Dualidade onda-corpúsculo e aleatoriedade na teoria da luz

Em 1909 Einstein retorna à teoria quântica da luz, em dois artigos no quais examina as flutuações de energia da luz emitida por um corpo negro, descrita pela distribuição de Planck. Nesse trabalho, Einstein mostra que há dois tipos de contribuição para essas flutuações, e associa uma delas ao caráter ondulatório da luz, e a outra ao caráter corpuscular, mencionando que esse segundo termo seria o esperado “se a radiação consistisse de quanta pontuais com energia hν movendo-se independentemente”. Assim, muitos anos antes da introdução do conceito de complementaridade por Niels Bohr, Einstein aponta para a dualidade onda-corpúsculo da luz. Em 1916 e 1917, Einstein retorna ao problema da luz, com três artigos que tratam dos processos de emissão e absorção de radiação e que introduzem dois tipos de emissão, espontânea e induzida. 

A emissão espontânea ocorre quando um átomo ou molécula encontra-se em um estado excitado e emite radiação, na ausência de qualquer campo eletromagnético. Na emissão induzida, a radiação presente estimula o átomo ou molécula excitada a emitir. Segundo Einstein, a radiação emitida tem a mesma direção do pacote incidente. Mais ainda, “se um pacote de radiação faz com que uma molécula emita ou absorva uma quantidade de energia hν, então um momento hν /c é transferido para a molécula, dirigido ao longo do pacote no caso de absorção e na direção oposta, no caso de emissão”. Einstein associa pois, pela primeira vez, um momentum ao fóton! Muito anos depois, o conceito de emissão induzida teria aplicações importantíssimas no maser (1956) e no laser (1960). O processo de emissão espontânea tem dois elementos aleatórios: o instante e a direção de emissão. Isso preocupa Einstein profundamente, antes mesmo do aparecimento da interpretação probabilística da mecânica quântica. No artigo de 1917, Einstein considera ser “... um ponto fraco da teoria ... que ela deixe ao acaso o instante e a direção dos processos elementares”. Nesse mesmo artigo, prevê um desenvolvimento que só ocorreria dez anos mais tarde, com a teoria quântica da radiação de Dirac: “As propriedades dos processos elementares... fazem parecer quase inevitável formular uma teoria verdadeiramente quantizada da radiação”. Em janeiro de 1920, escreve uma carta a Max Born, na qual revela sua preocupação com os aspectos probabilísticos da teoria da radiação: “Poderão a absorção e emissão quânticas da luz jamais serem entendidas no sentido do requisito de causalidade completa, ou um resíduo estatístico permanecerá? Devo admitir que me falte nesse ponto a coragem de uma convicção. Todavia, eu ficaria muito infeliz de renunciar à causalidade completa”. Desenha-se assim desde cedo a principal objeção de Einstein à teoria quântica: seu caráter probabilístico.