A teoria quântica se originou como pesquisa pura?

A teoria quântica se originou como pesquisa pura?

Recentemente, li um debate sobre a futilidade de exigir "utilidade" de empreendimentos de pesquisa, uma vez que o resultado potencial é imprevisível. Como evidência para essa afirmação, seguiu-se uma lista de artigos aleatórios aparentemente inúteis ou apenas de interesse acadêmico. Um deles foi o desenvolvimento da teoria quântica no início do século XX.

Não quero me concentrar no tópico do debate em si. Em vez disso, me perguntei se essa premissa, que "a teoria quântica se originou como um trabalho puramente acadêmico / intelectual", é realmente verdadeira. Afinal, é um mundo pós-revolução industrial e as patentes que lidam com calor / eletricidade talvez estivessem impulsionando as necessidades da sociedade ... ou talvez não. Não consegui encontrar nenhuma evidência a favor ou contra em qualquer lugar. Vou me voltar, então, para pessoas com mais conhecimento do que eu.


Pelo que posso dizer com base na história, seria incorreto afirmar que a teoria quântica se originou completamente como pesquisa pura ou que teve suas origens na ciência aplicada. Para definir o cenário, existem basicamente três períodos de tempo envolvidos:

1900-1913: artigo de Planck sobre radiação de corpo negro (1900), artigo de Einstein sobre o efeito fotoelétrico (1905).

1913-1927: A velha teoria quântica, modelo de Bohr, teoria de BKS.

1927: No espaço de cerca de um ano, uma nova teoria quântica é produzida, que é essencialmente a teoria em sua forma moderna.

Planck trabalhava quase totalmente em seu próprio mundo teórico, e seu trabalho era considerado extremamente obscuro na época. Ele fez seu pão com manteiga como um teórico em uma universidade. (As alegações de que Planck foi financiado por empresas de lâmpadas parecem ter sido falsas.) Embora Einstein fosse um experimentalista, inventor e engenheiro bastante competente e trabalhasse por um tempo no escritório de patentes suíço, seu trabalho com quanta estava muito à frente de seu tempo , e parece ter sido pura pesquisa, desmotivada por quaisquer aplicações.

À medida que entramos na era Bohr, a teoria quântica per se começa a tomar forma e vemos uma interação vigorosa de teoria e experimento, muitas vezes com aplicações claras. A espectroscopia era rica em aplicações antes, durante e depois desse período. Por exemplo, as pessoas estavam interessadas em determinar a composição dos gases de seus espectros. O trabalho de Moseley em espectros de raios-X e número atômico foi realizado em estreita colaboração com Bohr, e resultou, por exemplo, na descoberta de háfnium. Toda a química é uma grande aplicação da mecânica quântica, e a química é rica em aplicações. Obviamente, o grupo centrado em Bohr esperava que seu trabalho tivesse aplicações em química e física atômica e molecular, e certamente tinha.

Com o advento da moderna teoria quântica em 1927, rapidamente começamos a ver as aplicações. Passaram-se apenas 15 anos desde essa época até o ano em que a primeira pilha nuclear foi operada (1942), e tenho dificuldade em imaginar a energia nuclear sendo desenvolvida sem a mecânica quântica.

A história do transistor parece coincidir mais ou menos com o período durante o qual a mecânica quântica foi desenvolvida. A primeira patente foi de Lilienfeld em 1925, mas parece que demorou muito para que houvesse progresso, principalmente porque as pessoas não conseguiam purificar semicondutores bem o suficiente. Lilienfeld fez doutorado em física e teve Planck como um de seus orientadores de tese. Ele começou como físico acadêmico em Leipzig e depois fez a transição para trabalhar na indústria nos Estados Unidos.

Alguns dos primeiros trabalhos em física quântica foram realizados com financiamento de indivíduos ricos, em vez de governos ou universidades. As Conferências Solvay foram financiadas pelo químico e industrial Solvay, e o importante experimento Stern-Gerlach, realizado durante tempos difíceis na Alemanha, com o avanço da hiperinflação, foi pago pelo banqueiro norte-americano Henry Goldman. Eu diria que essas ligações são evidências do que parece ser a situação típica a respeito das ligações da mecânica quântica com as aplicações. Pessoas como Solvay, um químico, certamente esperavam que houvesse aplicativos, mas não se esperava que os aplicativos fossem imediatos e lucrativos, razão pela qual o Goldman e a Solvay se viam não como investidores, mas como doadores.


"A teoria quântica se originou com o artigo de Planck de 1900 sobre radiação de corpo negro e o artigo de Einstein de 1905 sobre o efeito fotoelétrico." - @jamesqf está certo sobre esse fato. Mas ele não está certo sobre a abstração desses problemas. Pelo contrário:

Muitos inventores daquela época tentaram inventar novos "raios". Ambos os problemas de produção de raios e os efeitos causados ​​por eles foram pesquisados. E o objetivo era absolutamente real - encontrar algo que fosse útil. Os raios X foram o melhor resultado. Mas isso não significa que outros pesquisadores QUEREM não ter nenhum resultado prático. Simplesmente às vezes eles tinham sorte e às vezes (com mais freqüência) não. E as leis de fotoeletricidade foram muito importantes para eles.

As leis da radiação de corpo negro foram úteis devido aos problemas mencionados no parágrafo anterior, mas não só isso. O tema ainda mais importante daquela época foi a invenção de novos motores. E os inventores queriam saber as leis da termodinâmica para isso. E essa lei também era importante e útil para eles, pois ajudava a entender melhor o assunto.

A distância entre "ciência abstrata" e "uso prático" era tão próxima na física naquela época que praticamente não havia ciência abstrata na física. Os objetos mais abstratos da ciência de nossos dias - operadores de Heavyside e quaternions de Hamilton tornaram diretamente possível o envio sem perdas de mensagens e de rádio. Mas o tempo da separação da ciência "abstrata" estava próximo - Heavyside, tendo levado bilhões para as companhias telefônicas / telegráficas, morreu na pobreza, em 1920 - na Inglaterra.


Teoria quântica

Com a virada do século 20, o campo da física passou por duas grandes transformações, quase ao mesmo tempo. O primeiro foi a Teoria Geral da Relatividade de Einstein, que tratava do reino universal da física. O segundo foi a Teoria Quântica, que propôs que a energia existe como pacotes discretos - cada um chamado de "quântico". Este novo ramo da física permitiu aos cientistas descrever a interação entre energia e matéria através do reino subatômico.

Einstein via a Teoria Quântica como um meio de descrever a Natureza em um nível atômico, mas duvidava que ela sustentasse uma base útil para toda a física. ”Ele pensava que descrever a realidade exigia previsões firmes seguidas de observações diretas. Mas as interações quânticas individuais não podem ser observadas diretamente, deixando os físicos quânticos sem escolha a não ser prever a probabilidade de que os eventos ocorrerão. Desafiando Einstein, o físico Niels Bohr defendeu a Teoria Quântica. Ele argumentou que o mero ato de observar indiretamente o reino atômico muda o resultado das interações quânticas. De acordo com Bohr, as previsões quânticas baseadas na probabilidade descrevem com precisão a realidade.

Niels Bohr e Max Planck, dois dos fundadores da Teoria Quântica, receberam cada um o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho com quanta. Einstein é considerado o terceiro fundador da Teoria Quântica porque descreveu a luz como quanta em sua teoria do Efeito Fotoelétrico, pelo qual ganhou o Prêmio Nobel de 1921.

15 de maio de 1935: o Revisão Física publica o artigo de Einstein, Podolsky e Rosen (EPR) alegando refutar a Teoria Quântica.

