وقتی بوز به انیشتین نوشت: قدرت تفکر متنوع - دنیای فیزیک

<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="کوتاه اما شیرین در سال 1924 ساتیندرا نات بوز (سمت چپ) به آلبرت انیشتین (راست) نوشت و گفت که او اشتقاق رضایت‌بخش‌تری از قانون پلانک ایجاد کرده است. مکاتبات حاصل، که مختصر اما عمیق بود، منجر به پیش‌بینی چیزی شد که ما اکنون تراکم بوز-اینشتین می‌نامیم. (سمت چپ: Falguni Sarkar، با حسن نیت AIP Emilio Segrè Visual Archives. سمت راست: AIP Emilio Segrè Visual Archives، WF Meggers Galleries of Nobel Awards Collection)” title=”برای باز کردن تصویر در پنجره بازشو کلیک کنید” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg”>

یک روز در ژوئن 1924، آلبرت انیشتین نامه ای را دریافت کرد که توسط استادی در هند نوشته شده بود. نویسنده اعتراف کرد که "کاملا غریبه" است اما گفت که مقاله ای همراه را برای این "مطالعه و نظر" برای انیشتین ارسال کرده است. این مقاله فقط پنج صفحه داشت و ادعا می‌کرد که به نقصی در نظریه کوانتومی می‌پردازد که انیشتین چندین سال با آن دست و پنجه نرم کرده بود.

اینشتین که در آن زمان در دانشگاه برلین بود، بلافاصله متوجه شد که نویسنده – ساتیندرا نات بوز - مشکلی را که او را شکست داده بود حل کرده بود. مربوط به یک مشتق کاملاً رضایت‌بخش از قانون پلانک، که طیف تابش یک جسم سیاه را توصیف می کند. این قانون که اولین بار توسط ماکس پلانک در سال 1900 به دست آمد، نشان داد که تابش در طول موج های کوتاه تر، همانطور که فیزیک کلاسیک نشان می دهد تا بی نهایت افزایش نمی یابد، بلکه قبل از بازگشت به اوج خود می رسد.

انیشتین به سرعت رویکرد بوز را در کار خود توسعه داد و در نتیجه همکاری آنها، این زوج وجود پدیده جدیدی را پیش بینی کردند که دوبله شد. تراکم بوز-اینشتین. پیش‌بینی می‌شود که در دماهای بسیار پایین رخ دهد، همه ذرات موجود در سیستمی که پایین‌ترین حالت کوانتومی را اشغال می‌کنند را درگیر می‌کند. این حالت جمعی جدید ماده به طور تجربی برای اولین بار در سال 1995 شناسایی شد که منجر به برنده شدن اریک کورنل، ولفگانگ کترل و کارل ویمن شد. جایزه نوبل فیزیک شش سال بعد.

تبادل بوز-اینشتین ممکن است مختصر بوده باشد، اما یکی از مکاتبات بزرگ در تاریخ فیزیک است. نوشتن در کتاب 2020 ساخت فیزیک مدرن در هند استعماری، مورخ و فیلسوف علم سومادیتیا بانرجیاو که اکنون در دانشگاه ایالتی آستین پی در کلارکسویل، تنسی است، می گوید که همکاری آنها اهمیت روزافزون تلاش های مشترک بین المللی در علم را نشان می دهد. یا، همانطور که بانرجی می گوید، کار آنها "ماهیت فراملی کوانتوم" را آشکار کرد.

الهام به حاشیه رانده شده

بوز از نظر سیاسی و علمی در حاشیه بزرگ شد. او در اول ژانویه 1 در کلکته (در آن زمان کلکته) در ایالت بنگال هند، که تحت اشغال بریتانیا بود، در خانواده‌ای که بخشی از یک جنبش فرهنگی و آموزشی به نام "رنسانس بنگال". اعضای آن رابطه ای دوسوگرا با فرهنگ اروپایی داشتند و تا حدی آن را رد می کردند و بخشی از آن را پذیرفتند.

بوز و ساها احساس بیگانگی و دشمنی با استعمارگران انگلیسی می کردند و نمی خواستند با مشارکت در زمینه هایی با کاربردهای عملی احتمالی به آنها خدمت کنند.

