese Entscheidung treffen zu müssen, da er 1955 starb.

Es war also nicht so sehr, dass Einstein glaubte, die Quantenmechanik sei falsch. Vielmehr hielt er es für unvollständig. Seine späteren Frustrationen waren mehr, als dass es niemand geschafft hatte, herauszufinden, wie man es mit versteckten Variablen realisiert (und nur wenige Leute versuchten es überhaupt). Als er Dinge wie "Gott würfelt nicht" und dergleichen sagte, sagte er nicht, dass die Quantenmechanik falsch oder gar unvollständig sei, und war verärgert, dass niemand tat, was er für notwendig hielt, um sie zu vervollständigen . Durch die Linse der Geschichte können wir sehen, dass er sich geirrt hat, aber zu der Zeit war dies eine scheinbar vernünftige Haltung.

Ein bisschen mehr über Einsteins indirekte Beiträge zur Quantentheorie.

In Heisenbergs autobiografischem Aufsatz "Theorie, Kritik und Philosophie" im Abschnitt "Einstein über Theorie und Beobachtung" erzählt Heisenberg von einem Gespräch, das er geführt hat hatte mit Einstein kurz nachdem Heisenberg seine Version von QM (Matrixmechanik genannt) vorgeschlagen hatte.

Einstein bat mich, in seine Wohnung zu kommen und die Angelegenheiten mit ihm zu besprechen. Das erste, was er mich fragte, war: "Was war die Philosophie, die Ihrer Art von sehr seltsamer Theorie zugrunde lag? Die Theorie sieht ganz gut aus, aber was meinten Sie mit nur beobachtbaren Größen?"

Hier Einstein spielt auf Heisenbergs Behauptung an, dass die Physik nur mit beobachtbaren Größen umgehen sollte; Dies rechtfertigte es, die Idee der Elektronenbahnen zu verwerfen. Heisenberg antwortete:

Ich hatte das Gefühl, dass man zu den Größen zurückkehren sollte, die wirklich beobachtet werden können, und ich hatte auch das Gefühl, dass dies genau die Art von Philosophie war, die er in der Relativitätstheorie verwendet hatte; weil er auch die absolute Zeit aufgegeben hatte ... Nun, er lachte mich aus und sagte dann: "Aber du musst erkennen, dass es völlig falsch ist." Ich antwortete: "Aber warum ist es nicht wahr, dass Sie diese Philosophie verwendet haben?" "Oh ja", sagte er, "ich habe es vielleicht benutzt, aber es ist immer noch Unsinn!"

Einstein erklärte mir, dass es wirklich umgekehrt ist. Er sagte: "Ob Sie etwas beobachten können oder nicht, hängt von der Theorie ab, die Sie verwenden. Es ist die Theorie, die entscheidet, was beobachtet werden kann.

Heisenberg erklärt, dass dieses Gespräch ihn dazu veranlasst hat Der Gedankengang, der in seinem Unsicherheitsprinzip gipfelte.

In einer Fußnote zu seiner Arbeit "Über die Beziehung der in Heisenberg-Jordanien geborenen Quantenmechanik zu meiner" schrieb er an Schrödinger:

Meine Theorie wurde von L. de Broglie und von kurzen, aber unendlich weitsichtigen Bemerkungen von A. Einstein (Berl. Ber. 1925, S. 9ff)

Ich glaube, das zitierte Papier ist Einsteins zweites zur Bose-Einstein-Statistik.

Während die bisher gegebenen Antworten beide gut sind, vergessen ihre Autoren zu erwähnen, was der Ausgangspunkt für Einsteins Uneinigkeit mit der Quantenmechanik ist - die Kopenhagener Interpretation. Diese (aktuellste) am weitesten verbreitete Interpretation der Quantenmechanik besagt, dass beobachtbare Größen vor einer Messung keinen bestimmten Wert haben, wonach der Quantenzustand des Systems zufällig in einen der möglichen Messeigenzustände kollabiert. Es ist diese inhärente Zufälligkeit, die Einstein störte (und nicht nur ihn, ein weiteres berühmtes Beispiel ist Schrödingers Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist, bis man ihren Zustand misst). Dies führt auch zu den superluminalen Effekten im EPR-Paradoxon und zu dem Zitat, dass Gott nicht würfelt.

Einsteins Hauptbeitrag zur Quantenphysik - die Erklärung des photoelektrischen Effekts ist etwa 20 Jahre älter als die Kopenhagener Interpretation und wurde in den ersten Jahren der Quantenmechanik formuliert. Das EPR-Paradoxon hingegen ist älter als die Kopenhagener Interpretation und wurde in erster Linie entwickelt, um seine offensichtliche Inkonsistenz aufzuzeigen. Es gibt also keine Inkonsistenz in Einstein, der bei der Entwicklung einer Theorie hilft, mit der er nicht einverstanden war.

