Als Bose an Einstein schrieb: Die Kraft des vielfältigen Denkens – 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="Kurz aber süß Im Jahr 1924 schrieb Satyendra Nath Bose (links) an Albert Einstein (rechts), dass er eine zufriedenstellendere Ableitung des Planckschen Gesetzes entwickelt habe. Die daraus resultierende Korrespondenz, die kurz, aber tiefgreifend war, führte zur Vorhersage dessen, was wir heute Bose-Einstein-Kondensation nennen. (Links: Falguni Sarkar, mit freundlicher Genehmigung von AIP Emilio Segrè Visual Archives. Rechts: AIP Emilio Segrè Visual Archives, WF Meggers Gallery of Nobel Laureates Collection)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg“>

Eines Tages im Juni 1924 erhielt Albert Einstein einen Brief eines Professors in Indien. Der Autor gab zu, dass er ein „völlig Fremder“ sei, sagte jedoch, dass er Einstein einen Begleitartikel zu dieser „Lesung und Stellungnahme“ schicken würde. Der nur fünf Seiten lange Artikel behauptete, einen Fehler in der Quantentheorie zu beheben, mit dem Einstein mehrere Jahre lang erfolglos zu kämpfen hatte.

Einstein, der damals an der Universität Berlin war, erkannte sofort, dass der Autor – Satyendra Nath Bose – hatte das Problem gelöst, das ihn besiegt hatte. Es handelte sich um eine völlig zufriedenstellende Ableitung von Plancksches Gesetz, das das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers beschreibt. Das erstmals 1900 von Max Planck abgeleitete Gesetz zeigte, dass die Strahlung bei immer kürzeren Wellenlängen nicht bis ins Unendliche ansteigt, wie die klassische Physik vermuten lässt, sondern stattdessen ihren Höhepunkt erreicht, bevor sie wieder abfällt.

Einstein entwickelte Boses Ansatz in seiner eigenen Arbeit schnell weiter und als Ergebnis ihrer Zusammenarbeit sagten die beiden die Existenz eines neuen Phänomens voraus, das als synchronisiert bezeichnet wurde „Bose-Einstein-Kondensation“. Es wird erwartet, dass es bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt und alle Teilchen in einem System denselben niedrigsten Quantenzustand besetzen würden. Dieser neue kollektive Zustand der Materie wurde erstmals 1995 experimentell nachgewiesen und führte dazu, dass Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wieman den Preis gewannen Sechs Jahre später Nobelpreis für Physik.

Der Austausch zwischen Bose und Einstein war zwar nur von kurzer Dauer, aber er ist eine der größten Korrespondenzen in der Geschichte der Physik. Schreiben im Buch 2020 Die Entstehung der modernen Physik im kolonialen Indien, der Historiker und Wissenschaftsphilosoph Somaditya Banerjee, der jetzt an der Austin Peay State University in Clarksville, Tennessee, studiert, sagt, ihre Zusammenarbeit habe die wachsende Bedeutung internationaler gemeinsamer Anstrengungen in der Wissenschaft veranschaulicht. Oder, wie Banerjee es ausdrückt, ihre Arbeit enthüllte die „transnationale Natur des Quantums“.

Marginalisierte Inspiration

Bose wuchs politisch und wissenschaftlich am Rande auf. Er wurde am 1. Januar 1894 in Kalkutta (damals Kalkutta) im indischen Bundesstaat Bengalen, der unter britischer Besatzung stand, als Sohn einer Familie geboren, die Teil einer Kultur- und Bildungsbewegung namens war „Bengalische Renaissance“. Ihre Mitglieder hatten ein ambivalentes Verhältnis zur europäischen Kultur, teilweise lehnten sie sie ab, teilweise begrüßten sie sie.

Bose und Saha fühlten sich von den britischen Kolonialherren entfremdet und ihnen gegenüber feindlich gesinnt und wollten ihnen nicht durch Beiträge zu Bereichen mit möglichen praktischen Anwendungen dienen

Im Jahr 1895, als Bose elf Jahre alt war, teilten die britischen Besatzer – alarmiert über die wachsende Rebellion in Bengalen – den Staat in zwei Teile. Einer der Gründe, warum Bose in die akademische Welt ging, könnte laut Banerjee ein nationalistischer Drang gewesen sein, der Einberufung in die Kolonialbürokratie zu entgehen, was das Schicksal vieler bengalischer Mittelschichten war.

