Amikor Bose azt írta Einsteinnek: a sokszínű gondolkodás ereje – Fizikavilág

<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="Rövid, de édes 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”>

1924 júniusának egyik napján Albert Einstein levelet kapott egy indiai professzortól. A szerző elismerte, hogy „teljesen idegen”, de azt mondta, hogy ehhez a „tanulmányozáshoz és véleményhez” küldött egy kísérő cikket Einsteinnek. A mindössze öt oldalas cikk azt állította, hogy a kvantumelmélet egy hibáját orvosolja, amellyel Einstein évekig sikertelenül küzdött.

Einstein, aki akkor a berlini egyetemen tanult, azonnal rájött, hogy a szerző – Satyendra Nath Bose – megoldotta a problémát, amely legyőzte. Teljesen kielégítő levezetéséről volt szó Planck törvénye, amely a fekete test sugárzásának spektrumát írja le. Először Max Planck 1900-ban vezette le a törvényt, amely megmutatta, hogy a sugárzás nem emelkedik a végtelenbe egyre rövidebb hullámhosszokon, ahogy a klasszikus fizika javasolja, hanem tetőzik, mielőtt visszaesik.

Einstein gyorsan továbbfejlesztette Bose megközelítését saját munkájában, és együttműködésük eredményeként a páros megjósolta egy új jelenség, az ún. "Bose-Einstein kondenzáció". Anticipated to occur at very low temperatures, it would involve all particles in a system occupying the same lowest quantum state. This new collective state of matter was experimentally detected for the first time in 1995, leading to Eric Cornell, Wolfgang Ketterle and Carl Wieman winning the Nobel Prize for Physics six years later.

A Bose–Einstein eszmecsere rövid lehetett, de ez az egyik legnagyobb megfelelés a fizika történetében. Írás a 2020-as könyvbe A modern fizika készítése a gyarmati Indiában, a tudománytörténész és -filozófus Somaditya Banerjee, aki jelenleg a Tennessee állambeli Clarksville-i Austin Peay Állami Egyetemen dolgozik, azt mondja, hogy együttműködésük szemlélteti a nemzetközi közös erőfeszítések növekvő fontosságát a tudományban. Vagy ahogy Banerjee mondja, munkájuk feltárta a „kvantum transznacionális természetét”.

Marginalizált inspiráció

Bose politikailag és tudományosan marginalizálva nőtt fel. 1. január 1894-jén született Kolkatában (akkor Kalkuttában) az indiai Bengál államban, amely brit megszállás alatt állt, egy olyan családban, amely a kulturális és oktatási mozgalom része volt. "Bengáli reneszánsz". Tagjai ambivalens viszonyt ápoltak az európai kultúrával, részben elutasították, részben felvállalták azt.

Bose és Saha elidegenedett és ellenséges volt a brit gyarmatosítókkal szemben, és nem akarta őket szolgálni azzal, hogy lehetséges gyakorlati alkalmazásokkal járuljon hozzá a területekhez.

1895-ben, amikor Bose 11 éves volt, a brit megszállók – a bengáli növekvő lázadástól megriadva – kettészelték az államot. Banerjee szerint egyrészt az ok, amiért Bose belépett a tudományos életbe, az lehetett a nacionalista késztetés, hogy elkerülje a gyarmati bürokráciába való besorozást, ami sok középosztálybeli bengáli sorsa volt.

Ehelyett Bose vett részt Elnökségi Főiskola barátjával (és leendő asztrofizikussal) Meghnad Saha, akit a „Swadeshi mozgalomban” való részvétele miatt kizártak iskolájából. A külföldi áruk használatának visszaszorítására és a hazai termékekre való támaszkodásra törekvő mozgalom része volt az indiai függetlenségért való törekvésnek, és szembeszállt Bengália javasolt felosztásával.

Mindketten Saha elidegenedettnek és ellenszenvnek érezték magukat a brit gyarmatosítókkal szemben, és – sok társukhoz hasonlóan – nem akarták őket szolgálni azzal, hogy olyan területeken járuljanak hozzá, amelyek lehetséges gyakorlati alkalmazásokat kínálnak, mint például a kémia vagy az alkalmazott fizika. A párost inkább a matematika és az elméleti fizika vonzotta – és különösen az újkeletű kvantumelmélet, A német fizikusok úttörő szerepet játszottak.