Os jornais foram rápidos em compartilhar o ceticismo de Einstein em relação à "nova física" com o público em geral. O artigo de Einstein, & quotCan Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? & Quot, levou Niels Bohr a escrever uma refutação. Experimentos modernos sustentaram a Teoria Quântica, apesar das objeções de Einstein. No entanto, o artigo EPR introduziu tópicos que formam a base para muitas das pesquisas atuais em física.

Einstein e Niels Bohr começaram a disputar a Teoria Quântica na prestigiosa Conferência Solvay de 1927, com a presença dos melhores físicos da época. Pela maioria dos relatos desse debate público, Bohr foi o vencedor.


Vida pregressa

Max Karl Ernst Ludwig Planck era o sexto filho de um distinto jurista e professor de direito na Universidade de Kiel. A longa tradição familiar de devoção à igreja e ao estado, excelência em bolsa de estudos, incorruptibilidade, conservadorismo, idealismo, confiabilidade e generosidade tornou-se profundamente enraizada na própria vida e obra de Planck. Quando Planck tinha nove anos, seu pai recebeu uma nomeação na Universidade de Munique, e Planck ingressou no renomado Ginásio Maximilian da cidade, onde um professor, Hermann Müller, estimulou seu interesse pela física e matemática. Mas Planck se destacou em todas as matérias e, após se formar, aos 17 anos, enfrentou uma difícil decisão de carreira. No final das contas, ele escolheu a física em vez da filologia clássica ou da música porque havia chegado, sem paixão, à conclusão de que era na física que residia sua maior originalidade. A música, no entanto, continuou sendo parte integrante de sua vida. Ele possuía o dom do ouvido absoluto e era um excelente pianista que diariamente encontrava serenidade e deleite ao teclado, apreciando principalmente as obras de Schubert e Brahms. Ele também amava o ar livre, dando longas caminhadas todos os dias e escalando montanhas nas férias, mesmo na velhice.

Planck ingressou na Universidade de Munique no outono de 1874, mas encontrou pouco incentivo do professor de física Philipp von Jolly. Durante um ano passado na Universidade de Berlim (1877-78), ele não se impressionou com as palestras de Hermann von Helmholtz e Gustav Robert Kirchhoff, apesar de sua eminência como cientistas pesquisadores. Suas capacidades intelectuais foram, no entanto, focalizadas como resultado de seu estudo independente, especialmente dos escritos de Rudolf Clausius sobre termodinâmica. Retornando a Munique, ele recebeu seu doutorado em julho de 1879 (o ano do nascimento de Einstein) com a idade incomum de 21 anos. No ano seguinte, ele completou seu Habilitationsschrift (dissertação de qualificação) em Munique e tornou-se um Privatdozent (conferencista). Em 1885, com a ajuda das conexões profissionais de seu pai, ele foi nomeado Professor ausserordentlicher (professor associado) na Universidade de Kiel. Em 1889, após a morte de Kirchhoff, Planck foi nomeado para a Universidade de Berlim, onde passou a venerar Helmholtz como mentor e colega. Em 1892 ele foi promovido a professor ordentlicher (professor titular). Ele tinha apenas nove alunos de doutorado no total, mas suas palestras em Berlim sobre todos os ramos da física teórica passaram por muitas edições e exerceram grande influência. Ele permaneceu em Berlim pelo resto de sua vida ativa.

Planck lembrou que sua "decisão original de me dedicar à ciência foi um resultado direto da descoberta ... que as leis do raciocínio humano coincidem com as leis que regem as sequências das impressões que recebemos do mundo ao nosso redor que, portanto, o raciocínio puro pode capacitar o homem a obter uma visão sobre o mecanismo do [mundo] ... ” Em outras palavras, ele decidiu deliberadamente se tornar um físico teórico em uma época em que a física teórica ainda não era reconhecida como uma disciplina em si mesma. Mas foi além: concluiu que a existência de leis físicas pressupõe que “o mundo exterior é algo independente do homem, algo absoluto, e a busca das leis que se aplicam a esse absoluto apareceu ... como a mais sublime busca científica da vida. ”

A primeira instância de natureza absoluta que impressionou profundamente Planck, mesmo como um Ginásio estudante, foi a lei da conservação da energia, a primeira lei da termodinâmica. Mais tarde, durante seus anos de universidade, ele ficou igualmente convencido de que a lei da entropia, a segunda lei da termodinâmica, era também uma lei absoluta da natureza. A segunda lei tornou-se o assunto de sua tese de doutorado em Munique e estava no cerne das pesquisas que o levaram a descobrir o quantum da ação, agora conhecido como constante de Planck h, em 1900.

Em 1859-60 Kirchhoff definiu um corpo negro como um objeto que reemite toda a energia radiante incidente sobre ele, ou seja, é um emissor e absorvedor de radiação perfeito. Havia, portanto, algo absoluto sobre a radiação do corpo negro, e na década de 1890 várias tentativas experimentais e teóricas foram feitas para determinar sua distribuição de energia espectral - a curva exibindo quanta energia radiante é emitida em diferentes frequências para uma dada temperatura do corpo negro. Planck sentiu-se particularmente atraído pela fórmula encontrada em 1896 por seu colega Wilhelm Wien no Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) em Berlim-Charlottenburg, e posteriormente fez uma série de tentativas para derivar a "lei de Wien" com base na segunda lei da termodinâmica. Em outubro de 1900, no entanto, outros colegas do PTR, os experimentalistas Otto Richard Lummer, Ernst Pringsheim, Heinrich Rubens e Ferdinand Kurlbaum, encontraram indicações definitivas de que a lei de Wien, embora válida em altas frequências, quebrou completamente em baixas frequências.

Planck soube desses resultados pouco antes de uma reunião da Sociedade de Física Alemã em 19 de outubro. Ele sabia como a entropia da radiação tinha que depender matematicamente de sua energia na região de alta frequência se a lei de Wien fosse válida ali. Ele também viu o que essa dependência tinha que ser na região de baixa frequência para reproduzir os resultados experimentais lá. Planck adivinhou, portanto, que deveria tentar combinar essas duas expressões da maneira mais simples possível e transformar o resultado em uma fórmula relacionando a energia da radiação à sua frequência.

O resultado, conhecido como lei da radiação de Planck, foi aclamado como indiscutivelmente correto. Para Planck, no entanto, era simplesmente um palpite, uma "intuição de sorte". Para ser levado a sério, teria de ser derivado de algum modo dos primeiros princípios. Essa foi a tarefa para a qual Planck imediatamente direcionou suas energias e, em 14 de dezembro de 1900, ele havia conseguido - mas com grande custo. Para atingir seu objetivo, Planck descobriu que precisava renunciar a uma de suas crenças mais acalentadas, que a segunda lei da termodinâmica era uma lei absoluta da natureza. Em vez disso, ele teve que abraçar a interpretação de Ludwig Boltzmann, de que a segunda lei era uma lei estatística. Além disso, Planck teve que assumir que os osciladores que compõem o corpo negro e reemitem a energia radiante incidente sobre eles não poderiam absorver essa energia continuamente, mas apenas em quantidades discretas, em quanta de energia apenas distribuindo estatisticamente esses quanta, cada um contendo uma quantidade de energia hν proporcional à sua frequência, através de todos os osciladores presentes no corpo negro, Planck poderia derivar a fórmula que ele havia acertado dois meses antes. Ele apresentou evidências adicionais para a importância de sua fórmula, usando-a para avaliar a constante h (seu valor era 6,55 × 10 −27 erg-segundo, próximo ao valor moderno de 6,626 × 10 −27 erg-segundo), bem como a chamada constante de Boltzmann (a constante fundamental na teoria cinética e na mecânica estatística), O número de Avogadro e a carga do elétron. Com o passar do tempo, os físicos reconheceram cada vez mais claramente que - porque a constante de Planck não era zero, mas tinha um valor pequeno, mas finito - o mundo microfísico, o mundo das dimensões atômicas, não poderia, em princípio, ser descrito pela mecânica clássica comum. Uma profunda revolução na teoria física estava em andamento.