در سال 1895، زمانی که بوز 11 ساله بود، اشغالگران بریتانیایی - که از شورش فزاینده در بنگال نگران بودند - ایالت را به دو بخش تقسیم کردند. به گفته بانرجی، بخشی از دلیل ورود بوز به دانشگاه، ممکن است یک اصرار ملی گرایانه برای اجتناب از اجباری شدن به بوروکراسی استعماری باشد، که سرنوشت بسیاری از بنگالی های طبقه متوسط ​​بود.

بوز در عوض شرکت کرد دانشکده ریاست با دوستش (و اخترفیزیکدان آینده) مقناد سها، که به دلیل مشارکت در "جنبش سوادشی" از مدرسه خود اخراج شده بود. این جنبش که به دنبال محدود کردن استفاده از کالاهای خارجی و تکیه بر محصولات داخلی بود، بخشی از تلاش برای استقلال هند بود و در مقابل تقسیم پیشنهادی بنگال ایستاد.

هر دو و ساها احساس بیگانگی و مخالفت با استعمارگران بریتانیایی می کردند و - مانند بسیاری از همتایان خود - نمی خواستند با مشارکت در زمینه هایی با کاربردهای عملی احتمالی، مانند شیمی یا فیزیک کاربردی، به آنها خدمت کنند. این جفت در عوض توسط ریاضیات و فیزیک نظری - و به ویژه توسط نظریه کوانتومی جدید که فیزیکدانان آلمانی پیشگام بودند.

به گفته بانرجی، بوز کار خود را «فرار فکری از نابرابری ها و عدم تقارن روابط قدرت» در بنگال اشغالی می دانست. او می نویسد: «بنابراین تصادفی نیست که فیزیکدانان نوظهور هندی به ویژه در فیزیک کوانتوم برتری داشتند.» در نتیجه آشنایی با کار آلمانی، بوز و ساها به شدت تحت تأثیر نظریه فوتون قرار گرفتند، که دلالت بر ناپیوستگی در نور دارد. در مقابل، فیزیکدانان بریتانیایی بیشتر تحت تأثیر ماهیت پیوسته نور دیکته شده توسط معادلات ماکسول قرار گرفتند.

بوز و ساها هر دو مدرس فیزیک در دانشگاه کلکته شدند. اما به دلیل انزوای بنگال و تأثیرات جنگ جهانی اول، پیگیری آخرین تحولات اروپا برای آنها دشوار بود. یکی از معدود نشریاتی که به طور مرتب در کتابخانه ریاست جمهوری موجود بود، بود مجله فلسفی، که در آن بوز و ساها یکی از مقالات اصلی نیلز بور در مورد ساختار اتمی را که در سال 1913 منتشر شد را مطالعه کردند. (فیل مگ. 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="ذهن های عالی بوز و ساها با دانشمندان دیگر در دانشگاه کلکته: نشسته (L تا R): مگناد ساها، جاگادیش چاندرا بوز، جانان چاندرا گوش. ایستاده (L تا R): اسنهموی دات، ساتیندرا نات بوز، دبندرا موهان بوز، ان آر سن، جانانندرا ناث موکرجی، NC Nag. (با احترام: Wikimedia Commons)” title=”برای باز کردن تصویر در پنجره بازشو کلیک کنید” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- power-of-diverse-thinking-physics-world-1.jpg”>

در کلکته نیز خوش شانس بودند که با هم دوست شدند پل یوهانس برول، یک گیاه شناس مهمان از آلمان، که با خود کتاب ها و مجلاتی در مورد ترمودینامیک، نظریه کوانتوم، نسبیت و سایر موضوعات رایج فیزیک آورده بود. در سال 1919، پس از اینکه انیشتین پس از تایید ظاهری نسبیت عام به شهرت رسید، بوز و ساها موفق شدند نسخه‌هایی از مقالات اولیه را به زبان آلمانی و فرانسوی دریافت کنند. بوز به هر دو زبان و همچنین انگلیسی تسلط داشت، بنابراین او و ساها مقالات را به صورت کتاب ترجمه و منتشر کردند. اصل نسبیت (دانشگاه کلکته، 1920). این اولین مجموعه مقالات انگلیسی زبان در مورد این موضوع از انیشتین و دیگران بود.

