Kui Bose kirjutas Einsteinile: mitmekülgse mõtlemise jõud – füüsikamaailm

<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="Lühike, kuid armas In 1924 Satyendra Nath Bose (left) wrote to Albert Einstein (right) saying he had developed a more satisfactory derivation of Planck’s law. The resulting correspondence, which was brief but deep, led to the prediction of what we now call Bose–Einstein condensation. (Left: Falguni Sarkar, courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives. Right: AIP Emilio Segrè Visual Archives, W. F. Meggers Gallery of Nobel Laureates Collection)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg”>

Ühel 1924. aasta juunikuu päeval sai Albert Einstein Indias asuva professori kirja. Autor tunnistas, et on "täiesti võõras", kuid ütles, et saadab Einsteinile selle "uurimise ja arvamuse" jaoks kaasasoleva artikli. Vaid viie lehekülje pikkune artikkel väitis, et käsitleb kvantteooria viga, millega Einstein oli mitu aastat edutult võidelnud.

Einstein, kes õppis siis Berliini ülikoolis, sai kohe aru, et autor Satyendra Nath Bose – oli lahendanud temast võitu saanud probleemi. See puudutas täielikult rahuldavat tuletamist Plancki seadus, mis kirjeldab musta keha kiirguse spektrit. Seadus, mille Max Planck tuletas esmakordselt 1900. aastal, näitas, et kiirgus ei tõuse lõpmatuseni üha lühematel lainepikkustel, nagu klassikaline füüsika soovitab, vaid saavutab haripunkti enne tagasilangemist.

Einstein arendas Bose lähenemist oma töös kiiresti edasi ja nende koostöö tulemusena ennustas paar uue nähtuse olemasolu, mida nimetatakse "Bose-Einsteini kondensatsioon". Eeldatakse, et see toimub väga madalatel temperatuuridel, hõlmaks see kõiki osakesi süsteemis, millel on sama madalaim kvantolek. See aine uus kollektiivne olek tuvastati esimest korda eksperimentaalselt 1995. aastal, mille tulemusel võitsid Eric Cornell, Wolfgang Ketterle ja Carl Wieman Nobeli füüsikaauhind kuus aastat hiljem.

Bose-Einsteini vahetus võis olla lühike, kuid see on üks suuremaid vastavusi füüsika ajaloos. 2020. aasta raamatusse kirjutamine Kaasaegse füüsika loomine koloniaal-Indias, ajaloolane ja teadusfilosoof Somaditya Banerjee, kes töötab praegu Tennessee osariigis Clarksville'is Austin Peay osariigi ülikoolis, ütleb, et nende koostöö näitas rahvusvaheliste ühiste jõupingutuste kasvavat tähtsust teaduses. Või, nagu Banerjee ütleb, paljastas nende töö "kvantide riikidevahelise olemuse".

Marginaliseeritud inspiratsioon

Bose kasvas üles poliitiliselt ja teaduslikult marginaliseeritud. Ta sündis 1. jaanuaril 1894 Kolkatas (tollal Calcuttas) India Bengali osariigis, mis oli Briti okupatsiooni all, perekonnas, mis oli osa kultuuri- ja haridusliikumisest nimega "Bengali renessanss". Selle liikmetel oli Euroopa kultuuriga ambivalentne suhe, osalt lükates selle tagasi ja osalt omaks.

Bose ja Saha tundsid end Briti kolonisaatoritest võõrandununa ja vaenulikkusena ega tahtnud neid teenida, andes oma panuse võimalike praktiliste rakendustega valdkondadesse.

Aastal 1895, kui Bose oli 11-aastane, jagasid Briti okupandid – olles mures kasvavast mässumeelsusest Bengalis – osariigi kaheks. Banerjee sõnul võis Bose akadeemilistesse ringkondadesse asuda osaliselt natsionalistlik tung hoiduda koloniaalbürokraatiasse ajateenistusest, mis oli paljude keskklassi bengallaste saatus.

Selle asemel osales Bose Eesistujariigi kolledž koos oma sõbraga (ja tulevase astrofüüsikuga) Meghnad Saha, kes arvati oma koolist välja osalemise eest "Swadeshi liikumises". Püüdes piirata välismaiste kaupade kasutamist ja tugineda selle asemel kodumaistele toodetele, oli liikumine osa India iseseisvuse tõukejõust ja seisis Bengali kavandatava jagamise vastu.

