La teoría de Bohr-Kramers-Slater ( teoría BKS) fue quizás el último intento de comprender la interacción de la materia y la radiación electromagnética sobre la base de la llamada vieja teoría cuántica, en la que los fenómenos cuánticos se tratan imponiendo restricciones cuánticas a las descripciones clásicas. comportamiento. Fue avanzado en 1924 y se adhiere a una descripción de onda clásica del campo electromagnético. Quizás fue más un programa de investigación que una teoría física completa, las ideas que se desarrollan no se elaboran de manera cuantitativa. El propósito de la teoría BKS era refutar la hipótesis de Einstein del cuanto de luz.
Un aspecto, la idea de modelar el comportamiento atómico bajo radiación electromagnética incidente usando "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 renovó la atención a las dificultades en los fundamentos de la antigua teoría cuántica. Sin embargo, físicamente, el elemento más provocador de la teoría, que el impulso y la energía no se conservarían necesariamente en cada interacción, sino que sólo en general, estadísticamente, pronto se mostró en conflicto con el experimento.
Cuando 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 mostró que los resultados podrían explicarse asumiendo que el haz de luz se comporta como cuantos de luz y que la energía y el momento se conservan, Bohr seguía siendo resistente a la luz cuantificada, incluso repudiéndola en su Premio Nobel de 1922. conferencia. De modo que Bohr encontró una forma de utilizar el enfoque de Einstein sin utilizar también la hipótesis cuántica de luz reinterpretando los principios de conservación de la energía y el momento como principios estadísticos. Por lo tanto, fue en 1924 que Bohr, Kramers y Slater publicaron una descripción provocativa 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 e impulso que se conservaban solo en promedio.
La idea inicial de la teoría BKS se originó con John C. Slater, quien propuso a Niels Bohr y Kramers los siguientes elementos de una teoría de emisión y absorción de radiación por átomos, a desarrollar durante su estancia en Copenhague:
Este cuarto punto vuelve a la visión original de Max Planck de su introducción cuántica en 1900. Planck tampoco creía que la luz estuviera cuantificada. Creía que el sólido calentado del cuerpo negro tenía osciladores virtuales y que solo durante las interacciones entre la luz y los osciladores virtuales del cuerpo negro sólido se consideraba el cuanto. Max Planck dijo en 1911: “Sr. Einstein, sería necesario concebir... [de] las ondas de luz mismas como constituidas atomísticamente y, por lo tanto, abandonar las ecuaciones de Maxwell. Este me parece un paso que en mi opinión aún no es necesario…. Creo que, en primer lugar, se debería intentar trasladar todo el problema de la teoría cuántica al área de la interacción entre la materia y la radiación ”.
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 las rotaciones de electrones (en lugar de en las frecuencias de rotación en sí mismas) podría ser atractiva para Bohr porque resolvió un problema del modelo atómico de este último, aunque el significado físico de estos osciladores estaba lejos de ser claro. Sin embargo, Bohr y Kramers tenían dos objeciones a la propuesta de Slater:
Como dice Max Jammer, esto reenfocó la teoría "para armonizar la imagen física del campo electromagnético continuo con la imagen física, no como Slater había propuesto de cuantos de luz, sino de las transiciones cuánticas discontinuas en el átomo". Bohr y Kramers esperaban poder evadir la hipótesis del fotón sobre la base del trabajo en curso de Kramers para describir la "dispersión" (en términos actuales, la dispersión inelástica ) de la luz por medio de una teoría clásica de la interacción de la radiación y la materia. Pero, al abandonar el concepto de fotón, optaron por aceptar directamente la posibilidad de no conservación de la energía y el 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 a través de la emisión de ondas secundarias coherentes ". Aunque Compton ya había dado una descripción atractiva de su experimento sobre la base de la imagen de fotones (incluida la conservación de la energía y el momento en los procesos de dispersión individuales), se afirma en el artículo de BKS que "parece en el estado actual de la ciencia difícilmente justificable rechazar una interpretación formal como la que se está considerando [es decir, el supuesto más débil de conservación estadística ] como 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 por experimentos que estudiaban las correlaciones entre las direcciones en las que se emiten la radiación emitida y el electrón de retroceso en procesos de dispersión individuales. Tales experimentos fueron realizados independientemente por Walther Bothe y Hans Geiger, así como por Arthur Compton y Alfred W. Simon. Proporcionaron evidencia experimental que apuntaba en la dirección de la conservación de la energía y el momento en los procesos de dispersión individuales (al menos, se demostró que la teoría BKS no podía explicar los resultados experimentales). Experimentos más precisos, realizados mucho más tarde, también han confirmado estos resultados.
Como sugiere una carta a Born, para Einstein la corroboración de la conservación de la energía y el impulso era probablemente incluso más importante que su hipótesis de los fotones: "La opinión de Bohr sobre la radiación me interesa mucho. Pero no quiero dejarme llevar a un Renuncia a la causalidad estricta antes de que hubiera una resistencia mucho más fuerte contra ella que hasta ahora. No puedo soportar la idea de que un electrón expuesto a un rayo deba, por su propia decisión libre, elegir el momento y la dirección en la que quiere saltar.. Si es así, prefiero ser un zapatero o incluso un empleado en una casa de juego que un físico. Es cierto que mis intentos de dar la forma palpable de cuantos han fallado una y otra vez, pero no voy a rendirme. Espero por mucho tiempo todavía ".
La reacción de Bohr tampoco estuvo relacionada principalmente con la hipótesis de los fotones. Según Heisenberg, Bohr comentó: "Incluso si Einstein me envía un cable de que se ha encontrado una prueba irrevocable de la existencia física de los cuantos de luz, el mensaje no puede llegar a mí, porque tiene que ser transmitido por ondas electromagnéticas". Para Bohr, la lección que se debe aprender de la refutación de la teoría BKS no es que los fotones existen, sino que la aplicabilidad de las imágenes clásicas del espacio-tiempo para comprender los fenómenos dentro del dominio cuántico es limitada. Este tema cobraría 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 lo tanto, a pesar de su fracaso, la teoría BKS todavía proporcionó una contribución importante a la transición revolucionaria de la mecánica clásica a la mecánica cuántica.
