Da Bose skrev til Einstein: kraften i mangfoldig tænkning - Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg" data-caption="Kort men sød I 1924 skrev Satyendra Nath Bose (til venstre) til Albert Einstein (til højre) og sagde, at han havde udviklet en mere tilfredsstillende afledning af Plancks lov. Den resulterende korrespondance, som var kort, men dyb, førte til forudsigelsen af, hvad vi nu kalder Bose-Einstein-kondensering. (Venstre: Falguni Sarkar, høflighed AIP Emilio Segrè Visual Archives. Til højre: AIP Emilio Segrè Visual Archives, WF Meggers Gallery of Nobel Laureates Collection)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg”>

En dag i juni 1924 modtog Albert Einstein et brev skrevet af en professor i Indien. Forfatteren indrømmede, at han var en "fuldstændig fremmed", men sagde, at han sendte Einstein en ledsagende artikel for denne "gennemgang og mening". Kun fem sider lang hævdede artiklen at adressere en fejl i kvanteteorien, som Einstein havde kæmpet uden held med i flere år.

Einstein, der dengang var på universitetet i Berlin, indså straks, at forfatteren – Satyendra Nath Bose – havde løst det problem, der havde besejret ham. Det drejede sig om en fuldt ud tilfredsstillende udledning af Plancks lov, som beskriver spektret af stråling fra en sort krop. Loven blev først udledt af Max Planck i 1900 og viste, at strålingen ikke stiger til det uendelige ved stadigt kortere bølgelængder, som klassisk fysik antyder, men i stedet topper, før den falder tilbage.

Einstein udviklede hurtigt Boses tilgang yderligere i sit eget arbejde, og som et resultat af deres samarbejde forudsagde parret eksistensen af ​​et nyt fænomen, kaldet "Bose-Einstein kondensation". Forventet at forekomme ved meget lave temperaturer, ville det involvere alle partikler i et system, der indtager den samme laveste kvantetilstand. Denne nye kollektive tilstand af stof blev eksperimentelt opdaget for første gang i 1995, hvilket førte til Eric Cornell, Wolfgang Ketterle og Carl Wieman vandt Nobelprisen i fysik seks år senere.

Bose-Einstein-udvekslingen kan have været kort, men det er en af ​​de store korrespondancer i fysikkens historie. Skriver i 2020-bogen Fremstillingen af ​​moderne fysik i det koloniale Indien, historikeren og videnskabsfilosofen Somaditya Banerjee, som nu er på Austin Peay State University i Clarksville, Tennessee, siger, at deres samarbejde illustrerede den voksende betydning af international fælles indsats inden for videnskab. Eller, som Banerjee udtrykker det, deres arbejde afslørede "kvantens transnationale natur".

Marginaliseret inspiration

Bose voksede op politisk og videnskabeligt marginaliseret. Han blev født den 1. januar 1894 i Kolkata (dengang Calcutta) i den indiske delstat Bengal, som var under britisk besættelse, af en familie, der var en del af en kulturel og uddannelsesmæssig bevægelse kaldet “Bengal renæssance”. Dens medlemmer havde et ambivalent forhold til europæisk kultur, dels afviste og dels omfavnede den.

Bose og Saha følte sig fremmedgjort fra og antagonistiske over for de britiske kolonisatorer og ønskede ikke at tjene dem ved at bidrage til felter med mulige praktiske anvendelser

I 1895, da Bose var 11, splittede de britiske besættere – alarmeret over voksende oprørskhed i Bengalen – staten i to. En del af grunden til, at Bose gik ind i den akademiske verden, kan ifølge Banerjee have været en nationalistisk trang til at undgå at blive indkaldt til det koloniale bureaukrati, hvilket var skæbnen for mange middelklassebengalesere.

Bose deltog i stedet Præsidentskole College med sin ven (og kommende astrofysiker) Meghnad Saha, der var blevet bortvist fra sin skole for sit engagement i "Swadeshi-bevægelsen". For at begrænse brugen af ​​udenlandske varer og i stedet stole på indenlandske produkter, var bevægelsen en del af fremstødet for indisk uafhængighed og stod imod den foreslåede deling af Bengalen.