Mõlemad ja Saha tundsid end Briti kolonisaatoritest võõrandununa ja antagonistina ning – nagu paljud nende eakaaslased – ei tahtnud neid teenindada, panustades võimalike praktiliste rakendustega valdkondadesse, nagu keemia või rakendusfüüsika. Paari köitsid selle asemel matemaatika ja teoreetiline füüsika – ja eriti uudne kvantteooria, mis Saksa füüsikud olid teerajajad.

Banerjee sõnul nägi Bose oma tööd kui "intellektuaalset põgenemist võimusuhete ebavõrdsuse ja asümmeetria eest" okupeeritud Bengalis. "Seega pole juhus," kirjutab ta, "et esilekerkivad India füüsikud paistsid eriti silma kvantfüüsika alal." Tänu Saksa töö tundmisele mõjutas Bose ja Saha tugevalt footoniteooria, mis tähendas valguse katkestusi. Briti füüsikutele avaldas seevastu rohkem muljet valguse pidev olemus, mille dikteerisid Maxwelli võrrandid.

Bose ja Saha said mõlemad Calcutta ülikooli füüsikaõpetajateks. Kuid Bengali isolatsiooni ja Esimese maailmasõja tagajärgede tõttu oli neil raske jälgida viimaseid arenguid Euroopas. Üks väheseid perioodikaväljaandeid, mis eesistumise raamatukogus regulaarselt saadaval oli, oli Filosoofiline ajakiri, milles Bose ja Saha lugesid ühte Niels Bohri põhjapanevat artiklit aatomi struktuuri kohta, mis avaldati 1913. aastal. (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="Suured meeled Bose and Saha with other scientists at the University of Calcutta: seated (L to R): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Standing (L to R): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, N R Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, N C Nag. (Courtesy: Wikimedia Commons)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-1.jpg”>

Calcuttas oli neil ka õnn sõbruneda Paul Johannes Brühl, külalisbotaanik Saksamaalt, kes oli kaasa võtnud termodünaamika, kvantteooria, relatiivsusteooria ja muude populaarsete füüsikateemade raamatuid ja ajakirju. Aastal 1919, pärast seda, kui Einstein oli pärast üldrelatiivsusteooria ilmset kinnitust kuulsust kogunud, õnnestus Bosel ja Sahal hankida koopiad põhidokumentidest saksa ja prantsuse keeles. Bose valdas vabalt mõlemat keelt ja ka inglise keelt, mistõttu ta ja Saha tõlkisid ja avaldasid need paberid raamatuna. Relatiivsusteooria põhimõte (Calcutta Ülikool, 1920). See oli esimene ingliskeelne Einsteini ja teiste selleteemaliste tööde kogumik.

Seejärel, 1921. aastal, omistati Bosele hiljuti asutatud ülikoolis professuur Dacca (praegu Dhaka) ülikool ja tema ülesandeks on oma füüsikaosakonna arendamine. Kaks aastat hiljem lõpetasid üsna ootamatult suured eelarvekärped osakonna laiendamise plaani ja Bose pidi isegi võitlema oma töökoha säilitamise nimel. Seetõttu sattus Bose 1923. aastal okupeeritud maal pingelisel poliitilisel ajal lahendamatusse professionaalsesse olukorda.

Einsteini ühendus

Vaatamata oma probleemidele jätkas 30-aastane mees uurimistööd. Hiljem samal aastal mõtiskles ta murettekitava fakti üle: Plancki seaduse tuletamine oli loogiliselt ebausaldusväärne, kuna see segas klassikalisi ja kvantkontseptsioone. Bose otsustas eirata klassikalist teooriat ja tuletada seadus selle asemel, võttes arvesse diskreetsete footonite gaasi liikumist. Ta visandas oma mõtted 1923. aasta sügisel oma praeguseks põhjapanevas artiklis pealkirjaga "Plancki seadus ja valguskvantide hüpotees”, mille versiooni ta saadaks peagi Einsteinile.

Plancki seadus, alustas artikkel, on kvantteooria lähtepunkt. Kuid üks ülioluline valem selle tuletamisel tugineb klassikalisele eeldusele olemasolevate vabadusastmete kohta. "See on mitterahuldav funktsioon kõigis tuletistes, " kirjutas Bose. Kuigi Bose tunnistas, et Einsteini enda katse tuletada seadust klassikalistest eeldustest vabaks oli "tähelepanuväärselt elegantne", ei pidanud Bose seda "loogilisest vaatepunktist piisavalt põhjendatuks".

