En la historia de la mecánica cuántica , la teoría de Bohr-Kramers-Slater ( BKS ) fue quizás el último intento de comprender la interacción entre la materia y la radiación electromagnética sobre la base de la llamada antigua teoría cuántica , en la que los fenómenos cuánticos se tratan mediante imponer restricciones cuánticas al comportamiento clásicamente descriptible. [1] [2] [3] [4] Se avanzó en 1924 y se ciñe a una descripción ondulatoria clásica del campo electromagnético. Quizás fue más un programa de investigación que una teoría física completa, ya que las ideas que se desarrollan no se elaboran de manera cuantitativa. [5] : 236 El propósito de la teoría BKS era refutar la hipótesis de Einstein sobre el cuanto de luz . [6]
Un aspecto, la idea de modelar el comportamiento atómico bajo radiación electromagnética incidente utilizando "osciladores virtuales" en las frecuencias de absorción y emisión, en lugar de las (diferentes) frecuencias aparentes de las órbitas de Bohr , llevó significativamente a Max Born , Werner Heisenberg y Hendrik Kramers a explorar matemáticas que inspiraron fuertemente el desarrollo posterior de la mecánica matricial , la primera forma de la mecánica cuántica moderna . La provocación de la teoría también generó una gran discusión y una renovada atención a las dificultades en los fundamentos de la antigua teoría cuántica. [7] Sin embargo, pronto se demostró que el elemento físicamente más provocativo de la teoría, que el impulso y la energía no necesariamente se conservarían en cada interacción sino solo en general, estadísticamente, estaba en conflicto con el experimento.
Walther Bothe ganó el Premio Nobel de Física en 1954 por el experimento de coincidencia Bothe-Geiger que refutó experimentalmente la teoría BKS. [8] [9]
Cuando Albert Einstein introdujo el cuanto de luz ( fotón ) en 1905, hubo mucha resistencia por parte de la comunidad científica. Sin embargo, cuando en 1923 el efecto Compton demostró que los resultados podían explicarse suponiendo que el haz de luz se comportaba como cuantos de luz y que la energía y el momento se conservaban, Niels Bohr todavía se resistía a la luz cuantificada, e incluso la repudió en su Premio Nobel de 1922. conferencia. Así que Bohr encontró una manera de utilizar el enfoque de Einstein sin utilizar también la hipótesis del cuanto de luz, reinterpretando los principios de conservación de la energía y del momento como principios estadísticos. [10] Así, fue en 1924 que Bohr, Hendrik Kramers y John C. Slater publicaron una provocativa descripción de la interacción de la materia y la interacción electromagnética, históricamente conocida como el artículo BKS que combinaba transiciones cuánticas y ondas electromagnéticas con energía y momento siendo conservado sólo en promedio. [11] [12]
La idea inicial de la teoría BKS se originó en Slater, [13] quien propuso a Bohr y Kramers los siguientes elementos de una teoría de emisión y absorción de radiación por átomos, para ser desarrollados durante su estancia en Copenhague:
Este cuarto punto vuelve a la visión original de Max Planck sobre su introducción cuántica en 1900. Planck tampoco creía que la luz estuviera cuantizada. Creía que un cuerpo negro tenía osciladores virtuales y que sólo durante las interacciones entre la luz y los osciladores virtuales del cuerpo se podía considerar el cuanto. [15] Max Planck dijo en 1911:
Señor Einstein, sería necesario concebir... [las] ondas de luz mismas como constituidas atomísticamente y, por tanto, abandonar las ecuaciones de Maxwell. Esto me parece un paso que en mi opinión todavía no es necesario…. Creo que, en primer lugar, deberíamos intentar trasladar todo el problema de la teoría cuántica al ámbito de la interacción entre materia y radiación”. [dieciséis]
Independientemente, Franz S. Exner también había sugerido la validez estadística de la conservación de la energía en el mismo espíritu que la segunda ley de la termodinámica . Erwin Schrödinger , que realizó su habilitación bajo la supervisión de Exner, apoyó mucho la teoría BKS. [7] Schrödinger publicó un artículo para proporcionar su propia interpretación de la interpretación estadística de BKS. [17] [7]
La principal intención de Slater parece haber sido reconciliar los dos modelos de radiación en conflicto, a saber. Los modelos de ondas y partículas . Es posible que haya tenido buenas esperanzas de que su idea con respecto a los osciladores que vibran en las diferencias de las frecuencias de rotación de los electrones (en lugar de en las frecuencias de rotación mismas) podría resultar atractiva para Bohr porque resolvía un problema del modelo atómico de este último , a pesar de que El significado físico de estos osciladores estaba lejos de estar claro. Sin embargo, Bohr y Kramers tenían dos objeciones a la propuesta de Slater:
Como dice Max Jammer , esto reorientó la teoría "para armonizar la imagen física del campo electromagnético continuo con la imagen física, no como había propuesto Slater de los cuantos de luz, sino de las transiciones cuánticas discontinuas en el átomo". [7] Bohr y Kramers esperaban poder evadir la hipótesis del fotón basándose en el trabajo en curso de Kramers para describir la "dispersión" (en términos actuales, dispersión inelástica ) de la luz mediante una teoría clásica de la interacción de la radiación y asunto. Pero al abandonar el concepto de fotón, optaron por aceptar de plano la posibilidad de la no conservación de la energía y del impulso.