Både Saha og Saha følte sig fremmedgjort over for og antagonistiske over for de britiske kolonisatorer, og ønskede – ligesom mange af deres jævnaldrende – ikke at tjene dem ved at bidrage til områder med mulige praktiske anvendelser, såsom kemi eller anvendt fysik. Parret blev i stedet tiltrukket af matematik og teoretisk fysik - og især af den nymodens kvanteteori, der Tyske fysikere var banebrydende.

Ifølge Banerjee så Bose sit arbejde som "en intellektuel flugt fra magtforholdets uligheder og asymmetrier" i det besatte Bengal. "Det er således ikke tilfældigt," skriver han, "at de fremvoksende indiske fysikere særligt udmærkede sig inden for kvantefysik." Som et resultat af deres kendskab til tysk arbejde var Bose og Saha stærkt påvirket af fotonteori, som indebar diskontinuiteter i lys. Britiske fysikere var derimod mere imponeret over lysets kontinuerlige natur dikteret af Maxwells ligninger.

Bose og Saha blev begge fysinstruktører ved University of Calcutta. Men på grund af Bengalens isolation og virkningerne af Første Verdenskrig havde de svært ved at følge den seneste udvikling i Europa. Et af de få tidsskrifter, der regelmæssigt var tilgængeligt i formandskabets bibliotek, var Filosofisk tidsskrift, hvor Bose og Saha læste en af ​​Niels Bohrs skelsættende artikler om atomstruktur, udgivet i 1913 (Phil Mag. 26 1).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-1.jpg" data-caption="Store sind Bose og Saha med andre videnskabsmænd ved University of Calcutta: siddende (L til R): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Stående (L til R): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, NR Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, NC Nag. (Courtesy: Wikimedia Commons)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- power-of-diverse-thinking-physics-world-1.jpg">

I Calcutta var de også heldige at blive venner Paul Johannes Brühl, en besøgende botaniker fra Tyskland, som havde medbragt bøger og tidsskrifter om termodynamik, kvanteteori, relativitet og andre populære fysikemner. I 1919, efter at Einstein var blevet berømt efter den tilsyneladende bekræftelse af den generelle relativitetsteori, lykkedes det Bose og Saha at få kopier af de grundlæggende papirer på tysk og fransk. Bose var flydende i begge sprog såvel som engelsk, og derfor oversatte og udgav han og Saha artiklerne i bogform som Relativitetsprincippet (Universitetet i Calcutta, 1920). Det var den første engelsksprogede samling af artikler om emnet fra Einstein og andre.

Så, i 1921, blev Bose tildelt et professorat ved det nyligt oprettede Dacca (nu Dhaka) Universitet og har til opgave at udvikle sin fysikafdeling. To år senere, ret pludseligt, afsluttede alvorlige budgetnedskæringer planen om at udvide afdelingen, og Bose måtte endda kæmpe for at beholde sit job. I 1923 befandt Bose sig derfor i en uafklaret professionel tilstand, i en stressende politisk tid i et besat land.

Einstein-forbindelsen

På trods af sine problemer fortsatte den 30-årige med at udføre forskning. Senere samme år overvejede han en foruroligende kendsgerning: Afledningen af ​​Plancks lov var logisk set usund, da den blandede klassiske og kvantebegreber. Bose besluttede at ignorere klassisk teori og udlede loven i stedet ved at overveje bevægelserne af en gas af diskrete fotoner. Han skitserede sine tanker i efteråret 1923 i sit nu banebrydende papir med titlen "Plancks lov og lys-kvantehypotesen”, en version som han om kort tid ville sende Einstein af.

Plancks lov, begyndte papiret, er udgangspunktet for kvanteteori. Men en afgørende formel til at udlede den bygger på en klassisk antagelse om tilgængelige frihedsgrader. "Dette er en utilfredsstillende funktion i alle afledninger," skrev Bose. Mens han indrømmede, at Einsteins eget forsøg på at udlede loven fri fra klassiske antagelser var "bemærkelsesværdigt elegant", mente Bose ikke, at det var "tilstrækkeligt begrundet ud fra et logisk synspunkt".