Sein Gesetz des photoelektrischen Effekts (eine Fehlbezeichnung - es sollte WIRKLICH als Quantisierung des Strahlungsfeldes bezeichnet werden).

1. Sein Artikel über Die spezifische Wärme von Festkörpern (1906)

2. Sein Artikel über Quantenschwingungen (1907) ... Wohlgemerkt, er war der EINZIGE Physiker der Welt, der ernsthaft an der Quantentheorie arbeitete - sogar Bohr fand seine Vorstellung von quantisierter Energie (dh Photonen) albern, da große Denker wie Poissant und Maxwell "bewiesen" hatten, dass Licht eine Welle ist. Bis zur ersten Solvay-Konferenz von 1911 glaubte kein einziger bemerkenswerter Wissenschaftler an Einsteins Artikel von 1905, und selbst dann war die überwiegende Mehrheit "Quantenskeptiker".

ol>

4.In 1909 zeigte Einstein als erster, dass statistische Schwankungen der Wärmestrahlungsfelder sowohl partikuläres als auch wellenförmiges Verhalten zeigen; Dies war die erste Demonstration dessen, was später zum Prinzip der Komplementarität wurde.

5. 1916/1917 markiert Einsteins am meisten unterschätztes Papier. Nachdem er sein Magnum-Opus Allgemeine Relativitätstheorie fertiggestellt hatte, wandte er sich dem Zusammenspiel von Materie und Strahlung zu, um eine Quantentheorie der Strahlung zu erstellen. Er stützte seine Argumente erneut auf Statistiken und Schwankungen. Bohr führte in seiner Arbeit über Wasserstoff von 1913 ein entscheidendes neues Konzept ein, das als stationäre Zustände bezeichnet wird. Die Hauptmerkmale von Bohrs Modell könnten jedoch als absoluter Unsinn interpretiert werden, da das Elektron nach elektromagnetischer Theorie intensiv strahlen und ein breites Spektrum emittieren würde, wenn es in den Kern stürzt . Hier sehen wir Widersprüche in den klassischen Gesetzen, und dennoch beruhten die Haupteigenschaften von Bohrs Wasserstoffmodell auf diesen Gesetzen.
ol>

Einstein, immer der ursprüngliche Denker, ging nicht von dem bekannten Feld für Wärmestrahlung aus, das das Plancksche Strahlungsgesetz vorsieht. Stattdessen nahm er an, dass sich die Atome im thermischen Gleichgewicht befinden, und leitete dann die Eigenschaften des Strahlungsfeldes ab, die zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts erforderlich sind. Erraten Sie, was? Es stellte sich heraus, dass das Feld genau durch das Planck-Strahlungsgesetz gegeben ist. Es gelingt ihm, aus den meisten klassischen Prinzipien Quanteneffekte (stimulierte und spontane Emission) zu erzeugen. Er verwendet das Wiener Verschiebungsgesetz, die kanonische Boltzmann-Verteilung, den Satz von Poynting und die mikroskopische Reversibilität - alles klassisch. Die einzige Quantenidee war das Konzept der stationären Zustände. Und doch ist er der erste, der aus diesen Elementen eine vollständige Beschreibung der grundlegenden Strahlungsprozesse und eine vollständige Beschreibung der allgemeinen Eigenschaften des Photons erstellt. In seiner Arbeit von 1917 schafft er neuartige und elegante Ableitungen des Planckschen Strahlungsgesetzes sowie einen Beweis für Bohrs Frequenzregel. Darin beantwortet er unter anderem die Frage, wie ein Gas von Atomen die Populationen seiner stationären Zustände im Gleichgewicht mit einem Strahlungsfeld hält.

Das oben erwähnte neuartige Konzept der spontanen Emission, das die GRUNDLEGENDE Wechselwirkung von Materie mit dem Vakuum verkörpert, ist eine brillante, Nobelpreis-würdige Leistung. Warum? Die spontane Emission legt die Skala für ALLE Strahlungswechselwirkungen fest. Die Absorptionsraten und die stimulierte Emission sind beispielsweise proportional zur Rate der spontanen Emission. Die spontane Emission kann als der ultimative irreversible Prozess und die grundlegende Geräuschquelle in der gesamten Natur angesehen werden. Mit der Entwicklung der Hohlraumquantenelektrodynamik - der Untersuchung atomarer Systeme in nahezu idealen Hohlräumen - in den 1980er Jahren wurde die phystische Situation grundlegend verändert. In solchen Hohlräumen entwickelt sich die spontane Emission zu Schwingungen der spontanen Kavität. Obwohl das dynamische Verhalten vollständig verändert ist, legt die Atom-Vakuum-Wechselwirkung, die eine spontane Emission verursacht, die Zeitskala für diese Entwicklung fest. In Einsteins Arbeit von 1917 wird erstmals gezeigt, dass das Photon alle Eigenschaften einer fundamentalen Anregung besitzt, und daher ist es ziemlich klar, dass sein Strahlungspapier eine entscheidende Rolle bei der späteren Schaffung der Quantenelektrodynamik spielte.