O conceito de quanta de energia de Planck, em outras palavras, conflitava fundamentalmente com todas as teorias físicas anteriores. Ele foi levado a introduzi-lo estritamente pela força de sua lógica - ele era, como disse um historiador, um revolucionário relutante. Na verdade, passaram-se anos antes que as consequências de longo alcance da realização de Planck fossem geralmente reconhecidas, e nisso Einstein desempenhou um papel central. Em 1905, independentemente do trabalho de Planck, Einstein argumentou que, em certas circunstâncias, a própria energia radiante parecia consistir em quanta (quanta de luz, mais tarde chamados de fótons), e em 1907 ele mostrou a generalidade da hipótese quântica usando-a para interpretar a dependência da temperatura dos calores específicos de sólidos. Em 1909, Einstein introduziu a dualidade onda-partícula na física. Em outubro de 1911, Planck e Einstein estavam entre o grupo de físicos proeminentes que compareceu à primeira conferência Solvay em Bruxelas. As discussões lá estimularam Henri Poincaré a fornecer uma prova matemática de que a lei de radiação de Planck necessariamente exigia a introdução de quanta - uma prova que converteu James Jeans e outros em defensores da teoria quântica. Em 1913, Niels Bohr também contribuiu muito para seu estabelecimento por meio de sua teoria quântica do átomo de hidrogênio. Ironicamente, o próprio Planck foi um dos últimos a lutar por um retorno à teoria clássica, uma postura que ele mais tarde considerou não com pesar, mas como um meio pelo qual ele se convenceu completamente da necessidade da teoria quântica. A oposição à hipótese quântica de luz radical de Einstein de 1905 persistiu até depois da descoberta do efeito Compton em 1922.


Max Planck e o problema da radiação do corpo negro

Radiação de calor

A primeira pista de que a radiação também pode ter propriedades semelhantes às de partículas surgiu em 1900. Ela surgiu em um trabalho aparentemente inócuo sobre a radiação de calor. Esse tipo de radiação é familiar a todos. É a radiação que aquece nossas mãos diante do fogo, que queima a torrada e que proporciona o brilho intenso de uma fornalha. Os físicos têm medido quanta energia é encontrada em cada uma das diferentes frequências (ou seja, cores) que compõem a radiação de calor. Essa distribuição varia com a temperatura da radiação. Como um corpo que emite radiação passa do vermelho para o laranja e para o branco, as frequências com a maior energia mudam correspondentemente.

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Em 1900, quando os dados mais novos e mais recentes chegaram, Max Planck em Berlim estava trabalhando na compreensão dos processos físicos que levaram a essas distribuições de energia. Ele estava bem ciente dos últimos resultados de seus colegas de Berlim, Lummer e Pringsheim, e de que nenhuma teoria atual se encaixava em seus últimos dados experimentais. Ele planejou um novo relato que se encaixou muito bem. Em seu relato, a radiação de calor é um amontoado de muitas frequências de ondas eletromagnéticas que chegaram ao equilíbrio em uma cavidade. As ondas são absorvidas e emitidas por cargas oscilantes nas paredes da cavidade. Dessa forma, a temperatura das paredes pode ser transmitida para a própria radiação. A cavidade é realmente apenas um forno e está enchendo o espaço interno com radiação de calor. Essa radiação dentro da cavidade era conhecida como "radiação da cavidade".

Se uma minúscula janela fosse aberta nas paredes da cavidade, a radiação liberada também teria a temperatura da cavidade. Alguns argumentos termodinâmicos inteligentes mostraram que ele tinha exatamente a mesma composição da radiação reemitida por um corpo na mesma temperatura se esse corpo tivesse a propriedade especial de absorver perfeitamente toda a radiação que caísse sobre ele, antes de irradiá-lo novamente. Esses corpos são chamados de "negros", de modo que a forma de radiação é conhecida como "radiação de corpo negro".

Análise de Planck de 1900

Planck encontrou uma fórmula muito simples que se ajustava muito bem aos últimos resultados experimentais. Seu problema era contar uma história teórica sobre como essa fórmula surgiu. Depois de alguma hesitação, ele encontrou essa história. No entanto, o cálculo essencial em sua história dependia de uma suposição muito estranha. (O debate continua hoje sobre se Planck realmente percebeu o quão radical essa suposição era e quão crucial ela era para seu relato.) Planck modelou a radiação de calor como vindo de ressonadores elétricos energizados.

Ressonadores comuns da física clássica são apenas massas vibrando em molas, como mostrado na figura. Eles podem assumir uma gama contínua de energias.

A história de Planck exigia que esses ressonadores não fossem energizados por uma gama contínua de energias. Em vez disso, eles podem receber energias de, digamos, 0, 1, 2, 3,. unidades, mas nada entre . Energias de, digamos, 1,2 unidades ou 3,7 unidades foram proibidas.

Decidir quais unidades se mostraram importantes. As unidades de energia foram associadas à frequência de ressonância do ressonador. Eles foram dados pela fórmula de Planck:

Isso significa que as energias permitidas são (frequência h x), duas vezes (frequência h x), três vezes (frequência h x) e assim por diante.

A letra h representa uma nova constante da natureza introduzida por Planck e agora chamada de "constante de Planck". Essa nova constante desempenha o mesmo papel na teoria quântica que a velocidade da luz na teoria da relatividade - ela nos diz quando os efeitos quânticos serão importantes. O número é muito pequeno, sugerindo que os efeitos quânticos são esperados nos pequenos, por exemplo, para frequências comuns, as unidades de energia dadas pela fórmula de Planck serão muito pequenas, então não notaremos a granularidade que requer quando olhamos para o energias maiores da experiência comum dos sistemas. (h = 6,62 x 10 -27 segundos erg.)

A fórmula original de Planck aplicada à energia dos ressonadores. Ele se esforçou para limitar a descontinuidade sugerida a esses ressonadores e mesmo apenas à interação entre a radiação e os ressonadores. Na década seguinte, outros físicos começaram a ver que a descontinuidade não poderia ser confinada. Computações análogas às de Planck de 1900 poderiam ser aplicadas diretamente à radiação de calor. Eles concluíram que a fórmula de Planck também se aplicava diretamente à radiação de calor. Em cada frequência, a energia da radiação de calor deve vir em unidades inteiras de frequência h x. Essa conclusão é difícil de conciliar com a ideia de que a radiação de calor é puramente um fenômeno de onda.


4 respostas 4

"Um estado puro é o estado quântico onde temos informações exatas sobre o sistema quântico. E o estado misto é a combinação de probabilidades das informações sobre o estado quântico. Distribuições diferentes de estados puros podem gerar estados mistos equivalentes. Eu não entendi como uma combinação de informações exatas pode resultar na combinação de probabilidades. ".

Em uma esfera de Bloch, os estados puros são representados por um ponto na superfície da esfera, enquanto os estados mistos são representados por um ponto interno. O estado completamente misturado de um único qubit $ << frac <1> <2>> I_ <2> ,> $ é representado pelo centro da esfera, por simetria. A pureza de um estado pode ser visualizada como o grau em que ele está próximo à superfície da esfera.

Na mecânica quântica, o estado de um sistema quântico é representado por um vetor de estado (ou ket) $ | psi rangle $. Um sistema quântico com um vetor de estado $ | psi rangle $ é chamado de estado puro. No entanto, também é possível que um sistema esteja em um conjunto estatístico de diferentes vetores de estado: Por exemplo, pode haver uma probabilidade de 50% de que o vetor de estado seja $ | psi_1 rangle $ e 50% de chance de que o vetor de estado seja $ | psi_2 rangle $.