Banerjee szerint Bose úgy tekintett munkásságára, mint „intellektuális menekülésre a hatalmi viszonyok egyenlőtlenségei és aszimmetriái elől” a megszállt Bengáliában. „Így nem véletlen – írja –, hogy a feltörekvő indiai fizikusok különösen a kvantumfizikában jeleskedtek.” A német munkában való jártasságuk eredményeképpen Bose és Saha nagy hatással volt rá a fotonelmélet, amely a fény folytonossági zavarait vonja maga után. Ezzel szemben a brit fizikusokat jobban lenyűgözte a fény folyamatos természete, amelyet a Maxwell-egyenletek diktálnak.

Bose és Saha a Kalkuttai Egyetem fizikaoktatói lettek. De Bengál elszigeteltsége és az első világháború hatásai miatt nehezen követték nyomon a legújabb európai fejleményeket. Azon kevés folyóiratok egyike, amely rendszeresen elérhető volt az elnökségi könyvtárban Filozófiai Magazin, amelyben Bose és Saha felolvasta Niels Bohr egyik alapvető tanulmányát az atomszerkezetről, amely 1913-ban jelent meg. (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="Nagyszerű elmék 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”>

Kalkuttában is volt szerencséjük barátkozni Paul Johannes Brühl, egy látogató botanikus Németországból, aki termodinamika, kvantumelmélet, relativitáselmélet és más népszerű fizika témákkal foglalkozó könyveket és folyóiratokat hozott magával. 1919-ben, miután Einstein az általános relativitáselmélet nyilvánvaló megerősítését követően hírnevet szerzett, Bose-nak és Sahának sikerült német és francia nyelvű másolatokat szereznie az alapdokumentumokról. Bose mindkét nyelven folyékonyan beszélt angolul is, így ő és Saha lefordították és könyv formájában kiadták a dolgozatokat. A relativitás elve (Kalkuttai Egyetem, 1920). Ez volt az első angol nyelvű dolgozatok gyűjteménye a témában Einsteintől és másoktól.

Aztán 1921-ben Bose professzori címet kapott a nemrég alapított intézményben Dacca (ma Dhaka) Egyetem és fizika tanszékének fejlesztésével bízták meg. Két évvel később meglehetősen hirtelen súlyos költségvetési megszorítások vetettek véget az osztály bővítésének tervének, és Bose-nak még az állása megőrzéséért is meg kellett küzdenie. Bose ezért 1923-ban megoldatlan szakmai állapotba került, egy stresszes politikai időszakban egy megszállt országban.

Az Einstein-kapcsolat

Problémái ellenére a 30 éves férfi folytatta a kutatást. Ugyanebben az évben egy nyugtalanító tényen töprengett: a Planck-törvény levezetése logikailag nem volt megalapozott, mivel keverte a klasszikus és a kvantum fogalmakat. Bose úgy döntött, hogy figyelmen kívül hagyja a klasszikus elméletet, és inkább a diszkrét fotonokból álló gáz mozgásának figyelembevételével vezeti le a törvényt. Gondolatait 1923 őszén vázolta fel immáron meghatározó című dolgozatában „Planck törvénye és a fénykvantum hipotézis”, amelynek egy változatát hamarosan elküldi Einsteinnek.

A Planck-törvény – kezdte a tanulmány – a kvantumelmélet kiindulópontja. De a levezetés egyik kulcsfontosságú formulája a rendelkezésre álló szabadsági fokokról szóló klasszikus feltevésen alapul. "Ez egy nem kielégítő tulajdonság minden levezetésben" - írta Bose. Noha Bose elismerte, hogy Einstein saját kísérlete arra, hogy a törvényt a klasszikus feltevésektől mentesen levezesse, „rendkívül elegáns volt”, Bose nem érezte úgy, hogy „logikai szempontból kellőképpen indokolt”.

<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="Hogy kezdődött minden Amikor 1924-ben Satyendra Nath Bose Planck-törvény származtatását elutasították publikálás céljából, levelet küldött közvetlenül Albert Einsteinnek, és a segítségét kérte. Einstein azonnal felismerte Bose tettének fontosságát, és megszervezte, hogy megjelenjen 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 merészen folytatta: – A következőkben röviden felvázolom a módszert. Három oldalnyi szigorú levezetés következik, amelyek csúcspontja egy egyenlet, amely leírja a fekete test sugárzásának energiaeloszlását. Ez az egyenlet – hirdette Bose – „ugyanaz, mint a Planck-képlet”.