Stattdessen nahm Bose teil Präsidialkollegium mit seinem Freund (und zukünftigen Astrophysiker) Meghnad Saha, der wegen seiner Beteiligung an der „Swadeshi-Bewegung“ von seiner Schule verwiesen worden war. Mit dem Ziel, den Einsatz ausländischer Waren einzudämmen und sich stattdessen auf inländische Produkte zu verlassen, war die Bewegung Teil der Bemühungen um die Unabhängigkeit Indiens und lehnte die geplante Teilung Bengalens ab.

Beide und Saha fühlten sich von den britischen Kolonialherren entfremdet und ihnen gegenüber feindlich gesinnt und wollten ihnen – wie viele ihrer Kollegen – nicht durch Beiträge zu Bereichen mit möglichen praktischen Anwendungen wie Chemie oder angewandter Physik dienen. Die beiden fühlten sich stattdessen von der Mathematik und der theoretischen Physik angezogen – und insbesondere von der neuen Quantentheorie Deutsche Physiker leisteten Pionierarbeit.

Laut Banerjee betrachtete Bose seine Arbeit als „eine intellektuelle Flucht vor den Ungleichheiten und Asymmetrien der Machtverhältnisse“ im besetzten Bengalen. „Es ist also kein Zufall“, schreibt er, „dass die aufstrebenden indischen Physiker sich besonders in der Quantenphysik hervorgetan haben.“ Aufgrund ihrer Vertrautheit mit der deutschen Arbeit wurden Bose und Saha stark von der Photonentheorie beeinflusst, die Diskontinuitäten im Licht implizierte. Im Gegensatz dazu waren britische Physiker eher von der kontinuierlichen Natur des Lichts beeindruckt, die durch Maxwells Gleichungen vorgegeben wurde.

Bose und Saha wurden beide später Physiklehrer an der Universität von Kalkutta. Doch aufgrund der Isolation Bengalens und der Auswirkungen des Ersten Weltkriegs war es für sie schwierig, die jüngsten Entwicklungen in Europa zu verfolgen. Eine der wenigen Zeitschriften, die regelmäßig in der Bibliothek des Präsidenten verfügbar waren, war Philosophisches Magazin, in dem Bose und Saha eine der wegweisenden Arbeiten von Niels Bohr über die Atomstruktur lasen, die 1913 veröffentlicht wurde (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="Großartige Köpfe Bose und Saha mit anderen Wissenschaftlern an der Universität von Kalkutta: sitzend (von links nach rechts): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Stehend (von links nach rechts): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, NR Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, NC Nag. (Mit freundlicher Genehmigung: Wikimedia Commons)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- power-of-diverse-thinking-physics-world-1.jpg“>

Auch in Kalkutta hatten sie das Glück, Freundschaft zu schließen Paul Johannes Brühl, ein Gastbotaniker aus Deutschland, der Bücher und Zeitschriften über Thermodynamik, Quantentheorie, Relativitätstheorie und andere populäre physikalische Themen mitgebracht hatte. Im Jahr 1919, nachdem Einstein durch die offensichtliche Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie berühmt geworden war, gelang es Bose und Saha, Kopien der grundlegenden Arbeiten auf Deutsch und Französisch zu erhalten. Bose sprach fließend beide Sprachen sowie Englisch und so übersetzten und veröffentlichten er und Saha die Artikel in Buchform als Das Relativitätsprinzip (Universität Kalkutta, 1920). Es war die erste englischsprachige Sammlung von Aufsätzen zu diesem Thema von Einstein und anderen.