سپس، در سال 1921، بوز در مؤسسه ای که اخیراً تأسیس شده بود، به عنوان استادی اعطا شد دانشگاه داکا (اکنون داکا) و مسئولیت توسعه بخش فیزیک خود را بر عهده گرفت. دو سال بعد، به طور ناگهانی، کاهش شدید بودجه به برنامه توسعه بخش پایان داد و بوز حتی مجبور شد برای حفظ شغل خود بجنگد. بنابراین، در سال 1923، بوز خود را در یک وضعیت حرفه ای حل نشده، در یک زمان سیاسی پر استرس در یک سرزمین اشغالی یافت.

ارتباط انیشتین

علیرغم مشکلاتی که داشت، این جوان 30 ساله به تحقیقات خود ادامه داد. بعداً در همان سال، او به یک واقعیت نگران‌کننده فکر کرد: اشتقاق قانون پلانک از نظر منطقی نادرست بود زیرا مفاهیم کلاسیک و کوانتومی را با هم ترکیب می‌کرد. بوز تصمیم گرفت نظریه کلاسیک را نادیده بگیرد و در عوض با در نظر گرفتن حرکات گاز فوتون های گسسته، قانون را استخراج کند. او افکار خود را در پاییز 1923 در مقاله مهم خود با عنوان قانون پلانک و فرضیه نور-کوانتومینسخه ای که او به زودی برای انیشتین ارسال خواهد کرد.

قانون پلانک، قانون پلانک، نقطه شروع نظریه کوانتومی است. اما یک فرمول حیاتی در استخراج آن بر یک فرض کلاسیک در مورد درجات آزادی موجود متکی است. بوز نوشت: "این یک ویژگی رضایت بخش در همه مشتقات است." بوز در حالی که اعتراف کرد که تلاش خود اینشتین برای استخراج قانون فارغ از مفروضات کلاسیک "به طرز قابل توجهی ظریف" بود، اما احساس نکرد که "از دیدگاه منطقی به اندازه کافی توجیه شده است".

<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="چطور شروع شدند هنگامی که در سال 1924 استنتاج قانون پلانک توسط Satyendra Nath Bose برای انتشار رد شد، او نامه ای مستقیماً برای آلبرت انیشتین ارسال کرد و از او کمک خواست. انیشتین بلافاصله به اهمیت کاری که بوز انجام داده بود پی برد و ترتیبی داد که در آن منتشر شود Zeitschrift für Physik. (با احترام: بایگانی تصویری AIP Emilio Segrè، هدیه کامشوار ولی و اتین آیزنمن)” title=”برای باز کردن تصویر در پنجره بازشو کلیک کنید” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-2.jpg”>

بوز با جسارت ادامه داد: "در ادامه روش را به طور خلاصه ترسیم خواهم کرد." سه صفحه مشتقات دقیق دنبال می‌شوند که به معادله‌ای ختم می‌شود که توزیع انرژی در تابش یک جسم سیاه را توصیف می‌کند. بوز اعلام کرد که این معادله "همان فرمول پلانک" است.

در مقاله اخیر در مانند: arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909)، فیزیکدان پارتا گوس، که یکی از آخرین دانشجویان دکترای بوز بود، می‌گوید که روش بوز به غیرقابل تشخیص بودن آن فوتون‌های منفرد اشاره داشت - اما واضح نبود. بوز در عوض حجمی را برای فوتون‌ها به عنوان فضایی متشکل از حالت‌ها تعریف کرد - که او آن را سلول نامید - که تعداد کل سلول‌ها برابر با تعداد روش‌هایی است که فوتون‌ها می‌توانند در آن‌ها مرتب شوند. از آنجایی که گاز فوتون ها چگالی ثابتی دارد، مرتب کردن مجدد فوتون ها سلول های جدیدی تولید نمی کند، به این معنی که خود فوتون ها را نمی توان از هم جدا کرد. شما نمی توانید آنها را "تگ" کنید تا آنها را دنبال کنید.

بوز کاغذ را فرستاد مجله فلسفی - که او می دانست که در دسترس فیزیکدانان هندی است - در اوایل سال 1924، اما هرگز چیزی نشنید. او که ناامید شده بود، اما از صحت آن متقاعد شده بود، آن را یا نسخه کمی اصلاح شده آن را برای انیشتین فرستاد که در 4 ژوئن 1924 آن را دریافت کرد.

"یک گام مهم رو به جلو"

انیشتین آماده شد. او ناسازگاری استفاده از یک فرض کلاسیک برای استخراج قانون کوانتومی را می دانست و قبلاً چندین تلاش ناموفق برای حذف آن انجام داده بود. انیشتین متوجه شد که اشتقاق بوز صحیح بود.

