Em 1916, Albert Einstein descobriu que, no nível quântico microscópico, o mundo físico é indeterminístico e acausal por razões muito mais profundas do que o princípio da incerteza de Werner Heisenberg , de 1927 .

Esse indeterminismo quântico, ou na verdade " acaso " quântico, como Einstein o chamou ( Zufall em alemão), surge quando a luz interage com a matéria (fótons com elétrons ou átomos), como Max Planck já suspeitava décadas antes.

Einstein escreveu um artigo sobre a Teoria Quântica da Radiação em 1916...

Se as hipóteses que apresentei sobre a interação entre radiação e matéria estiverem corretas, elas devem fornecer mais do que apenas a distribuição estatística correta da energia interna das moléculas. Isso porque, durante a absorção e emissão de radiação, ocorre também uma transferência de momento linear para as moléculas. Essa transferência produz uma certa distribuição de velocidades das moléculas, por meio da simples interação entre a radiação e as moléculas. Essa distribuição deve ser idêntica àquela resultante da colisão mútua das moléculas, ou seja, deve ser idêntica à distribuição de Maxwell...

Quando uma molécula absorve ou emite energia e na forma de radiação durante a transição entre estados teoricamente possíveis na mecânica quântica, esse processo elementar pode ser visto tanto como um processo totalmente ou parcialmente direcionado no espaço, quanto como um processo simétrico (não direcionado). Constatamos que chegamos a uma teoria livre de contradições somente se interpretarmos esses processos elementares como processos totalmente direcionados.

CPAE, vol.6, Doc. 38, “Sobre a Teoria Quântica da Radiação”, p.220-221.

Se os quanta de luz são partículas com energia E = hν viajando à velocidade da luz c , então eles deveriam ter um momento p = E/c = hν/c . Quando a luz é absorvida por partículas materiais, esse momento será claramente transferido para a partícula. Mas quando a luz é emitida por um átomo ou molécula, Einstein afirma que surge um problema.

Se um feixe de radiação afeta a molécula alvo, fazendo com que ela aceite ou rejeite a quantidade de energia hv na forma de radiação por um processo elementar (processo de radiação induzida), então sempre ocorre uma transferência de momento linear hv/c para a molécula, especificamente na direção de propagação do feixe quando a energia é absorvida pela molécula, e na direção oposta se a molécula libera a energia. Se a molécula é exposta à ação de vários feixes de radiação direcionados, então apenas um deles participa de um processo elementar induzido; somente esse feixe determina a direção do momento linear que é transferido para essa molécula. Se a molécula sofre uma perda de energia na quantidade de hv sem estímulo externo, ou seja, emitindo a energia na forma de radiação (emissão espontânea), então esse processo também é direcional. Não há emissão de radiação na forma de ondas esféricas. A molécula sofre um recuo na quantidade de hv/c durante esse processo elementar de emissão de radiação. A direção do recuo, no estado atual da teoria, é determinada pelo “acaso”. As propriedades dos processos elementares exigidas pela equação [de Planck] tornam o estabelecimento de uma teoria quântica da radiação praticamente inevitável. A fragilidade da teoria reside, por um lado, no fato de não nos aproximar de uma ligação com a teoria das ondulações; por outro lado, também deixa o momento de ocorrência e a direção dos processos elementares à mercê do “acaso”. Não obstante, confio plenamente na confiabilidade do caminho escolhido.

CPAE, vol.6, Doc.38, “Sobre a Teoria Quântica da Radiação,” p.232.

A conservação do momento linear exige que o momento da partícula emitida cause um recuo do átomo com momento linear igual a hν/c na direção oposta. No entanto, a teoria padrão da emissão espontânea de radiação afirma que ela produz uma onda esférica que se propaga em todas as direções. Uma onda com simetria esférica não possui direção preferencial. Em qual direção o átomo sofre o recuo?

Uma partícula de luz emitida deve transmitir um momento hν/c ao átomo ou molécula, mas a direção desse momento não pode ser prevista! A teoria também não consegue prever o instante em que o quantum de luz será emitido. Einstein chamou essa "fraqueza da teoria" pelo seu nome em alemão - Zufall (acaso), e a colocou entre aspas. É uma fraqueza apenas para Einstein, é claro, porque o seu Deus não joga dados.

Tal aleatoriedade temporal não era desconhecida na física. Quando Ernest Rutherford derivou a lei para o decaimento radioativo de núcleos atômicos instáveis em 1900, ele só pôde fornecer a probabilidade do tempo de decaimento. Einstein percebeu a conexão com a emissão de radiação:

Isso corrobora a teoria de que a lei estatística assumida para a emissão [espontânea] nada mais é do que a lei de Rutherford do decaimento radioativo.

CPAE vol.6, Doc.34, p.216.

Einstein percebeu claramente que o elemento de acaso que descobriu ameaça a causalidade . Ele introduz o indeterminismo na física.

O indeterminismo envolvido na quantização da matéria e da energia era conhecido, embora amplamente ignorado, por mais uma década, até que a teoria quântica de Werner Heisenberg introduziu seu famoso princípio da incerteza (ou indeterminação ) em 1927, que ele afirmou ser acausal .

Enquanto o indeterminismo de Einstein é qualitativo, o princípio de Heisenberg é quantitativo, afirmando que a posição e o momento exatos de uma partícula atômica só podem ser conhecidos dentro de certos limites. O produto do erro de posição e do erro de momento é maior ou igual à constante de Planck h/2π .

O indeterminismo de Einstein é fundamental para a compreensão da origem da irreversibilidade na mecânica estatística.

Para mais informações, consulte nosso artigo de 2014 sobre a Origem da Irreversibilidade.

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