Nach der zweiten brillanten Kreation seines Papiers von 1917, der die Emission von Strahlung stimuliert, sehen wir die erste Entstehung des Lasers. Die stimulierte Emission liegt dem Grundmechanismus des Lasers und damit der Laserkühlung zugrunde. Seine Analyse der Impulsübertragung in einem Wärmestrahlungsfeld kann sofort auf die Atombewegung in einem Laserfeld angewendet werden. Wenn die spektrale Breite eines Wärmefeldes durch die natürliche Linienbreite des Atoms ersetzt wird, würde Einsteins viskose Dämpfungskraft das als optische Melasse bekannte Phänomen hervorrufen. Dieser grundlegende Prozess der Laserkühlung wurde in den 80er Jahren von der Atomgemeinschaft wiederentdeckt. Natürlich benötigen Sie die Quantenmechanik, um alle Mechanismen der Strahlung vollständig zu realisieren, aber solche Arbeiten sind wegweisende Beiträge zu dem, was später zu QM werden würde.

Einsteins Strahlungstheorie lieferte eine vollständige Charakterisierung der partikelähnlichen Eigenschaften des Lichtquants, und im Nachhinein war er in der Lage, die statistische Mechanik dieser Partikel zu erarbeiten. Angesichts der Tatsache, dass sein Vorschlag von 1905 zur Energiequantisierung von Strahlung auf der Analogie zwischen Wärmestrahlungsentropien und einem Partikelsystem beruhte, ist es überraschend, dass Einstein seine Argumentationsmethode zur Ableitung des Planckschen Gesetzes nicht erweitert hat, indem er Photonen als nicht unterscheidbar behandelt Partikel. Er stand SEHR nahe und es ist ziemlich offensichtlich, dass Bose selbst nicht wusste, dass er etwas Neues getan hatte.

6. Zur Quantisierung des Chaos (1919): In Einstein war der erste, der auf die grundlegenden Probleme hinwies, die auftreten, wenn man die klassische Chaostheorie auf Quantenzustände anwendet (eine Arbeit, die ihrer Zeit 50 Jahre voraus ist, da dies ein Problem ist, das wir erst jetzt vollständig zu erfassen begonnen haben): http://boulderschool.yale.edu/sites/default/files/files/Einstein_chaos.pdf

7. Schneller Vorlauf bis 1924 und Einstein, nicht Bose, bewarb sich Die Argumentation in Boses Behandlung von Photonen als nicht unterscheidbares Teilchen zu einem Gas nicht unterscheidbarer Atome, wodurch Bose-Einstein-Statistiken und später Bose-Einstein-Kondensation erstellt wurden. Anschließend theoretisierte Einstein die Bose-Einstein-Kondensation, für die 6 Nobelpreise vergeben wurden. Einstein war 45% des Weges zur Schrödinger-Gleichung. Erst nachdem Schrödinger Einsteins Artikel gelesen hatte, leitete er seine Gleichungen für die Wellenfunktion ab.

8. Einstein war der erste, der Geisterfelder als Wahrscheinlichkeitsdichten auffasste, ein Konzept, das er auf ein Gas aus Photonen (d. h. Wahrscheinlichkeitswellen) anwendete. Max Born nahm die Idee im Wesentlichen wörtlich und wandte sie auf Elektronen an. Born hat das immer anerkannt.

9. EPR Paradox Paper: Das erste Papier, das zeigt, wie Quantenverschränkung aus den QM-Gleichungen hervorgeht.

ol>

* Einsteins Arbeit zur Welle-Teilchen-Dualität führte direkt zu De Broglies These über Materiewellen, und es scheint unwahrscheinlich, dass De Broglie sie ohne Einstein gedacht hätte.

Einstein ist so ziemlich der Vater der frühen Quantentheorie und einer der Mitbegründer der modernen Quantenmechanik. Die drei wichtigsten statistischen Systeme für den mikroskopischen Bereich sind: Fermi-Dirac-Statistik, Einstein-Bose-Statistik und Boltzmann-Statistik. Er würde zu Recht allein für seine Arbeit an BEC als Legende angesehen werden, und dennoch trug er massiv zur Quantenmechanik bei. Schauen Sie sich bitte seine Arbeit über die Quantisierung des Chaos an, sie ist absolut brillant und zeigt, wie unverzichtbar sein Denken für die Entwicklung von QM war.