Dann, im Jahr 1921, erhielt Bose eine Professur an der neu gegründeten Universität Universität Dacca (heute Dhaka). und mit dem Aufbau seiner Physikabteilung beauftragt. Zwei Jahre später wurde der geplante Ausbau der Abteilung durch drastische Budgetkürzungen ziemlich plötzlich zunichte gemacht, und Bose musste sogar darum kämpfen, seinen Job zu behalten. Daher befand sich Bose 1923 in einer ungelösten beruflichen Situation, in einer stressigen politischen Zeit in einem besetzten Land.

Die Einstein-Verbindung

Trotz seiner Probleme forschte der 30-Jährige weiter. Später in diesem Jahr dachte er über eine beunruhigende Tatsache nach: Die Ableitung des Planckschen Gesetzes war logisch fehlerhaft, da es klassische und Quantenkonzepte vermischte. Bose beschloss, die klassische Theorie zu ignorieren und das Gesetz stattdessen aus der Betrachtung der Bewegungen eines Gases aus diskreten Photonen abzuleiten. Seine Gedanken legte er im Herbst 1923 in seiner heute wegweisenden Arbeit mit dem Titel dar „Plancksches Gesetz und die Lichtquantenhypothese“, eine Version davon, die er Einstein in Kürze schicken würde.

Das Plancksche Gesetz, so begann die Arbeit, sei der Ausgangspunkt der Quantentheorie. Eine entscheidende Formel bei der Ableitung basiert jedoch auf einer klassischen Annahme über die verfügbaren Freiheitsgrade. „Dies ist in allen Ableitungen ein unbefriedigendes Merkmal“, schrieb Bose. Bose gab zwar zu, dass Einsteins eigener Versuch, das Gesetz frei von klassischen Annahmen abzuleiten, „bemerkenswert elegant“ war, hielt ihn jedoch nicht für „aus logischer Sicht ausreichend gerechtfertigt“.

<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="Wie alles begann Als Satyendra Nath Boses Ableitung des Planckschen Gesetzes 1924 zur Veröffentlichung abgelehnt wurde, schickte er einen Brief direkt an Albert Einstein und bat ihn um Hilfe. Einstein erkannte sofort die Bedeutung dessen, was Bose getan hatte, und sorgte dafür, dass es veröffentlicht wurde Zeitschrift für Physik. (Mit freundlicher Genehmigung: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Schenkung von Kameshwar Wali und Etienne Eisenmann)“ title=“Klicken Sie, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-2.jpg“>

Bose fuhr mutig fort: „Im Folgenden werde ich die Methode kurz skizzieren.“ Es folgen drei Seiten strenger Ableitungen, die in einer Gleichung gipfeln, die die Energieverteilung in der Strahlung eines schwarzen Körpers beschreibt. Diese Gleichung, so verkündete Bose, sei „die gleiche wie Plancks Formel“.

In einem aktuellen Artikel über arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909) sagt der Physiker Partha Ghose, der einer von Boses letzten Doktoranden war, dass Boses Methode auf die Ununterscheidbarkeit dieser einzelnen Photonen hinwies, diese jedoch nicht explizit darlegte. Stattdessen definierte Bose ein Volumen für Photonen als einen Raum, der aus Zuständen besteht – die er Zellen nannte –, wobei die Gesamtzahl der Zellen der Anzahl der Arten entspricht, auf die die Photonen angeordnet werden können. Da das Photonengas eine feste Dichte hat, entstehen durch die Neuanordnung einzelner Photonen keine neuen Zellen, was bedeutet, dass die Photonen selbst nicht auseinandergehalten werden können; Sie können sie nicht „markieren“, um ihnen zu folgen.

Bose schickte das Papier an Philosophisches Magazin – von dem er wusste, dass er indischen Physikern zur Verfügung stand – etwa Anfang 1924, aber nie etwas davon hörte. Enttäuscht, aber von der Richtigkeit überzeugt, schickte er es oder eine leicht überarbeitete Version an Einstein, der es am 4. Juni 1924 erhielt.

„Ein wichtiger Schritt nach vorne“

Einstein war vorbereitet. Er kannte die Inkonsistenz der Verwendung einer klassischen Annahme zur Ableitung eines Quantengesetzes und hatte bereits mehrere erfolglose Versuche unternommen, diese zu beseitigen. Boses Ableitung war fundiert, erkannte Einstein.