Este sistema estaria em um estado misto. A matriz de densidade é especialmente útil para estados mistos, porque qualquer estado, puro ou misto, pode ser caracterizado por uma única matriz de densidade.

O vetor de estado $ | psi rangle $ de um estado puro determina completamente o comportamento estatístico de uma medida. Para concretude, pegue uma quantidade observável e seja A o operador observável associado que tem uma representação no espaço de Hilbert $ < mathcal > $ do sistema quântico. Para qualquer função analítica de valor real $ F $ definida nos números reais, suponha que $ F (A) $ seja o resultado da aplicação de $ F $ ao resultado de uma medição. O valor esperado de $ F (A) $ é

$ langle psi | F (A) | psi rangle ,. $

Agora considere um estado misto preparado pela combinação estatística de dois estados puros diferentes $ | psi rangle $ e $ | phi rangle $, com as probabilidades associadas $ p $ e $ 1 - p $, respectivamente. As probabilidades associadas significam que o processo de preparação para o sistema quântico termina no estado $ | psi rangle $ com probabilidade $ p $ e no estado $ | phi rangle $ com probabilidade $ 1 - p $.


As flutuações quânticas criaram o universo?

Dada a discussão levantada pelo último livro de Stephen Hawking & # 8217s, alguns de nossos leitores podem achar esta resposta, postada pelo Professor Edgar Andrews em um tópico de discussão da Amazon.co.uk, útil:

& # 8220 Ninguém fez evolução. Surge como uma consequência natural e inevitável das leis da natureza no universo em que nos encontramos, que são uma consequência natural e inevitável da flutuação quântica completamente aleatória que causou o big bang, ponto em que as & # 8220laws & # 8221 de causalidade se desfez, portanto, não faz sentido perguntar quem ou o que causou isso. & # 8221

& # 8220Mas isso realmente não & # 8217não limpa, certo? Ao mesmo tempo, você diz que o big bang foi causado por flutuações quânticas e, em seguida, afirma que não faz sentido perguntar o que causou o big bang. Isso pode ser pós-modernismo, mas certamente não é lógica (ou física). Mas existem falácias mais profundas com suas explicações, como segue:

1) As leis da natureza, você diz, são as & # 8220conseqüências capazes & # 8221 de & # 8220 flutuações quânticas completamente aleatórias & # 8221. Por qual lógica as consequências inevitáveis ​​podem surgir de eventos aleatórios? Os eventos aleatórios só podem levar a consequências contingentes, mas para serem & # 8220incapazes & # 8221 as consequências não podem ser contingentes, mas devem ser determinadas (necessárias).

2) Para que as leis da natureza sejam uma & # 8220consequência & # 8221 de qualquer coisa, o princípio da causalidade deve operar. Sem causalidade, não pode haver causas nem consequências. Mas então você nos diz que, além do big bang, as leis da causalidade são quebradas. Você realmente não pode ter as duas coisas.

3) Você diz que o big bang foi & # 8220 causado & # 8221 por & # 8220 flutuações quânticas aleatórias & # 8221. Além de reforçar meu último ponto ao invocar a causalidade antes da existência do cosmos, você tem que responder a uma pergunta diferente - flutuações em quê? Antes do big bang não existia matéria, energia, espaço ou tempo, então, por definição, não poderia haver flutuações em qualquer uma dessas entidades. (Se você afirma que havia algo de natureza material & # 8220 lá & # 8221 antes do big bang, não estamos mais falando sobre a origem final do universo).

3) Em seguida, vem outra pergunta. Não são as próprias flutuações quânticas uma manifestação da lei natural (por exemplo, as leis da mecânica quântica)? Como então as flutuações quânticas podem ser a causa final da lei natural, como você afirma? As leis que regem a flutuação quântica foram inventadas? Nem mesmo Stephen Hawking acredita nisso. & # 8221 [/ pk_box]

Edgar Andrews é o Professor Emérito de Materiais da Universidade de Londres e autor do excelente livro, Quem fez Deus? Em busca de uma teoria de tudo. Quem fez Deus? está disponível nas livrarias da Amazon e da Nova Zelândia (Grace & amp Truth Publications tem cópias disponíveis por $ 24 NZD).

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I & # 8217v sempre duvidei da teoria do big bang. Para mim o universo é infinito como a energia é infinita e o universo é puramente energia, tudo o que é formado a partir de energia e energia não pode ser perdido apenas a informação na energia, veja os desenvolvimentos recentes na pesquisa de buracos negros onde eles provaram apenas isso, então é realmente simples, o universo sempre foi apenas diferente de como o conhecemos. Pensar que não havia nada e de repente explodir um universo é tão ridículo quanto a ideia cristã da criação. Pense desta forma, os buracos negros sugam energia do universo e sóis ou buracos brancos, que é o que eles são exatamente o oposto de um buraco negro, expelem energia de volta para o universo e a informação da energia é alterada no processo . Você não pode criar mais energia ou esgotar a energia, você só pode converter energia & # 8230 .. Verdadeiro infinito.

A energia não é infinita. Onde você descobriu que era, não pode ser uma fonte confiável. Provavelmente, você não entendeu o que estava lendo. A energia, junto com o universo, começou a existir de acordo com as previsões do modelo padrão do Big Bang.

Você diz: & # 8220Pensar que não havia nada e de repente explodir um universo é tão ridículo quanto a ideia cristã da criação. & # 8221
Bem, nada então BANG, um universo, é ridículo, eu concordo. Nada vem do nada, como dizem os filósofos. Mas isso não é tão ridículo quanto a ideia cristã da criação. A ideia cristã da criação atribui a causa do universo a Deus. A visão cristã concorda com a máxima filosófica, pois nesta visão algo (o universo) veio de algo (Deus), não que algo veio do nada.

A lei da conservação da energia na física não diz que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas alterada para diferentes formas de energia, como o princípio da conversão massa / matéria é com a matéria? Se a energia e a matéria em um sistema fechado (O universo se qualificaria como um sistema fechado, já que o que está fora do horizonte cosmológico do Big Bang?) Não podem ser criados ou destruídos, simplesmente transformados em diferentes formas de matéria e energia, se eles permanecem constantes neste sistema fechado de um universo em que vivemos, como ditam as leis da física, não seria lógico pensar que toda essa massa e energia que compõe nosso universo SEMPRE existiu?

O Big Bang afirma que o universo já foi uma singularidade, pois até onde podemos ir, devido às leis da física como as conhecemos, quebram-se inteiramente e depois se expandem a partir daí. Talvez toda matéria e energia no universo existisse naquela singularidade, e sempre existiu, nenhum criador ou deus precisou? Talvez as leis da física tenham que adormecer um pouco, como pensamos que fazem nas singularidades, para que as flutuações quânticas façam seu trabalho?

John, sua afirmação tem várias dificuldades intransponíveis. Primeiro, você não pode explicar a questão original que tem atormentado Hawking e outros físicos teóricos por décadas: por que algo em vez de nada? Independentemente do & # 8220tamanho & # 8221 de sua singularidade (relativa em qualquer sentido), ela deve ser considerada. Em segundo lugar, considere as condições que levaram à & # 8220instabilidade & # 8221 da singularidade que causou o crescimento inicial (hiperinflação). Por que ficar em dormência por uma eternidade e depois mudar radicalmente. De onde vem o ímpeto? Uma mudança na condição exige causalidade. Além disso, as probabilidades de eventos quânticos são diretamente proporcionais aos intervalos de tempo. Conforme o tempo diminui, a probabilidade diminui. Para um evento de singularidade do momento & # 8220criação & # 8221, tempo = zero, portanto probabilidade = zero. Não há justificativa para negar a Lei de Causa e Efeito simplesmente porque é teológica ou filosoficamente desconfortável. Additionally the existence of information and intelligence mandates a prior intelligence to the formation of the universe, it is inescapable. If we were to approach any other discipline, such as forensics or engineering, with the same degree of closed-mindedness of pure naturalism, we would of necessity arrive at ludicrous and illogical conclusions.