Egy friss cikkben arról arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), Partha Ghose fizikus, aki Bose egyik utolsó PhD hallgatója volt, azt mondja, hogy Bose módszere utalt – de nem volt kifejezetten – az egyes fotonok megkülönböztethetetlenségére. Bose ehelyett úgy határozta meg a fotonok térfogatát, mint egy állapotokból álló teret – amelyet sejteknek nevezett –, ahol a cellák teljes száma megegyezik a fotonok elrendezési módjainak számával. Mivel a fotonok gáza rögzített sűrűségű, az egyes fotonok átrendeződése nem hoz létre új sejteket, ami azt jelenti, hogy magukat a fotonokat nem lehet egymástól megkülönböztetni; nem „címkézheti” őket, hogy kövesse őket.

Bose elküldte a papírt Filozófiai Magazin – amiről tudta, hogy az indiai fizikusok rendelkezésére áll – 1924 eleje körül, de soha nem hallottak róla. Csalódottan, de meggyőződve annak megalapozottságáról, elküldte Einsteinnek, vagy kissé átdolgozott változatát, aki 4. június 1924-én kapta meg.

“Fontos előrelépés”

Einsteint alapozták. Tisztában volt azzal, hogy egy kvantumtörvény levezetéséhez klasszikus feltevés nem következetes, és már több sikertelen kísérletet is tett az eltávolítására. Einstein rájött, hogy Bose levezetése jó volt.

Einstein nagyobb jelentőségre tett szert Bose munkájában, mint maga Bose, mert felfedezett egy kiaknázatlan analógiát

Ugyanezen év július 2-án Einstein egy kézzel írt képeslappal válaszolt Bose-nak, amelyben a lapot „fontos előrelépésnek” nevezte. Einstein ezután maga fordította le a lapot, és elküldte neki Zeitschrift für Physik. Einstein támogatásával Bose dolgozatát elfogadták, és 1924 augusztusában megfelelően megjelentették a folyóiratban. (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="Lassan csinálja 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 nagyobb jelentőségre tett szert Bose munkájában, mint maga Bose, mert felfedezett egy kiaknázatlan analógiát. Lényegében Bose a fotonokat statisztikailag függőként kezelte, ami hulláminterferencia lehetőségére utal. Einstein rájött, hogy ennek nem csak a fotonokra kell vonatkoznia, hanem más részecskékre is. Valójában, amint azt ma már tudjuk, az interferencia csak a spin egész értékű részecskéire igaz, vagy amit Paul Dirac két évtizeddel később „bozonoknak” nevezett el. Ezek ellentétben állnak a „fermionokkal”, amelyek spinje páratlan félegész értékekben történik.

Röviddel azután, hogy megkapta Bose feljegyzését, Einstein írt egy német nyelvű cikket címmel „Quantentheorie des einatomigen idealen gases” (vagy „A monoatomi ideális gáz kvantumelmélete”). Megjelent a A Porosz Tudományos Akadémia közleményei 1925 januárjában leírta az Einstein által „a sugárzás és a gáz közötti messzire mutató formális kapcsolatot”. A tanulmány lényegében azt mutatta be, hogy az abszolút nullához közeli hőmérsékleten a rendszer entrópiája teljesen eltűnik, és minden részecske ugyanabba az állapotba vagy sejtbe esik. Az egyes sejtekben a molekuláris eloszlás entrópiája „közvetve kifejez egy bizonyos hipotézist a molekulák kölcsönös befolyásáról, ami meglehetősen titokzatos természetű”.

Leghidegebb: egy Einsteinnek írt levél és a lézeres hűtési technológia fejlődése hogyan vezette a fizikusokat az anyag új kvantumállapotaihoz

Einstein ezt a hatást a részecskék interferenciájának tulajdonította. Megjósolta, hogy alacsony hőmérsékleten az olyan gázok hullámszerű jellemzői, mint a hidrogén és a hélium, egyre hangsúlyosabbá válnak, egészen addig a pontig, ahol a viszkozitás gyorsan csökkenni fog – ezt a jelenséget ma „szuperfolyékonyságnak” nevezik. Azzal, hogy ragaszkodott ahhoz, hogy a sugárzás és a gázok közötti analógiát pontosnak tekintsék, Einstein Bose munkájára épített, és végül az anyag ismeretlen állapotát jósolta meg.