En el artículo de BKS se discutió el efecto Compton como una aplicación de la idea de " conservación estadística de energía y momento" en un proceso continuo de dispersión de radiación por una muestra de electrones libres, donde "cada uno de los electrones contribuye mediante la emisión de ondas secundarias coherentes". Aunque Arthur Compton ya había explicado de forma atractiva su experimento basándose en la imagen de los fotones (incluida la conservación de la energía y del momento en procesos de dispersión individuales ), en el artículo de BKS se afirma que "en el estado actual de la ciencia parece difícil Es justificable rechazar una interpretación formal como la que se está considerando [es decir, el supuesto más débil de conservación estadística ] por considerarla inadecuada". Esta afirmación puede haber impulsado a los físicos experimentales a mejorar "el estado actual de la ciencia" probando la hipótesis de la "conservación estadística de la energía y el momento". En cualquier caso, ya después de un año, la teoría BKS fue refutada mediante métodos de coincidencia que estudian las correlaciones entre las direcciones en las que se emiten la radiación emitida y el electrón de retroceso en los procesos de dispersión individuales. Dichos experimentos se llevaron a cabo de forma independiente, con el experimento de coincidencia Bothe-Geiger realizado por Walther Bothe y Hans Geiger , [18] [19], así como el experimento de Compton y Alfred W. Simon. [20] [21] Proporcionaron evidencia experimental que apunta en la dirección de la conservación de la energía y el momento en procesos de dispersión individuales (al menos, se demostró que la teoría BKS no era capaz de explicar los resultados experimentales). Experimentos más precisos, realizados mucho más tarde, también han confirmado estos resultados. [22] [23]
Al comentar sobre los experimentos, Max von Laue consideró que “la física se salvó de ser descarriada”. [9]
Desde el principio, Wolfgang Pauli fue extremadamente crítico con la teoría BKS, refiriéndose a ella como el golpe de Copenhague ( en alemán : Kopenhagener Putsch ). [24] [9] En una carta a Kramers, Pauli dijo que Bohr habría abandonado la teoría incluso si nunca se hubiera llevado a cabo ningún experimento, argumentando que es la noción de movimiento y fuerzas lo que necesita ser modificado, no la conservación de energía. [24] Pauli no pudo evitar burlarse de la teoría, proponiendo al Instituto de Física de Copenhague “ondear su bandera a media asta en el aniversario de la publicación del trabajo de Bohr, Kramers y Slater”. [9]
Como sugiere una carta a Max Born , [25] para Einstein, la corroboración de la conservación de la energía y el momento era probablemente incluso más importante que su hipótesis del fotón:
Me interesa mucho la opinión de Bohr sobre la radiación. Pero no quiero dejarme llevar a renunciar a la causalidad estricta antes de que haya una resistencia contra ella mucho más fuerte que hasta ahora. No puedo soportar la idea de que un electrón expuesto a un rayo elija por su propia y libre decisión el momento y la dirección en la que quiere saltar. Si es así, prefiero ser zapatero o incluso empleado de una casa de juego que físico. Es cierto que mis intentos de dar forma palpable a los cuantos han fracasado una y otra vez, pero no voy a perder la esperanza durante mucho tiempo todavía.
A la luz de los resultados experimentales, Bohr informó a Charles Galton Darwin que "no hay nada más que hacer que dar a nuestros esfuerzos revolucionarios un funeral lo más honorable posible". [26]
La reacción de Bohr tampoco estuvo relacionada principalmente con la hipótesis del fotón. Según Werner Heisenberg , [27] Bohr comentó:
Incluso si Einstein me envía un cable informándome que se ha encontrado una prueba irrevocable de la existencia física de los cuantos de luz, el mensaje no puede llegar hasta mí porque tiene que ser transmitido mediante ondas electromagnéticas.
Para Bohr, la lección que debía aprenderse de la refutación de la teoría BKS no era que los fotones existen, sino más bien que la aplicabilidad de las imágenes clásicas del espacio-tiempo para comprender los fenómenos dentro del dominio cuántico es limitada. Este tema adquiriría especial importancia unos años más tarde en el desarrollo de la noción de complementariedad . Según Heisenberg, la interpretación estadística de Born también tenía sus raíces últimas en la teoría BKS. Por tanto, a pesar de su fracaso, la teoría BKS proporcionó una contribución importante a la transición revolucionaria de la mecánica clásica a la mecánica cuántica.
Schrödinger no abandonó la interpretación estadística y continuó impulsando esta teoría hasta el final de su vida. [7]