The laws of thermodynamics (and specifically, the first law you mentioned that states energy cannot be created or destroyed) only applies once the universe is created – not before there is a universe. It only aplies within the universe – not on the universe. So there’s no contradiction here with the science of thermodynamics and the idea that the universe began to exist.

You make some interesting points of course. However, The Big Bang as a cosmological Theory is still relatively incomplete. I was simply postulating a possibility, that matter and energy, and by necessity our universe, in one state or another is eternal. I will say it truthfully, I can’t account for what caused hyper inflation to begin with, there are a couple of ideas out there, like i said with quantum fluctuations being a possible source, but of course modern science cant push our theoretical framework passed the Planck scale, because once you go passed that, everything breaks down, including the laws of thermodynamics I believe, Stuart.

However Ktisis, you then go on to say that information and intelligence existing as part of this universe must necessitate a prior intelligence. You are making this claim on what grounds? Why is it mandated that intelligence needs a source? Why isn’t it a by-product of evolution? No where in science does it say we know how the universe started, because we dont know, we have theories, ideas of how it might have happened, based on measurable phenomenon we are currently able to observe, but no concrete ” Yeah, this is how it went down”. When you say God did it, the burden of proof is on you.

Apply Occam’s Razor then – What is simplest? God did it, which of course brings to mind all kinds of stuff like, if God created the universe, who created God?

Or the universe has always existed, in one state or another? We can see the universe, we can test the universe. Theres all kinds of matter and energy, abundunt everywhere, but no proof, no testable effect, of God having done it.

I’d like to ask before hand you guys disregard the general anti-religious flavor of the above video, as it is hosted by Richard Dawkins. It’s a presentation by Lawrence Krauss (also an atheist, forgive him his Religious snide commentary) on the possibility of the beggining of the universe. It’s interesting to watch, if you love science.

I’d also like to say that I myself am not an atheist, i honestly couldn’t categorize, as I neither believe in any of the dominant religions of our day and age, nor hold any particular atheistic views, I guess I’m agnostic. However, I find some of the anti-religious rhetoric that comes from people like Dawkins a tad distasteful, so I simply ask for a little forgiveness.

Actually you can test Theism as a hypothesis. For instance, If God (as concieved by Christians) exists, then the universe had a beginning.

Your theory that matter and energy are eternal will not work. Two philosophical proofs, (1) from the impossibilty of an acutal infinite, and (2) from the impossibilty of reaching an actual infinite by a series of equal successions, rule this out. Otherwise, there are scientific proofs that the universe is not eternal in the past. (3) The second law of Thermodynamics, the law of energy conservation indicates that the universe is not eternal in the past, and (4) the predictions of the Standard Big Bang Model. Here you say the theoretical framework cannot be extended beyong the planck time. Thats wrong. It is observation that cannot be extended beyond the planck time, not the theory. Only the breifest glance at the history of 20th century cosmogonies is enough to show this. However, due to the lengthy procession of failed theories that have sought to divert the absolute beginning of the universe predicted by the Standard Model and extend its life into the infinite past, we have good reason to think that future attempts will also be unsuccessful. Secondly, the Bord Guth Vilenkin theorum (c. 2004) positively proves that the universe had a beginning, by showing that any universe that has been in a state of cosmic inflation cannot be extended into the infinite past, but had an absolute beginning.

So given the universe had a beginning (premise 2, KCA), and that nothing can come from nothing (premise 1, KCA), applying Occam’s Razoris not detrimental to the conclusion of the KCA, nor Theism since we are ‘not positing anything beyond necessity.’ Thats Occam’s Razor. Occam’s Razor is not whatever explanation is simplest. And for whatever its worth, God as the cause of the universe is an advance in simplicity anyway, since God is simple compared to the effect – the complex material universe. God is an immaterial mind – tremendously simple entity (even if God did have a cause).

Sure you can hypothesize with theism to your heart’s content, but there is no empirical data, no measurable effect to prove your hypothesis. What do you use as empirical data to prove God? I’m not even referring to any particular one, for sake of argument, we will list God as the being who created the universe, hypothetically

Also, you say you cant get something from nothing, which is of course correct. The problem is, there is no such thing as “Nothing” The Quantum Vacuum as shown in the Casimir Effect shows this. Even in Vacuum there are quantum fluctuations, with virtual particles popping in and out of existence.

Also, you keep mentioning the law of thermal dynamics, but physical laws as we know them break down at the singularity and no longer apply, hence why observation doesn’t extend past the Planck scale of the cosmological singularity predicted in the Standard Model, because the laws and rules of the universe that we use for most science dont apply at the singularity, they don’t do what they are supposed to.

The thing is, we have no clue what happened prior to the Big Bang. The difference is, you claim that at the beggining it was God that set the ball rolling. Where is the Proof? There isn’t any. I was just theorizing, and of course, as you pointed out, there are many reasons for my theory to not be correct. The theistic Idea however, has no evidence to support it whatsoever, It’s totally in the domain of philosophy.

Saying the universe has a begining is not the same as saying it came from nothing.. It simply suggests that there is something external. It doesn’t have to be a God.

the fact is nobody knows. Saying God did it explains nothing.

Hey what happened to my previous post

Censorship isn’t fair in a debate guys

Also, The BGV theorem has this to say, quoted directly from the paper

Many inflating spacetimes are likely to violate the weak energy condition, a key assumption of singularity theorems. Here we offer a simple kinematical argument, requiring no energy condition, that a cosmological model which is inflating — or just expanding sufficiently fast — must be incomplete in null and timelike past directions. Specifically, we obtain a bound on the integral of the Hubble parameter over a past-directed timelike or null geodesic. Thus inflationary models require physics other than inflation to describe the past boundary of the inflating region of spacetime.
……
and later

Whatever the possibilities for the boundary, it is clear
that unless the averaged expansion condition can somehow
be avoided for all past-directed geodesics, inflation
alone is not sufficient to provide a complete description of
the Universe, and some new physics is necessary in order
to determine the correct conditions at the boundary

“inflation alone is not sufficient to provide a complete description of
the Universe, and some new physics is necessary in order
to determine the correct conditions at the boundary”

It doesn’t say anything about God, Just that there is some kind of new physics that we are not aware of that would be responsible.
Your twisting that paper to suit your preconceptions Stuart. You’re inserting “God” As the new physics. Youre combining philosophy and science., not a very logical thing to do.

You also make some other wild assumptions that have no basis in fact.
“God is an immaterial Mind” What do you base this off? Where is your empirical evidence of this?
“God is Simple ” Once again, evidence? Where is your evidence?
The existence of God as the cause immediatley leads to infinite regression, as if God is the cause of the universe what is the cause of god? Thats complex, not simple.

John, it doesn’t really reflect well on you when you jump to the conclusion that your comment wasn’t immediately published because of “censorship”.

Our comment filter is fairly stringent to avoid spam, which we get a lot of. So most comments have to be manually approved. And believe it or not, we don’t sit in the WordPress dashboard all day hitting the Refresh button P

There is a major philosophical problem with your above comments. I will freely admit there is no purely empirical evidence for God. However, empirical evidence can be used to support a premise, which when combined with philosophical notions in other premises can lead toward a logical conclusion. You say comining philosophy and science is illogical? No. This method describes the process of forming every other reasonable belief, including scientific beliefs formed by responsible empirical enquiry.