<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="Kuidas see kõik algas Kui Satyendra Nath Bose'i tuletatud Plancki seadus 1924. aastal avaldamiseks tagasi lükati, saatis ta kirja otse Albert Einsteinile, paludes tema abi. Einstein mõistis kohe Bose'i tehtu tähtsust ja korraldas selle avaldamise Zeitschrift für Physik. (Courtesy: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Gift of Kameshwar Wali and Etienne Eisenmann)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-2.jpg”>

Bose jätkas julgelt: "Järgnevalt visandan meetodi lühidalt." Järgneb kolm lehekülge rangeid tuletusi, mis kulmineeruvad võrrandiga, mis kirjeldab musta keha kiirguse energia jaotust. See võrrand, kuulutas Bose, oli "sama mis Plancki valem".

Hiljutises artiklis teemal arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), füüsik Partha Ghose, kes oli üks Bose viimastest doktorantidest, ütleb, et Bose meetod vihjas – kuid ei olnud selgesõnaline – nende üksikute footonite eristamatusele. Bose määratles selle asemel footonite ruumala olekutest koosneva ruumina – mida ta nimetas rakkudeks –, kus rakkude koguarv võrdub footonite paigutamise viiside arvuga. Kuna footonite gaasil on fikseeritud tihedus, ei teki üksikute footonite ümberkorraldamisel uusi rakke, mis tähendab, et footoneid endid ei saa üksteisest eristada; te ei saa neid "sildistada", et neid jälgida.

Bose saatis paberi aadressile Filosoofiline ajakiri – mille kohta ta teadis, et see oli India füüsikutele kättesaadav – umbes 1924. aasta alguses, kuid ei kuulnud sellest kunagi. Pettunud, kuid veendunud selle paikapidavuses, saatis ta selle või veidi muudetud versiooni Einsteinile, kes sai selle kätte 4. juunil 1924.

"Oluline samm edasi"

Einstein oli krunditud. Ta teadis klassikalise eelduse kasutamise ebajärjekindlust kvantseaduse tuletamiseks ja oli juba teinud mitu ebaõnnestunud katset seda eemaldada. Einstein mõistis, et Bose tuletus oli hea.

Einstein leidis Bose töös rohkem tähtsust kui Bose ise, sest ta märkas kasutamata analoogiat

Sama aasta 2. juulil vastas Einstein Bosele käsitsi kirjutatud postkaardiga, milles nimetas lehte "oluliseks sammuks edasi". Seejärel tõlkis Einstein selle paberi ise ja saatis selle aadressile Zeitschrift für Physik. Einsteini heakskiidul võeti Bose artikkel vastu ja see avaldati 1924. aasta augustis ajakirjas. (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="Aeglaselt teeb seda Einstein reacted to the letter Bose sent him in 1924 by sending him a postcard. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Click to open image in 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 leidis Bose töös rohkem tähtsust kui Bose ise, sest ta märkas kasutamata analoogiat. Põhimõtteliselt oli Bose käsitlenud footoneid statistiliselt sõltuvatena, mis viitab lainehäirete võimalusele. Einstein mõistis, et see ei pea kehtima ainult footonite kohta, vaid võib kehtida ka teiste osakeste kohta. Tegelikult, nagu me praegu teame, on interferents tõsi ainult osakeste puhul, mille spinni väärtus on täisarvuline või mida Paul Dirac kaks aastakümmet hiljem nimetas bosoniteks. Need on kontrastiks "fermionidega", mille spin on paaritute pooltäisarvudega.

Varsti pärast Bose märkuse saamist kirjutas Einstein saksakeelse paberi pealkirjaga "Quantentheorie des einatomigen idealen gases" (või "monatoomilise ideaalse gaasi kvantteooria"). Avaldatud aastal Preisi Teaduste Akadeemia toimetised jaanuaris 1925 kirjeldas see seda, mida Einstein nimetas "kaugeleulatuvaks formaalseks suhteks kiirguse ja gaasi vahel". Töö sisuliselt näitas, et absoluutse nulli lähedal temperatuuridel kaob süsteemi entroopia üldse ja kõik osakesed langevad samasse olekusse või rakku. Igas rakus väljendab molekulide jaotuse entroopia kaudselt teatud hüpoteesi molekulide vastastikuse mõju kohta, mis on üsna salapärane.

Kõige külmem: kuidas kiri Einsteinile ja edusammud laserjahutustehnoloogias viisid füüsikud uutesse aine kvantolekutesse

Einstein omistas selle mõju osakeste interferentsile. Ta ennustas, et madalatel temperatuuridel muutuvad gaaside, nagu vesinik ja heelium, lainelised omadused selgemaks, kuni punktini, kus viskoossus kiiresti väheneb – seda nähtust nimetatakse praegu "ülivedelikuks". Nõudes käsitleda kiirguse ja gaaside vahelist analoogiat täpsena, oli Einstein Bose'i tööle tuginenud, et ennustada aine tundmatut olekut.