انیشتین در کار بوز اهمیت بیشتری نسبت به خود بوز به دست آورد، زیرا او یک تشبیه استفاده نشده را مشاهده کرد.

در 2 ژوئیه همان سال، انیشتین با یک کارت پستال دست نویس به Bose پاسخ داد که این مقاله را "گامی مهم به جلو" خواند. سپس اینشتین خود مقاله را ترجمه کرد و برای آن فرستاد Zeitschrift für Physik. با تایید انیشتین، مقاله بوز پذیرفته شد و در اوت 1924 در مجله به چاپ رسید. (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="آرام آرام این کار را می کند انیشتین به نامه ای که بوز در سال 1924 برای او ارسال کرد، با ارسال یک کارت پستال واکنش نشان داد. (Shutterstock/Genotar) ” title=”برای باز کردن تصویر در پنجره بازشو کلیک کنید” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-diverse-thinking-physics-world-3.jpg”>

انیشتین در کار بوز اهمیت بیشتری نسبت به خود بوز به دست آورد، زیرا او یک تشبیه استفاده نشده را مشاهده کرد. اساساً، بوز فوتون‌ها را به‌عنوان وابسته آماری تلقی کرده بود، که دلالت بر احتمال تداخل موج دارد. چیزی که انیشتین متوجه شد این بود که این فقط برای فوتون ها اعمال نمی شود، بلکه می تواند برای ذرات دیگر نیز اعمال شود. در واقع، همانطور که اکنون می دانیم، تداخل فقط در مورد ذرات با مقادیر صحیح اسپین، یا آنچه پل دیراک، دو دهه بعد، «بوزون» نامید، صادق است. این‌ها با «فرمیون‌ها» در تضاد هستند، که اسپین آن‌ها در مقادیر نیمه صحیح فرد می‌آید.

اندکی پس از دریافت یادداشت بوز، انیشتین مقاله ای به زبان آلمانی با عنوان "Quantentheorie des einatomigen idealen gases" (یا "نظریه کوانتومی گاز ایده آل تک اتمی"). منتشر شده در مجموعه مقالات آکادمی علوم پروس در ژانویه 1925، آنچه انیشتین آن را "رابطه رسمی گسترده بین تشعشع و گاز" نامید، توصیف کرد. این مقاله اساساً نشان داد که در دمای نزدیک به صفر مطلق، آنتروپی یک سیستم به طور کلی ناپدید می شود و همه ذرات به همان حالت یا سلول سقوط می کنند. در درون هر سلول، آنتروپی توزیع مولکولی "به طور غیرمستقیم یک فرضیه خاص در مورد تأثیر متقابل مولکول ها را بیان می کند که ماهیت کاملاً مرموزی دارد".

سردترین: چگونه نامه ای به انیشتین و پیشرفت در فناوری خنک کننده لیزری فیزیکدانان را به حالت های کوانتومی جدیدی از ماده سوق داد.

انیشتین این تأثیر را به تداخل ذرات نسبت داد. او پیش‌بینی کرد که در دماهای پایین، ویژگی‌های موج مانند گازهایی مانند هیدروژن و هلیوم بارزتر می‌شود، تا جایی که ویسکوزیته به سرعت کاهش می‌یابد - پدیده‌ای که اکنون «ابر سیالیت» نامیده می‌شود. انیشتین با اصرار بر تلقی دقیق تشابه بین تشعشع و گازها، کار بوز را برای پیش‌بینی وضعیت ناشناخته ماده بر اساس کار بوز ساخته بود.

به لطف توجه انیشتین به کار بوز، دومی برای تحصیل در اروپا یک تعطیلی دو ساله دریافت کرد. بوز ابتدا در پاییز 1924 به پاریس سفر کرد و در آنجا دو نامه دیگر به انیشتین نوشت. سال بعد به برلین رفت و سرانجام توانست برای صحبت با انیشتین حضوری در اوایل سال 1926. اما این زوج هرگز نتوانستند بیشتر با هم همکاری کنند. انیشتین با فرمول احتمال بوز برای حالات ذرات در میدان تابشی در تعادل حرارتی مخالفت کرد و بوز که با چیزهای دیگر درگیر بود، به این سوال خاص بازنگشت. تبادل آنها در ژوئن 1924، هر چند کوتاه، پربارترین بخش مکاتبات آنها باقی ماند.