For instance, one could say, there is a creature out there with certain attributes, say for instance it has wings, can swim as well as a fish, the male sits on the eggs to keep it warm, it can grow as tall as 100cm. We can be skeptical about it, because its doesn’t sound like anything we’ve ever seen or experienced. But when we hear about the emperor penguin, (perhaps you saw it for yourself, perhaps you read about it, or heard it described on the BBC by David Attinborough) you say to youself, ‘Hey, this fits the description.’ Then we combine this empirical evidence a philosophical assumption (hidden premise), i.e. “The report I am recieving from my senses is trustworthy,” and/or “This creature is not logically impossible,” and/or ” Likewise, Attinborough would not make this up, but he and his crew would have a direct and immediate sensory impression.” We then can conclude justifiably ‘My hypothesis [of such a creture with certain attributes] was right after all.’ Likewise, we have a concept of God as having certain attributes, we know from the KCA that the universe has a cause, and then when we consider what it would mean for something to be a cause of the universe, then we can say, ‘Hey, this fits the description of such a being.’

This is like Aquinas saying, ‘And this being, everyone calls God.’ What properties does the “something external [to the universe]” have, do you think? Now doesn’t such a description fit the concept of God quite nicely? And what are you going to call it? This being/cause/whatever, afterall, created the universe.

I agree there is no such THING as nothing. After all, thats the meaning of nothing – No-thing. Some people call the vacuum “nothing” but it is clearly not nothing. It is something, endowed and governed by physical laws. The universe however began from nothing in the sense of creatio ex nihilo, No-thing.

This is the prediction of the Standard Big Bang Model. Other models that have tried to extend the universe into the infinite past have continually failed to recommend themselves to the scietific community, and because of the Bord Guth Vilenkin theorem, cannot be infinite in the past since the theorem is independant of a physical description of the past universe. It was Alan Guth, I believe, who said, “With the proof now in, cosmologists must now face the problem of an absolute beginning.”

I’m not inserting God here as the new physics! I’m using the Bord Guth Vilenkin theorem as support for the beginning of the universe.

“God is an immaterial mind.” I base this off the revealed and traditional concept of God. But is there another reason why the creator or cause of the universe would be an immaterial mind. Since the universe is all that is material, the cause of the universe must be immaterial. Since the only immaterial things that philsophers are aware of are minds and abstract objects, and since abstract objects cannot cause anything, then the cause of the unvierse must be a mind. Thus, the cause of the universe must be an immaterial mind. God is an immaterial mind. And an immaterial mind is tremendously simple. It cannot be divided since it has not physical parts – it has no components to put together.

“The existence of God as the cause immediatley leads to infinite regression, as if God is the cause of the universe what is the cause of god? Thats complex, not simple.”

If God had a cause that wouldn’t mean he was complex. But what is your problem with infinite regressions anyway? Its an eternal universe that é an infinite regression, which based on your above comments above, you don’t have a problem with. A major inconsistancy in your arguments here.

And why would you think that a being that bought time into existence with the universe, itself began to exist? This is your burden if you’re to advance this argument. It is unfortunately for those who advance the argument immediately apparent the very question is ridiculous. The cause of the universe (all space and time) must be timeless, thus be beginningless and unchanging. That which is beginningless and unchanging is necessary: the universe is contingent (it didn’t have to exist) – the cause of the unverse must be not-contingent, i.e. necessary (it had to exitst). So the question “Who made God?” is therefore exactly “What was the cause of an uncaused cause?” Analogously, it is like the question “What is the name of the bachelor’s wife?” or like saying “The area of the circle is the square of both its sides.” It’s idiotic. Mesmo! Why people think its profound is beyond me.

Refer to the website address at http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy pertaining to dark energy.

The following is the extract of the second paragraph under the sub-title of “Negative Pressure” for the main subject of the ‘Nature Of Dark Energy’:

According to General Relativity, the pressure within a substance contributes to its gravitational attraction for other things just as its mass density does. This happens because the physical quantity that causes matter to generate gravitational effects is the Stress-energy tensor, which contains both the energy (or matter) density of a substance and its pressure and viscosity.

As the phrase, the physical quantity that causes matter to generate gravitational effects is mentioned in the extracted paragraph, it gives the implication that physical quantity of matter has to exist prior to the generation of gravitational effects. Or in other words, it opposes the principality that gravitational effects could occur at the absence of matter. As it is described pertaining to Dark Energy, it implies that Dark Energy could only be derived from the existence of the physical quantity of matter. This certainly rejects Stephen Hawking’s theory in which dark energy could exist prior to the formation of the universe as if that dark energy could exist the support or influence from the physical quantity of matter.

The following is the extract of the third paragraph under the sub-title of ‘Cosmological Constant’ for the main subject of the ‘Nature of Dark Energy’:

The simplest explanation for dark energy is that it is simply the “cost of having space”: that is, a volume of space has some intrinsic, fundamental energy. This is the cosmological constant, sometimes called Lambda (hence Lambda-CDM model) after the Greek letter ?, the symbol used to mathematically represent this quantity. Since energy and mass are related by E = mc2, Einstein’s theory of general relativity predicts that it will have a gravitational effect..

E = mc2 has been used to be related to Dark Energy. As energy and mass are related in according to General Relativity and if m = 0, no matter how big the number that c could be, E (the dark energy) would turn up to be 0 since 0 is multiplied by c2 always equal to 0. Or in other words, E (the dark energy) should be equal to 0 at the absence of substance. Stephen Hawking’s theory certainly contradicts Eistein’s theory in the sense that he supports that dark energy could exist even though there could not be any matter existed prior to the formation of the universe. As E (the dark energy should be equal to 0) when m=0, it provides the proof that there would not be at dark energy prior to the formation of the universe. As there would not be any dark energy prior to the formation of the universe, how could Stephen Hawking uses quantum theory to support that gravity or the so-called, dark energy, could create something out of nothing. Thus, Stephen Hawking has twisted Eistein’s theory to support his own theory.

Refer to the website address at: http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newtongrav.html pertaining to the law of universal gravitation. The following is the extract of the definition of law of universal gravitation:

Every object in the universe attracts every other object with a force directed along the time of centers for the two objects that is proportional to the product of their masses and inversely separation between the two objects. Fg = G(m1 m2)//r2. (Fg is the gravitational force m1 & m2 are the masses of the two objects r is the separation between the objects and G is the universal gravitational constant. From the formula, we note that Fg (the gravitational force or in replacement of dark energy) has a direct influence from two masses (m1 & m2). If either of the m is equal to 0, Fg would turn up to be 0. Isaac Newton’s theory certainly opposes Stephen Hawking in which gravity or the so-called, dark energy, could exist at the absence of matter prior to the formation of this universe in this energy or gravity could create something out of nothing.

From the above analyses, it would come to the conclusion that Stephen Hawking has twisted both Newton’s theory as well as Eistein to support his quantum theory in which gravity, or the so-called, dark energy, could create something out of nothing.

As Stephen Hawking has twisted both Newton’s gravitational theory and Eistein to support his theory that quantum fluctuation could create the universe, this gives us the idea that his theory contradicts sicence in realtiy and that put his theory to be in doubts about its reliability and acceptability.

Stephen Hawking might mention that both Newton’s gravitational theory and Eistein are wrong. As he was not born at the time of the formation of the universe to observe its creation, his theory is simply not tested and ithrough his wild imagination by twisting scientific theories to suit his concept.

Could we have some rebuttal from John for Stuart? The debate was going very nicely, and I would love to see how John would come back, and I’m sure Stuart would too!


The real history of quantum biology

Credit: CC0 Public Domain

Quantum biology, a young and increasingly popular science genre, isn't as new as many believe, with a complicated and somewhat dark history, explain the founders of the world's first quantum biology doctoral training centre.

In a paper published by the Royal Society journal, Proceedings of the Royal Society A, Professors Johnjoe McFadden and Jim Al-Khalili from the University of Surrey trace the origins of quantum biology as far back as the late 1920s when the Danish physicist, Niels Bohr, delivered an influential lecture on whether the then new 'atomic theory' could help solve the mystery of life.

