¿Cómo supo Einstein que era necesario incluir la "emisión estimulada" que estaba en la misma dirección que el fotón incidente y en fase con él?
Por extraño que parezca, incluso si no le gustaba la mecánica cuántica, Einstein modeló la emisión estimulada dentro de un marco estadístico:
Einstein ideó una teoría estadística fundamental mejorada del calor, que abarcaba la cantidad de energía.
Albert Einstein abordó por primera vez la posibilidad de la emisión estimulada en un artículo de 1917, después de haber desviado su atención el año anterior de la relatividad general a la interacción de la materia y la radiación, y cómo ambas podrían alcanzar el equilibrio térmico. Einstein ideó una teoría estadística fundamental mejorada del calor, que abarcaba la cantidad de energía.
Primero, Einstein propuso que un átomo excitado aislado puede volver a un estado de menor energía emitiendo fotones, un proceso que denominó emisión espontánea. La emisión espontánea establece la escala para todas las interacciones radiativas, como la absorción y la emisión estimulada. Los átomos solo absorberán fotones de la longitud de onda correcta: el fotón desaparece y el átomo pasa a un estado de mayor energía, preparando el escenario para la emisión espontánea. En segundo lugar, su teoría predecía que cuando la luz pasa a través de una sustancia, podría estimular la emisión de más luz.
Einstein postuló que los fotones prefieren viajar juntos en el mismo estado. Si uno tiene una gran colección de átomos que contienen una gran cantidad de energía en exceso, estarán listos para emitir un fotón al azar. Sin embargo, si pasa un fotón perdido de la longitud de onda correcta (o, en el caso de un láser, se dispara contra un átomo que ya está en un estado excitado), su presencia estimulará a los átomos para que liberen sus fotones antes, y esos fotones se liberarán. viajar en la misma dirección con la misma frecuencia y fase que el fotón perdido original. Se produce un efecto en cascada: a medida que la multitud de fotones idénticos se mueve a través del resto de los átomos, cada vez más fotones serán emitidos desde sus átomos para unirse a ellos.
Usted pregunta: "¿Cómo supo Einstein que era necesario incluir la 'emisión estimulada' que estaba en la misma dirección que el fotón incidente y en fase con él?"
El modelo más simple, la emisión espontánea, irradiaría isotrópicamente en ángulos y, por lo tanto, no se podría construir una onda de manera coherente. Es un postulado de su modelo que la dirección y la fase son las mismas "los fotones prefieren viajar juntos en el mismo estado".
El "preferido" en este modelo es una conjetura que se convirtió en certeza matemática con la teoría de la mecánica cuántica y sus predicciones probabilísticas. "Preferido" en mecánica cuántica significa "alta probabilidad" y sale de la formulación matemática.
Parece que esto se preguntó hace unos 5 años, pero aún responderé a esto. (Porque simplemente no puedo aceptar esos comentarios fanfarrones que ni siquiera pueden responder a la pregunta, pero quieren seguir hablando de cosas al azar. Y este es mi primer comentario en el intercambio de pila)
Antes de Einstein, la gente en ese momento solo podía pensar en "absorción estimulada" y "emisión espontánea". La absorción estimulada es obviamente un proceso conocido (quiero decir, no existe química sin ella) así que no necesito hablar de eso. Pero también en ese momento, la gente al menos tenía el conocimiento de los procesos de desintegración radiactiva (gracias a Marie Curie). Así que también podrían pensar en las emisiones espontáneas.
Ahora, Einstein pensó: "Si la naturaleza puede estimular la absorción, ¿por qué la naturaleza no puede estimular la emisión?". Por cierto, probablemente al principio no pensó en relacionarlo con la emisión Espontánea. Así que solo está pensando en el concepto de absorción estimulada. Asumió que la emisión estimulada también es posible y comenzó a hacer cálculos matemáticos. Primero pensó en un caso de equilibrio térmico. Su ecuación decía que faltaba algo (sobre esto, consulte la conferencia MIT de Youtube). Inmediatamente recordó "Emisión espontánea". Incluyó esto en la ecuación de equilibrio térmico y, sorprendentemente, coincidió con la fórmula de radiación de cuerpo negro de Planck.
Así que dos ideas suyas en las que otras personas no pensaron.
Según este artículo aquí: https://www.ias.ac.in/article/fulltext/reso/006/06/0028-0042 "Einstein as Armchair Detective: The Case of Stimulated Radiation" de Vasant Natarajan, que es un Muy bien escrito e interesante descripción de lo que hizo Einstein, Einstein tuvo que postular la emisión estimulada para que su modelo termodinámico pudiera alcanzar el equilibrio.
Entonces, la respuesta corta es que lo agregó para equilibrar sus ecuaciones.
NS
eldoctor