Einstein erkannte in Boses Werk mehr Bedeutung als Bose selbst, denn er entdeckte eine ungenutzte Analogie

Am 2. Juli desselben Jahres antwortete Einstein mit einer handgeschriebenen Postkarte an Bose und nannte das Papier „einen wichtigen Schritt nach vorne“. Einstein übersetzte das Papier dann selbst und schickte es an Zeitschrift für Physik. Mit Einsteins Zustimmung wurde Boses Aufsatz angenommen und ordnungsgemäß im August 1924 in der Zeitschrift veröffentlicht (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="Langsam geht es Einstein reagierte auf den Brief, den Bose ihm 1924 schickte, indem er ihm eine Postkarte schickte. (Shutterstock/Genotar) ” title=“Klicken, um Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-diverse-thinking-physics-world-3.jpg“>

Einstein erkannte in Boses Werk mehr Bedeutung als Bose selbst, denn er entdeckte eine ungenutzte Analogie. Im Wesentlichen hatte Bose die Photonen als statistisch abhängig betrachtet, was die Möglichkeit einer Welleninterferenz implizierte. Einstein erkannte, dass dies nicht nur für Photonen gelten musste, sondern auch für andere Teilchen gelten konnte. Wie wir heute wissen, trifft Interferenz tatsächlich nur auf Teilchen mit ganzzahligen Spinwerten zu, oder auf das, was Paul Dirac zwei Jahrzehnte später als „Bosonen“ bezeichnete. Diese stehen im Gegensatz zu „Fermionen“, deren Spin in ungeraden halbzahligen Werten vorliegt.

Kurz nachdem Einstein Boses Nachricht erhalten hatte, verfasste er einen deutschsprachigen Aufsatz mit dem Titel „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases“ (oder „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases“). Veröffentlicht im Tagungsband der Preußischen Akademie der Wissenschaften Im Januar 1925 beschrieb es, was Einstein „eine weitreichende formale Beziehung zwischen Strahlung und Gas“ nannte. Die Arbeit zeigte im Wesentlichen, dass bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt die Entropie eines Systems vollständig verschwindet und alle Teilchen in denselben Zustand oder dieselbe Zelle fallen. Innerhalb jeder Zelle drückt die Entropie der Molekülverteilung „indirekt eine bestimmte Hypothese über eine gegenseitige Beeinflussung der Moleküle aus, die recht mysteriöser Natur ist“.

Am kältesten: Wie ein Brief an Einstein und Fortschritte in der Laserkühlungstechnologie Physiker zu neuen Quantenzuständen der Materie führten

Einstein führte diesen Einfluss auf die Interferenz von Teilchen zurück. Bei niedrigen Temperaturen, so prognostizierte er, würden die wellenförmigen Eigenschaften von Gasen wie Wasserstoff und Helium stärker ausgeprägt sein, bis zu dem Punkt, an dem die Viskosität schnell abnehmen würde – ein Phänomen, das heute als „Superfluidität“ bezeichnet wird. Indem Einstein darauf bestand, die Analogie zwischen Strahlung und Gasen als exakt zu betrachten, baute er auf Boses Arbeit auf und sagte schließlich einen unbekannten Zustand der Materie voraus.

Dank Einsteins Aufmerksamkeit für Boses Werk erhielt dieser ein zweijähriges Sabbatical, um in Europa zu studieren. Im Herbst 1924 reiste Bose zunächst nach Paris, wo er zwei weitere Briefe an Einstein schrieb. Im folgenden Jahr ging er nach Berlin, wo er endlich konnte mit Einstein persönlich zu sprechen Anfang 1926. Doch zu einer weiteren Zusammenarbeit kam es zwischen den beiden nie. Einstein erhob Einwände gegen Boses Wahrscheinlichkeitsformel für die Zustände von Teilchen in einem Strahlungsfeld im thermischen Gleichgewicht, und Bose, der sich mit anderen Dingen beschäftigte, ging nicht auf diese spezielle Frage zurück. Ihr Austausch im Juni 1924 blieb, so kurz er auch sein mochte, der produktivste Teil ihrer Korrespondenz.