Tänu Einsteini tähelepanule Bose tööle sai viimane kaheaastase hingamispuhkuse, et õppida Euroopas. Bose sõitis 1924. aasta sügisel esmalt Pariisi, kus ta kirjutas Einsteinile veel kaks kirja. Järgmisel aastal läks ta Berliini, kus tal lõpuks õnnestus Einsteiniga isiklikult rääkida 1926. aasta alguses. Kuid paar ei jõudnud kunagi edasise koostööni. Einstein vaidles vastu Bose'i tõenäosusvalemile osakeste olekute kohta kiirgusväljas termilises tasakaalus ja Bose, kes oli seotud muude asjadega, ei pöördunud selle konkreetse küsimuse juurde tagasi. Nende 1924. aasta juunis toimunud vahetus, olgugi lühike, jäi nende kirjavahetuse kõige produktiivsemaks osaks.

Kui kuum on vaakum

Lõpuks, umbes 70 aastat hiljem, tekkis see uus aine olek, mida nüüd nimetatakse Bose-Einsteini kondensatsiooniks (BEC). eksperimentaalselt demonstreeritud 1995. aastal kahes USA laboris. Ka see oli pika arenduste jada tulemus, sest 1924. aastal oli BEC vaid kvantgaaside piirjuhtum, mida peeti võimalikuks ainult absoluutse nulli lähedal. See tundus kättesaamatu; isegi toorvaakum on BEC-i jaoks liiga kuum.

Pöördepunktiks oli leiutis 1975. aastal laserjahutus. Häälestades laservalguse sagedust veidi alla sihtaatomite sageduse, saavad füüsikud tulistada footoneid vastassuunas liikuvate aatomite pihta. Tänu Doppleri efektile saab aatomeid seejärel meelitada footoneid neelama, surudes neid laseriga vastupidises suunas, vähendades nende kiirust ja pannes need jahtuma.

<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="Kõige lahedam tulemus In this now-iconic series of images taken in the summer of 1995, a Bose–Einstein condensate emerges from a cloud of cold rubidium atoms in Eric Cornell and Carl Wieman’s laboratory. The “spike” in the density of atoms at the centre of the cloud is a sign that many atoms there are occupying the same quantum state – the signature of Bose–Einstein condensation. (Courtesy: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-5.jpg”>

Aasta hiljem näitas rühm füüsikuid, et vesiniku isotoope saab jahutada, et replikeerida BEC-d. 1989. aastal asusid Cornell ja Wieman rubiidiumi aatomitele, kuna need rühmitusid kiiremini kui vesinik. Mõnikord nimetatakse seda "superaatomiteks", BEC tekib siis, kui üksikute osakeste lainepaketid kattuvad ja muutuvad madalatel temperatuuridel täielikult eristamatuks.

Wieman ja Cornell kirjeldasid BEC-i kui "kvantidentiteedikriisi", mis juhtub siis, kui aatomid koonduvad kokku süsteemi madalaimas võimalikus olekus. Hiiglasliku lainepaketi loomise intriig seisneb selles, et BEC annab meile akna kvantkäitumise tunnistajaks makroskoopilisel tasandil.

Kriitiline punkt

"Bose ja Einsteini kirjavahetus," kirjutas Banerjee Kaasaegse füüsika loomine koloniaal-Indias, "on eriline hetk teaduse ajaloos". Bose ei tulnud tühjalt kohalt, et panustada tükki kasvavasse puslesse. Tänu oma tööle Euroopast kaugel koloniseeritud maal, väidab Banerjee, Bose oli ainulaadselt valmis hõlbustama muutusi läänemaailmas kvantteoorias.

Bose töö ei olnud esimene kord, kui mitte-lääne teadlased on andnud Euroopa teadusele olulisi teadmisi. Kuid tema koostöö Einsteiniga illustreerib sügavamat aspekti – nimelt seda, kuidas piirkondlikud erinevused võivad anda erinevaid arusaamu sellest, mis on oluline ja mis mitte. Nagu Banerjee ütleb, illustreerib Bose panus teaduse „kohalikult juurdunud kosmopolitismi”.

Maailmavaadete mitmekesisus, mitte kultuuriline vastavus, on füüsikas kõige võimsam edasiminek.

Robert P Crease  (täieliku biograafia vaatamiseks klõpsake alloleval lingil) on USA Stony Brooki ülikooli filosoofia osakonna juhataja, kus Gino Elia on doktorant

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/