Einstein Bose munkássága iránti figyelmének köszönhetően utóbbi két év szabadságot kapott, hogy Európában tanulhasson. Bose először 1924 őszén utazott Párizsba, ahol további két levelet írt Einsteinnek. A következő évben Berlinbe ment, ahol végre sikerült hogy személyesen beszéljen Einsteinnel 1926 elején. A pár azonban soha nem jutott el a további együttműködésig. Einstein kifogásolta a Bose-féle valószínűségi képletet a részecskék termikus egyensúlyi állapotú sugárzási mezőjében, és Bose, aki más dolgokkal is foglalkozik, nem tért vissza ehhez a kérdéshez. 1924. júniusi eszmecseréjük, bármilyen rövid is, levelezésük legtermékenyebb része maradt.

Milyen meleg a vákuum

Végül, mintegy 70 évvel később az anyagnak ez az új állapota, amelyet most Bose-Einstein kondenzációnak (BEC) hívnak, kísérletileg bebizonyították 1995-ben két amerikai laboratóriumban. Ez is a fejlesztések hosszú sorozatának eredménye volt, mivel 1924-ben a BEC csak a kvantumgázok határesete volt, amelyet csak az abszolút nulla közelében lehetett lehetségesnek. Elérhetetlennek tűnt; még a nyers vákuum is túl meleg a BEC-hez.

Fordulópontot jelentett az 1975-ös feltalálás lézeres hűtés. A lézerfény frekvenciáját közvetlenül a célatomok frekvenciája alá hangolva a fizikusok fotonokat lőhetnek az ellenkező irányba mozgó atomokra. A Doppler-effektusnak köszönhetően az atomok rávehetők a fotonok elnyelésére, miközben a lézerrel ellentétes irányba tolják őket, csökkentve a sebességüket és lehűlni.

<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="A legmenőbb eredmény 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”>

Egy évvel később fizikusok egy csoportja kimutatta, hogy a hidrogén izotópjait le lehet hűteni a BEC replikálására. 1989-ben Cornell és Wieman a rubídium atomokra telepedett, mert gyorsabban csoportosulnak, mint a hidrogén. Néha „szuperatomoknak” nevezik, a BEC akkor fordul elő, amikor az egyes részecskék hullámcsomagjai átfedik egymást, és alacsony hőmérsékleten teljesen megkülönböztethetetlenné válnak.

Wieman és Cornell a BEC-et "kvantum-identitásválságnak" nevezte, amely akkor következik be, amikor az atomok a rendszer lehető legalacsonyabb állapotában összetapadnak. Az óriási hullámcsomag létrehozásának intrikája az, hogy a BEC ablakot ad a kvantumviselkedések makroszkopikus szintű tanúira.

A kritikus pont

„A levelezés Bose és Einstein között” – írta Banerjee A modern fizika készítése a gyarmati Indiában, „különleges pillanat a tudománytörténetben”. Bose nem a semmiből jött, hogy egy darabbal hozzájáruljon egy növekvő kirakós játékhoz. Banerjee azt állítja, hogy Európától távol, egy gyarmatosított országban végzett munkája révén Bose egyedülállóan alkalmas volt arra, hogy elősegítse a kvantumelméletről szóló nyugati gondolkodás megváltoztatását.

Bose munkája nem volt az első alkalom, hogy nem nyugati tudósok kulcsfontosságú betekintést nyújtottak az európai tudományba. De az Einsteinnel való együttműködése egy mélyebb pontot szemléltet – nevezetesen azt, hogy a regionális különbségek hogyan adhatnak különböző érzéseket arról, hogy mi fontos és mi nem. Ahogy Banerjee fogalmaz, Bose hozzájárulása a tudomány „helyi gyökerű kozmopolitizmusát” illusztrálja.

A világnézetek sokszínűsége, nem pedig a kulturális konformitás, a fizika fejlődésének legerőteljesebb ígérete.

Robert P Crease  (a teljes életrajzért kattintson az alábbi linkre) a Stony Brook Egyetem Filozófia Tanszékének elnöke, ahol Gino Elia PhD hallgató

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/