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-2.jpg" data-caption="Hvordan det hele begyndte Da Satyendra Nath Boses udledning af Plancks lov blev afvist til offentliggørelse i 1924, sendte han et brev direkte til Albert Einstein og bad om hans hjælp. Einstein indså straks vigtigheden af, hvad Bose havde gjort, og sørgede for, at det blev udgivet i Zeitschrift für Physik. (Courtesy: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Gift of Kameshwar Wali and Etienne Eisenmann)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-skrev-til-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-2.jpg”>

Bose fortsatte modigt: "I det følgende vil jeg kort skitsere metoden." Tre sider med strenge udledninger følger, kulminerende i en ligning, der beskriver fordelingen af ​​energi i strålingen fra et sort legeme. Denne ligning, proklamerede Bose, var "den samme som Plancks formel".

I et nyligt blad vedr arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), siger fysikeren Partha Ghose, som var en af ​​Boses sidste ph.d.-studerende, at Boses metode antydede – men var ikke eksplicit om – at disse individuelle fotoner ikke kunne skelnes. Bose definerede i stedet et volumen for fotoner som et rum sammensat af tilstande - som han kaldte celler - med det samlede antal celler svarende til antallet af måder, hvorpå fotonerne kan arrangeres. Da fotonernes gas har en fast tæthed, producerer omarrangering af individuelle fotoner ikke nye celler, hvilket betyder, at fotonerne i sig selv ikke kan skelnes fra hinanden; du kan ikke "tagge" dem til at følge dem rundt.

Bose sendte papiret til Filosofisk tidsskrift – som han vidste var tilgængelig for indiske fysikere – omkring begyndelsen af ​​1924, men aldrig hørt tilbage. Skuffet, men overbevist om dets forsvarlighed, sendte han den, eller en let revideret version, til Einstein, som modtog den den 4. juni 1924.

"Et vigtigt skridt fremad"

Einstein var primet. Han kendte inkonsistensen i at bruge en klassisk antagelse til at udlede en kvantelov og havde allerede gjort adskillige mislykkede forsøg på at fjerne den. Boses udledning var sund, indså Einstein.

Einstein fik mere betydning i Boses arbejde end Bose selv, for han fik øje på en uudnyttet analogi

Den 2. juli samme år svarede Einstein med et håndskrevet postkort til Bose, der kaldte avisen "et vigtigt skridt fremad". Einstein oversatte derefter selv avisen og sendte den til Zeitschrift für Physik. Med Einsteins godkendelse blev Boses papir accepteret, og det blev behørigt offentliggjort i tidsskriftet i august 1924 (26 178).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-3.jpg" data-caption="Gør det langsomt Einstein reagerede på brevet Bose sendte ham i 1924 ved at sende ham et postkort. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-diverse-thinking-physics-world-3.jpg”>

Einstein fik mere betydning i Boses arbejde end Bose selv, for han fik øje på en uudnyttet analogi. I det væsentlige havde Bose behandlet fotonerne som statistisk afhængige, hvilket antydede muligheden for bølgeinterferens. Hvad Einstein indså var, at dette ikke kun behøvede at gælde for fotoner, men også kunne gælde for andre partikler. Faktisk, som vi nu ved, er interferens kun sandt for partikler med heltalsværdier for spin, eller hvad Paul Dirac to årtier senere kaldte "bosoner". Disse står i kontrast til "fermioner", hvis spin kommer i ulige halvheltalsværdier.

Kort efter at have modtaget Boses notat skrev Einstein et tysksproget papir med titlen "Quantentheorie des einatomigen idealen gases" (eller "kvanteteori om den monoatomiske idealgas"). Udgivet i Proceedings of the Preussian Academy of Sciences i januar 1925 beskrev den, hvad Einstein kaldte "et vidtrækkende formelt forhold mellem stråling og gas". Papiret viste i det væsentlige, at ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt forsvinder entropien af ​​et system helt, og alle partikler falder til den samme tilstand eller celle. Inden for hver celle udtrykker entropien af ​​den molekylære fordeling "indirekte en bestemt hypotese om en gensidig påvirkning af molekylerne, som er af en ganske mystisk karakter".

Koldest: hvordan et brev til Einstein og fremskridt inden for laserafkølingsteknologi førte fysikere til nye kvantetilstande af stof

Einstein tilskrev denne indflydelse til interferensen af ​​partikler. Ved lave temperaturer forudsagde han, ville de bølgelignende egenskaber af gasser som brint og helium blive mere udtalte, til det punkt, hvor viskositeten hurtigt ville falde - et fænomen, der nu kaldes "superfluiditet". Ved at insistere på at behandle analogien mellem stråling og gasser som nøjagtig, havde Einstein bygget videre på Boses arbejde for at ende med at forudsige en ukendt tilstand af stof.