چقدر جارو گرمه

سرانجام، حدود 70 سال بعد، این حالت جدید ماده که اکنون تراکم بوز-اینشتین (BEC) نامیده می شود آزمایش تجربی نشان داد در دو آزمایشگاه در ایالات متحده در سال 1995. این نیز نتیجه یک سری از پیشرفت‌ها بود، زیرا در سال 1924، BEC فقط یک مورد محدود از گازهای کوانتومی بود که تقریباً نزدیک به صفر مطلق ممکن می‌شد. دست نیافتنی به نظر می رسید. حتی خلاء خام برای BEC خیلی داغ است.

نقطه عطف اختراع در سال 1975 بود خنک کننده لیزری. با تنظیم فرکانس نور لیزر درست زیر فرکانس اتم های هدف، فیزیکدانان می توانند فوتون ها را به سمت اتم هایی که در جهت مخالف حرکت می کنند شلیک کنند. به لطف اثر داپلر، اتم‌ها می‌توانند فریب بخورند و فوتون‌ها را در جهت مخالف لیزر فشار دهند و سرعت آن‌ها را کاهش داده و باعث سرد شدن آن‌ها شوند.

<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="جالب ترین نتیجه در این مجموعه تصاویر نمادین که در تابستان 1995 گرفته شده است، یک میعانات بوز-اینشتین از ابری از اتم‌های روبیدیم سرد در آزمایشگاه اریک کورنل و کارل ویمن بیرون می‌آید. «سنبله» در چگالی اتم‌ها در مرکز ابر، نشانه‌ای از این است که بسیاری از اتم‌ها در آنجا حالت کوانتومی یکسانی را اشغال می‌کنند - امضای تراکم بوز-اینشتین. (با احترام: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”برای باز کردن تصویر در پنجره بازشو کلیک کنید” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-5.jpg”>

یک سال بعد، گروهی از فیزیکدانان نشان دادند که می توان ایزوتوپ های هیدروژن را برای تکثیر BEC خنک کرد. در سال 1989، کورنل و ویمن روی اتم های روبیدیم مستقر شدند، زیرا آنها سریعتر از هیدروژن گروه بندی می شوند. گاهی اوقات به عنوان "سوپر اتم" نامیده می شود، BEC زمانی اتفاق می افتد که بسته های موجی ذرات منفرد روی هم قرار می گیرند و در دماهای پایین کاملاً غیر قابل تشخیص می شوند.

وایمن و کرنل BEC را به عنوان یک "بحران هویت کوانتومی" توصیف کردند که زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌ها در پایین‌ترین حالت ممکن در سیستم به هم متصل شوند. جذابیت ایجاد یک بسته موج غول پیکر این است که BEC به ما پنجره ای می دهد تا شاهد رفتارهای کوانتومی در سطح ماکروسکوپی باشیم.

نقطه بحرانی

بانرجی در این نامه نوشت: «مکاتبات بین بوز و اینشتین». ساخت فیزیک مدرن در هند استعماری، "لحظه ای خاص در تاریخ علم است". بوز از بیراهه نیامد تا در یک پازل رو به رشد نقش داشته باشد. بانرجی استدلال می کند که به دلیل کار دور از اروپا در یک سرزمین مستعمره، بوز به طور منحصر به فردی آماده بود تا تغییر در تفکر غربی در مورد نظریه کوانتومی را تسهیل کند.

کار بوز اولین بار نبود که دانشمندان غیرغربی بینش های کلیدی را به علم اروپایی ارائه می کردند. اما همکاری او با انیشتین نکته عمیق‌تری را نشان می‌دهد - یعنی اینکه چگونه تفاوت‌های منطقه‌ای می‌تواند حس‌های متفاوتی از مهم و غیر مهم به دست دهد. همانطور که بانرجی می گوید، مشارکت بوز «جهان وطنی ریشه دار محلی» علم را نشان می دهد.

تنوع در جهان بینی، نه تطابق فرهنگی، قوی ترین نوید را برای پیشرفت در فیزیک دارد.

رابرت پی کریس  (برای بیوگرافی کامل روی لینک زیر کلیک کنید) رئیس دپارتمان فلسفه، دانشگاه استونی بروک، ایالات متحده است، جایی که جینو الیا دانشجوی دکتری است

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/