Woher wusste Einstein, dass es notwendig war, "stimulierte Emission" einzubeziehen, die in der gleichen Richtung wie das einfallende Photon und mit ihm in Phase war?
Seltsamerweise hat Einstein, obwohl er die Quantenmechanik nicht mochte, die stimulierte Emission in einem statistischen Rahmen modelliert:
Einstein entwickelte eine verbesserte fundamentale statistische Theorie der Wärme, die das Energiequantum umfasste.
Albert Einstein sprach erstmals 1917 in einer Arbeit über die Möglichkeit der stimulierten Emission, nachdem er seine Aufmerksamkeit im Jahr zuvor von der allgemeinen Relativitätstheorie auf das Zusammenspiel von Materie und Strahlung gerichtet hatte und wie die beiden ein thermisches Gleichgewicht erreichen könnten. Einstein entwickelte eine verbesserte fundamentale statistische Theorie der Wärme, die das Energiequantum umfasste.
Erstens schlug Einstein vor, dass ein isoliertes angeregtes Atom durch die Emission von Photonen in einen niedrigeren Energiezustand zurückkehren kann, ein Prozess, den er spontane Emission nannte. Spontane Emission legt den Maßstab für alle Strahlungswechselwirkungen fest, wie Absorption und stimulierte Emission. Atome absorbieren nur Photonen der richtigen Wellenlänge: Das Photon verschwindet und das Atom geht in einen höheren Energiezustand über, wodurch die Voraussetzungen für eine spontane Emission geschaffen werden. Zweitens sagte seine Theorie voraus, dass Licht beim Durchgang durch eine Substanz die Emission von mehr Licht stimulieren könnte.
Einstein postulierte, dass Photonen es vorziehen, sich gemeinsam im gleichen Zustand fortzubewegen. Wenn man eine große Ansammlung von Atomen hat, die viel überschüssige Energie enthalten, sind sie bereit, zufällig ein Photon zu emittieren. Wenn jedoch ein Streuphoton der richtigen Wellenlänge vorbeikommt (oder im Fall eines Lasers auf ein bereits angeregtes Atom geschossen wird), wird seine Anwesenheit die Atome dazu anregen, ihre Photonen frühzeitig freizusetzen – und diese Photonen werden es tun in die gleiche Richtung mit der gleichen Frequenz und Phase wie das ursprüngliche Streuphoton. Es entsteht ein Kaskadeneffekt: Während sich die Menge identischer Photonen durch die restlichen Atome bewegt, werden immer mehr Photonen von ihren Atomen emittiert, um sich ihnen anzuschließen
Sie fragen: "Woher wusste Einstein, dass es notwendig war, "stimulierte Emission" einzubeziehen, die in der gleichen Richtung wie das einfallende Photon und in Phase mit ihm war? "
Das einfachste Modell, spontane Emission, würde in Winkeln isotrop abstrahlen und somit könnte eine Welle nicht kohärent aufgebaut werden. Es ist ein Postulat seines Modells, dass Richtung und Phase gleich sind „Photonen ziehen es vor, gemeinsam im gleichen Zustand zu reisen“.
Das „bevorzugt“ in diesem Modell ist eine Vermutung, die mit der Theorie der Quantenmechanik und ihren probabilistischen Vorhersagen zu einer mathematischen Gewissheit wurde.“ „Bevorzugt“ bedeutet in der Quantenmechanik „hohe Wahrscheinlichkeit“ und kommt aus der mathematischen Formulierung.
Es scheint, dass dies vor ungefähr 5 Jahren gefragt wurde, aber ich werde immer noch darauf antworten. (Weil ich diese angeberischen Kommentare einfach nicht ertragen kann, die nicht einmal auf die Frage antworten können, aber weiter über zufällige Dinge reden wollen. Und dies ist mein allererster Kommentar zum Stackexchange.)
Vor Einstein konnte man damals nur an „stimulierte Absorption“ und „spontane Emission“ denken. Stimulierte Absorption ist offensichtlich ein bekannter Prozess (ich meine, es gibt keine Chemie ohne sie), also brauche ich nicht darüber zu sprechen. Aber auch damals hatte man zumindest das Wissen um radioaktive Zerfallsprozesse (Dank Marie Curie). Sie könnten also auch an spontane Emissionen denken.
Nun dachte Einstein: "Wenn die Natur die Absorption stimulieren kann, warum kann die Natur dann nicht die Emission stimulieren?". Übrigens hat er wahrscheinlich zuerst nicht daran gedacht, es mit der Spontanemission in Verbindung zu bringen. Er denkt also nur an das Konzept der stimulierten Absorption. Er nahm an, dass auch eine stimulierte Emission möglich ist, und fing an, zu rechnen. Er dachte zuerst an einen thermischen Gleichgewichtsfall. Seine Gleichung sagte, dass etwas fehlt (siehe Youtube MIT-Vortrag). Er erinnerte sich sofort an „Spontane Emission“. Er bezog dies in die thermische Gleichgewichtsgleichung ein, und es stimmte überraschenderweise mit der Schwarzkörperstrahlungsformel von Planck überein.
Also zwei Ideen von ihm, auf die andere Leute nicht gekommen sind.
Laut diesem Artikel hier: https://www.ias.ac.in/article/fulltext/reso/006/06/0028-0042 „Einstein as Armchair Detective: The Case of Stimulated Radiation“ von Vasant Natarajan, das ist ein sehr gut geschriebene und interessante Beschreibung dessen, was Einstein tat, musste Einstein stimulierte Emission postulieren, damit sein thermodynamisches Modell ein Gleichgewicht erreichen konnte.
Die kurze Antwort lautet also, dass er es hinzugefügt hat, um seine Gleichungen auszugleichen.
NS
der doktar