Takket være Einsteins opmærksomhed på Boses arbejde fik sidstnævnte et toårigt sabbatår for at studere i Europa. Bose rejste først til Paris i efteråret 1924, hvor han skrev yderligere to breve til Einstein. Året efter tog han til Berlin, hvor han endelig var i stand at tale med Einstein personligt i begyndelsen af ​​1926. Men parret nåede aldrig at samarbejde yderligere. Einstein protesterede mod Boses sandsynlighedsformel for partiklernes tilstande i et strålingsfelt ved termisk ligevægt, og Bose, involveret i andre ting, vendte ikke tilbage til dette særlige spørgsmål. Deres udveksling i juni 1924, hvor kort den end var, forblev den mest produktive del af deres korrespondance.

Hvor varmt er vakuumet

Til sidst, omkring 70 år senere, blev denne nye tilstand af stof, nu kaldet Bose-Einstein kondensation (BEC), eksperimentelt demonstreret på to laboratorier i USA i 1995. Det var også resultatet af en lang række udviklinger, for i 1924 var BEC blot et grænsetilfælde af kvantegasser, der kun blev set i nærheden af ​​det absolutte nul. Det virkede uopnåeligt; selv råt vakuum er for varmt til BEC.

Et vendepunkt var opfindelsen i 1975 af laserafkøling. Ved at indstille frekvensen af ​​laserlys lige under målatomernes frekvens, kunne fysikere affyre fotoner mod atomer, der bevæger sig i den modsatte retning. Takket være Doppler-effekten kunne atomerne så narre til at absorbere fotonerne, mens de skubbede dem i den modsatte retning af laseren, reducere deres hastighed og få dem til at afkøle.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-5.jpg" data-caption="Det fedeste resultat I denne nu ikoniske serie af billeder taget i sommeren 1995, dukker et Bose-Einstein-kondensat frem fra en sky af kolde rubidium-atomer i Eric Cornell og Carl Wiemans laboratorium. "Piggen" i tætheden af ​​atomer i midten af ​​skyen er et tegn på, at mange atomer dér indtager den samme kvantetilstand - signaturen for Bose-Einstein kondensation. (Courtesy: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-5.jpg”>

Et år senere viste en gruppe fysikere, at isotoper af brint kunne afkøles for at replikere BEC. I 1989 slog Cornell og Wieman sig ned på rubidiumatomer, fordi de ville gruppere sig hurtigere end hydrogen. Nogle gange omtalt som "superatomer", opstår BEC, når bølgepakkerne af individuelle partikler overlapper hinanden og bliver fuldstændigt ude af skel ved lave temperaturer.

Wieman og Cornell beskrev BEC som en "kvanteidentitetskrise", der sker, når atomerne klumper sig sammen i den lavest mulige tilstand af systemet. Intrigen ved at skabe en gigantisk bølgepakke er, at BEC giver os et vindue til at se kvanteadfærd på et makroskopisk niveau.

Det kritiske punkt

"Korrespondancen mellem Bose og Einstein," skrev Banerjee i Fremstillingen af ​​moderne fysik i det koloniale Indien, "er et særligt øjeblik i videnskabens historie". Bose kom ikke ud af det blå for at bidrage med en brik til et voksende puslespil. I kraft af sit arbejde langt fra Europa i et koloniseret land, hævder Banerjee, var Bose enestående klar til at lette ændringer i vestlig tankegang om kvanteteori.

Boses arbejde var ikke første gang, at ikke-vestlige videnskabsmænd havde bidraget med nøgleindsigter til europæisk videnskab. Men hans samarbejde med Einstein illustrerer en dybere pointe – nemlig hvordan regionale forskelle kan give forskellige fornemmelser af, hvad der er vigtigt, og hvad der ikke er. Som Banerjee udtrykker det, illustrerer Boses bidrag videnskabens "lokalt forankrede kosmopolitisme".

Mangfoldighed i verdenssyn, ikke kulturel konformitet, rummer det mest kraftfulde løfte om fremskridt i fysik.

Robert P Crease  (klik på linket nedenfor for fuld bio) er formand for Institut for Filosofi, Stony Brook University, USA, hvor Gino Elia er ph.d.-studerende

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/