In their paper, The origins of quantum biology, McFadden and Al-Khalili examine nearly 100 years of pioneering and improbable questions about the relationship between the fuzzy and almost magical world of quantum physics and the rigid and organised field of biology.

Quantum biology seeks to understand whether quantum mechanics plays a role in biological processes. Recent research has already shown phenomena such as photosynthesis, respiration, bird navigation and even the way we think are all influenced by quantum mechanics.

Earlier this year, Professors McFadden and Al-Khalili opened the doors to their new Doctoral Training Centre for Quantum Biology. The centre, which is supported by the Leverhulme Trust, trains a new generation of scientists who can operate across the boundaries of biology, chemistry and quantum physics to pioneer research in quantum biology.

Johnjoe McFadden, Professor of Molecular Genetics and Co-Director of the Centre for Quantum Biology at the University of Surrey, said: "Quantum biology is wrongly regarded as a very new scientific discipline, when it actually began before the Second World War. Back then, a few quantum physicists tried to understand what was special about life itself and whether quantum mechanics might shed any light on the matter. In this paper we tell the story of how it all began and why it is only now making a comeback."

Jim Al-Khalili, Professor of Physics and Co-Director of the Centre for Quantum Biology at the University of Surrey, said: "With the University of Surrey now hosting the world's first doctoral training centre in quantum biology and training Ph.D. students in this interdisciplinary field, we felt it was a good time tell the world something about its origins.

"We had wanted to lay out the history of quantum biology as far back as 2015, when Johnjoe and I wrote our popular science book,Life on the Edge, which has already been translated into 16 languages and was shortlisted for the Royal Society Winton Book Prize."


Plum Pudding Model and Rutherford Model

JESPER KLAUSEN / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

Up to this point, atoms were believed to be the smallest units of matter. In 1897, J.J. Thomson discovered the electron. He believed atoms could be divided. Because the electron carried a negative charge, he proposed a plum pudding model of the atom, in which electrons were embedded in a mass of positive charge to yield an electrically neutral atom.

Ernest Rutherford, one of Thomson's students, disproved the plum pudding model in 1909. Rutherford found that the positive charge of an atom and most of its mass were at the center, or nucleus, of an atom. He described a planetary model in which electrons orbited a small, positive-charged nucleus.


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Origin and education Edit

Louis de Broglie belonged to the famous aristocratic family of Broglie, whose representatives for several centuries occupied important military and political posts in France. The father of the future physicist, Louis-Alphonse-Victor, 5th duc de Broglie, was married to Pauline d’Armaille, the granddaughter of the Napoleonic General Philippe Paul, comte de Ségur. They had five children in addition to Louis, these are: Albertina (1872–1946), subsequently the Marquise de Luppé Maurice (1875–1960), subsequently a famous experimental physicist Philip (1881–1890), who died two years before the birth of Louis, and Pauline, Comtesse de Pange (1888–1972), subsequently a famous writer. [13] Louis was born in Dieppe, Seine-Maritime. As the youngest child in the family, Louis grew up in relative loneliness, read a lot, was fond of history, especially political. From early childhood, he had a good memory and could accurately read an excerpt from a theatrical production or give a complete list of ministers of the Third Republic of France. For him was predicted a great future as a statesman. [14]

De Broglie had intended a career in humanities, and received his first degree in history. Afterwards he turned his attention toward mathematics and physics and received a degree in physics. With the outbreak of the First World War in 1914, he offered his services to the army in the development of radio communications.

Military service Edit

After graduation, Louis de Broglie as a simple sapper joined the engineering forces to undergo compulsory service. It began at Fort Mont Valérien, but soon, on the initiative of his brother, he was seconded to the Wireless Communications Service and worked on the Eiffel Tower, where the radio transmitter was located. Louis de Broglie remained in military service throughout the First World War, dealing with purely technical issues. In particular, together with Léon Brillouin and brother Maurice, he participated in establishing wireless communications with submarines. Prince Louis was demobilized in August 1919 with the rank of adjudant. Later, the scientist regretted that he had to spend about six years away from the fundamental problems of science that interested him. [14] [15]

Scientific and pedagogical career Edit

His 1924 thesis Recherches sur la théorie des quanta [16] (Research on the Theory of the Quanta) introduced his theory of electron waves. This included the wave–particle duality theory of matter, based on the work of Max Planck and Albert Einstein on light. This research culminated in the de Broglie hypothesis stating that any moving particle or object had an associated wave. De Broglie thus created a new field in physics, the mécanique ondulatoire, or wave mechanics, uniting the physics of energy (wave) and matter (particle). For this he won the Nobel Prize in Physics in 1929.

In his later career, de Broglie worked to develop a causal explanation of wave mechanics, in opposition to the wholly probabilistic models which dominate quantum mechanical theory it was refined by David Bohm in the 1950s. The theory has since been known as the De Broglie–Bohm theory.

In addition to strictly scientific work, de Broglie thought and wrote about the philosophy of science, including the value of modern scientific discoveries.

De Broglie became a member of the Académie des sciences in 1933, and was the academy's perpetual secretary from 1942. He was asked to join Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais, but declined because he was non-religious. [17] [18] On 12 October 1944, he was elected to the Académie Française, replacing mathematician Émile Picard. Because of the deaths and imprisonments of Académie members during the occupation and other effects of the war, the Académie was unable to meet the quorum of twenty members for his election due to the exceptional circumstances, however, his unanimous election by the seventeen members present was accepted. In an event unique in the history of the Académie, he was received as a member by his own brother Maurice, who had been elected in 1934. UNESCO awarded him the first Kalinga Prize in 1952 for his work in popularizing scientific knowledge, and he was elected a Foreign Member of the Royal Society on 23 April 1953.

Louis became the 7th duc de Broglie in 1960 upon the death without heir of his elder brother, Maurice, 6th duc de Broglie, also a physicist.

In 1961, he received the title of Knight of the Grand Cross in the Légion d'honneur. De Broglie was awarded a post as counselor to the French High Commission of Atomic Energy in 1945 for his efforts to bring industry and science closer together. He established a center for applied mechanics at the Henri Poincaré Institute, where research into optics, cybernetics, and atomic energy were carried out. He inspired the formation of the International Academy of Quantum Molecular Science and was an early member. [19] His funeral was held 23 March 1987 at the Church of Saint-Pierre-de-Neuilly. [20]

Louis never married. When he died in Louveciennes, [6] he was succeeded as duke by a distant cousin, Victor-François, 8th duc de Broglie.

Physics of X-ray and photoelectric effect Edit

The first works of Louis de Broglie (early 1920s) were performed in the laboratory of his older brother Maurice and dealt with the features of the photoelectric effect and the properties of x-rays. These publications examined the absorption of X-rays and described this phenomenon using the Bohr theory, applied quantum principles to the interpretation of photoelectron spectra, and gave a systematic classification of X-ray spectra. [14] The studies of X-ray spectra were important for elucidating the structure of the internal electron shells of atoms (optical spectra are determined by the outer shells). Thus, the results of experiments conducted together with Alexandre Dauvillier, revealed the shortcomings of the existing schemes for the distribution of electrons in atoms these difficulties were eliminated by Edmund Stoner. [21] Another result was the elucidation of the insufficiency of the Sommerfeld formula for determining the position of lines in X-ray spectra this discrepancy was eliminated after the discovery of the electron spin. In 1925 and 1926, Leningrad physicist Orest Khvolson nominated the de Broglie brothers for the Nobel Prize for their work in the field of X-rays. [13]