Wie heiß das Vakuum

Schließlich, etwa 70 Jahre später, entstand dieser neue Zustand der Materie, der heute Bose-Einstein-Kondensation (BEC) genannt wird experimentell demonstriert in zwei Labors in den USA im Jahr 1995. Auch das war das Ergebnis einer langen Reihe von Entwicklungen, denn 1924 war BEC nur ein Grenzfall von Quantengasen, von dem man annahm, dass er nur in der Nähe des absoluten Nullpunkts möglich sei. Es schien unerreichbar; Selbst Vakuum ist zu heiß für BEC.

Ein Wendepunkt war 1975 die Erfindung von Laserkühlung. Indem sie die Frequenz des Laserlichts knapp unter die der Zielatome abstimmen, könnten Physiker Photonen auf Atome abfeuern, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Dank des Doppler-Effekts könnten die Atome dann dazu gebracht werden, die Photonen zu absorbieren und sie gleichzeitig in die entgegengesetzte Richtung des Lasers zu drücken, wodurch ihre Geschwindigkeit verringert und sie abgekühlt werden.

<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="Das coolste Ergebnis In dieser mittlerweile ikonischen Bilderserie aus dem Sommer 1995 entsteht ein Bose-Einstein-Kondensat aus einer Wolke kalter Rubidiumatome im Labor von Eric Cornell und Carl Wieman. Der „Spitze“ in der Dichte der Atome im Zentrum der Wolke ist ein Zeichen dafür, dass dort viele Atome denselben Quantenzustand einnehmen – das Kennzeichen der Bose-Einstein-Kondensation. (Mit freundlicher Genehmigung von NIST/JILA/CU-Boulder)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-5.jpg“>

Ein Jahr später zeigte eine Gruppe von Physikern, dass Wasserstoffisotope gekühlt werden können, um BEC nachzubilden. 1989 entschieden sich Cornell und Wieman für Rubidiumatome, weil sie sich schneller gruppierten als Wasserstoff. BEC wird manchmal auch als „Superatome“ bezeichnet und entsteht, wenn sich die Wellenpakete einzelner Teilchen überlappen und bei niedrigen Temperaturen völlig ununterscheidbar werden.

Wieman und Cornell beschrieben BEC als eine „Quantenidentitätskrise“, die auftritt, wenn die Atome im niedrigstmöglichen Zustand des Systems zusammenklumpen. Das Faszinierende an der Erzeugung eines Riesenwellenpakets besteht darin, dass BEC uns die Möglichkeit gibt, Quantenverhalten auf makroskopischer Ebene zu beobachten.

Der kritische Punkt

„Die Korrespondenz zwischen Bose und Einstein“, schrieb Banerjee Die Entstehung der modernen Physik im kolonialen Indien„ist ein besonderer Moment in der Geschichte der Wissenschaft“. Bose kam nicht aus heiterem Himmel, um ein Teil zu einem wachsenden Puzzle beizutragen. Banerjee argumentiert, dass Bose aufgrund seiner Arbeit weit entfernt von Europa in einem kolonisierten Land in der Lage gewesen sei, einen Wandel im westlichen Denken über die Quantentheorie herbeizuführen.

Boses Arbeit war nicht das erste Mal, dass nicht-westliche Wissenschaftler wichtige Erkenntnisse zur europäischen Wissenschaft beitrugen. Aber seine Zusammenarbeit mit Einstein verdeutlicht einen tieferen Punkt – nämlich wie regionale Unterschiede unterschiedliche Vorstellungen davon vermitteln können, was wichtig ist und was nicht. Wie Banerjee es ausdrückt, veranschaulicht Boses Beitrag den „lokal verwurzelten Kosmopolitismus“ der Wissenschaft.

Die Vielfalt der Weltanschauungen und nicht die kulturelle Konformität birgt das stärkste Versprechen für den Fortschritt in der Physik.

Robert P Falte  (Klicken Sie auf den Link unten für die vollständige Biografie) ist Vorsitzender der Abteilung für Philosophie an der Stony Brook University, USA, wo Gino Elia ist Doktorand

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