Matter and wave–particle duality Edit

Studying the nature of X-ray radiation and discussing its properties with his brother Maurice, who considered these rays to be some kind of combination of waves and particles, contributed to Louis de Broglie's awareness of the need to build a theory linking particle and wave representations. In addition, he was familiar with the works (1919–1922) of Marcel Brillouin, which proposed a hydrodynamic model of an atom and attempted to relate it to the results of Bohr's theory. The starting point in the work of Louis de Broglie was the idea of A. Einstein about the quanta of light. In his first article on this subject, published in 1922, the French scientist considered blackbody radiation as a gas of light quanta and, using classical statistical mechanics, derived the Wien radiation law in the framework of such a representation. In his next publication, he tried to reconcile the concept of light quanta with the phenomena of interference and diffraction and came to the conclusion that it was necessary to associate a certain periodicity with quanta. In this case, light quanta were interpreted by him as relativistic particles of very small mass. [22]

It remained to extend the wave considerations to any massive particles, and in the summer of 1923 a decisive breakthrough occurred. De Broglie outlined his ideas in a short note "Waves and quanta" (French: Ondes et quanta, presented at a meeting of the Paris Academy of Sciences on September 10, 1923), which marked the beginning of the creation of wave mechanics. In this paper, the scientist suggested that a moving particle with energy E and velocity v is characterized by some internal periodic process with a frequency E / h , where h is Planck's constant. To reconcile these considerations, based on the quantum principle, with the ideas of special relativity, de Broglie was forced to associate a "fictitious wave" with a moving body, which propagates with the velocity c 2 / v /v> . Such a wave, which later received the name phase, or de Broglie wave, in the process of body movement remains in phase with the internal periodic process. Having then examined the motion of an electron in a closed orbit, the scientist showed that the requirement for phase matching directly leads to the quantum Bohr-Sommerfeld condition, that is, to quantize the angular momentum. In the next two notes (reported at the meetings on September 24 and October 8, respectively), de Broglie came to the conclusion that the particle velocity is equal to the group velocity of phase waves, and the particle moves along the normal to surfaces of equal phase. In the general case, the trajectory of a particle can be determined using Fermat's principle (for waves) or the principle of least action (for particles), which indicates a connection between geometric optics and classical mechanics. [23]

This theory set the basis of wave mechanics. It was supported by Einstein, confirmed by the electron diffraction experiments of G P Thomson and Davisson and Germer, and generalized by the work of Schrödinger.

However, this generalization was statistical and was not approved of by de Broglie, who said "that the particle must be the seat of an internal periodic movement and that it must move in a wave in order to remain in phase with it was ignored by the actual physicists [who are] wrong to consider a wave propagation without localization of the particle, which was quite contrary to my original ideas."

From a philosophical viewpoint, this theory of matter-waves has contributed greatly to the ruin of the atomism of the past. Originally, de Broglie thought that real wave (i.e., having a direct physical interpretation) was associated with particles. In fact, the wave aspect of matter was formalized by a wavefunction defined by the Schrödinger equation, which is a pure mathematical entity having a probabilistic interpretation, without the support of real physical elements. This wavefunction gives an appearance of wave behavior to matter, without making real physical waves appear. However, until the end of his life de Broglie returned to a direct and real physical interpretation of matter-waves, following the work of David Bohm. The de Broglie–Bohm theory is today the only interpretation giving real status to matter-waves and representing the predictions of quantum theory.

Conjecture of an internal clock of the electron Edit

In his 1924 thesis, de Broglie conjectured that the electron has an internal clock that constitutes part of the mechanism by which a pilot wave guides a particle. [24] Subsequently, David Hestenes has proposed a link to the zitterbewegung that was suggested by Erwin Schrödinger. [25]

While attempts at verifying the internal clock hypothesis and measuring clock frequency are so far not conclusive, [26] recent experimental data is at least compatible with de Broglie's conjecture. [27]

Non-nullity and variability of mass Edit

According to de Broglie, the neutrino and the photon have rest masses that are non-zero, though very low. That a photon is not quite massless is imposed by the coherence of his theory. Incidentally, this rejection of the hypothesis of a massless photon enabled him to doubt the hypothesis of the expansion of the universe.

In addition, he believed that the true mass of particles is not constant, but variable, and that each particle can be represented as a thermodynamic machine equivalent to a cyclic integral of action.

Generalization of the principle of least action Edit

In the second part of his 1924 thesis, de Broglie used the equivalence of the mechanical principle of least action with Fermat's optical principle: "Fermat's principle applied to phase waves is identical to Maupertuis' principle applied to the moving body the possible dynamic trajectories of the moving body are identical to the possible rays of the wave." This equivalence had been pointed out by Hamilton a century earlier, and published by him around 1830, in an era where no experience gave proof of the fundamental principles of physics being involved in the description of atomic phenomena.

Up to his final work, he appeared to be the physicist who most sought that dimension of action which Max Planck, at the beginning of the 20th century, had shown to be the only universal unity (with his dimension of entropy).

Duality of the laws of nature Edit

Far from claiming to make "the contradiction disappear" which Max Born thought could be achieved with a statistical approach, de Broglie extended wave–particle duality to all particles (and to crystals which revealed the effects of diffraction) and extended the principle of duality to the laws of nature.

His last work made a single system of laws from the two large systems of thermodynamics and of mechanics:

When Boltzmann and his continuators developed their statistical interpretation of Thermodynamics, one could have considered Thermodynamics to be a complicated branch of Dynamics. But, with my actual ideas, it's Dynamics that appear to be a simplified branch of Thermodynamics. I think that, of all the ideas that I've introduced in quantum theory in these past years, it's that idea that is, by far, the most important and the most profound.

That idea seems to match the continuous–discontinuous duality, since its dynamics could be the limit of its thermodynamics when transitions to continuous limits are postulated. It is also close to that of Leibniz, who posited the necessity of "architectonic principles" to complete the system of mechanical laws.

However, according to him, there is less duality, in the sense of opposition, than synthesis (one is the limit of the other) and the effort of synthesis is constant according to him, like in his first formula, in which the first member pertains to mechanics and the second to optics:

Neutrino theory of light Edit

This theory, which dates from 1934, introduces the idea that the photon is equivalent to the fusion of two Dirac neutrinos.

It shows that the movement of the center of gravity of these two particles obeys the Maxwell equations—that implies that the neutrino and the photon both have rest masses that are non-zero, though very low.

Hidden thermodynamics Edit

De Broglie's final idea was the hidden thermodynamics of isolated particles. It is an attempt to bring together the three furthest principles of physics: the principles of Fermat, Maupertuis, and Carnot.

In this work, action becomes a sort of opposite to entropy, through an equation that relates the only two universal dimensions of the form:

As a consequence of its great impact, this theory brings back the uncertainty principle to distances around extrema of action, distances corresponding to reductions in entropy.


Later career and writings

After receiving his doctorate, de Broglie remained at the Sorbonne, becoming in 1928 professor of theoretical physics at the newly founded Henri Poincaré Institute, where he taught until his retirement in 1962. He also acted, after 1945, as an adviser to the French Atomic Energy Commissariat.

In addition to winning the Nobel Prize for Physics, de Broglie received, in 1952, the Kalinga Prize, awarded by the United Nations Economic and Social Council, in recognition of his writings on science for the general public. He was a foreign member of the British Royal Society, a member of the French Academy of Sciences, and, like several of his forebears, a member of the Académie Française.

De Broglie’s keen interest in the philosophical implications of modern physics found expression in addresses, articles, and books. The central question for him was whether the statistical considerations that are fundamental to atomic physics reflect an ignorance of underlying causes or whether they express all that there is to be known the latter would be the case if, as some believe, the act of measuring affects, and is inseparable from, what is measured. For about three decades after his work of 1923, de Broglie held the view that underlying causes could not be delineated in a final sense, but, with the passing of time, he returned to his earlier belief that the statistical theories hide “a completely determined and ascertainable reality behind variables which elude our experimental techniques.”