Ketika Bose menulis kepada Einstein: kekuatan pemikiran yang beragam – Dunia Fisika

<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="Pendek tapi manis Pada tahun 1924 Satyendra Nath Bose (kiri) menulis kepada Albert Einstein (kanan) mengatakan bahwa dia telah mengembangkan derivasi hukum Planck yang lebih memuaskan. Korespondensi yang dihasilkan, singkat namun mendalam, mengarah pada prediksi apa yang sekarang kita sebut kondensasi Bose–Einstein. (Kiri: Falguni Sarkar, atas izin AIP Emilio Segrè Visual Archives. Kanan: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Galeri WF Meggers dari Koleksi Pemenang Nobel)” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg”>

Suatu hari di bulan Juni 1924, Albert Einstein menerima surat yang ditulis oleh seorang profesor di India. Penulis mengakui bahwa dia adalah “orang asing” tetapi mengatakan dia mengirimi Einstein artikel pendamping untuk “pembacaan dan opini” ini. Hanya sepanjang lima halaman, artikel tersebut mengklaim mampu mengatasi kelemahan dalam teori kuantum yang telah diperjuangkan Einstein selama beberapa tahun namun gagal.

Einstein, yang saat itu kuliah di Universitas Berlin, segera menyadari bahwa penulis – Satyendra Nath Bose – telah memecahkan masalah yang telah mengalahkannya. Ini menyangkut derivasi yang sepenuhnya memuaskan hukum Planck, yang menggambarkan spektrum radiasi dari benda hitam. Pertama kali diturunkan oleh Max Planck pada tahun 1900, hukum tersebut menunjukkan bahwa radiasi tidak naik hingga tak terhingga pada panjang gelombang yang semakin pendek seperti yang disarankan oleh fisika klasik, melainkan mencapai puncaknya sebelum turun kembali.

Einstein dengan cepat mengembangkan pendekatan Bose lebih lanjut dalam karyanya sendiri dan, sebagai hasil kolaborasi mereka, pasangan tersebut meramalkan adanya fenomena baru, yang dijuluki “Kondensasi Bose–Einstein”. Diperkirakan akan terjadi pada suhu yang sangat rendah, hal ini akan melibatkan semua partikel dalam sistem yang menempati keadaan kuantum terendah yang sama. Keadaan materi kolektif baru ini terdeteksi secara eksperimental untuk pertama kalinya pada tahun 1995, yang menghasilkan Eric Cornell, Wolfgang Ketterle, dan Carl Wieman yang memenangkan penghargaan tersebut. Hadiah Nobel Fisika enam tahun kemudian.

Pertukaran Bose-Einstein mungkin berlangsung singkat, namun ini merupakan salah satu korespondensi terbesar dalam sejarah fisika. Menulis di buku tahun 2020 Pembuatan Fisika Modern di India Kolonial, sejarawan dan filsuf sains Somaditya Banerjee, yang kini kuliah di Austin Peay State University di Clarksville, Tennessee, mengatakan kolaborasi mereka menggambarkan semakin pentingnya upaya bersama internasional di bidang sains. Atau, seperti yang dikatakan Banerjee, karya mereka mengungkapkan “sifat transnasional dari kuantum”.

Inspirasi yang terpinggirkan

Bose tumbuh sebagai orang yang terpinggirkan secara politik dan ilmiah. Ia lahir pada tanggal 1 Januari 1894 di Kolkata (saat itu Kalkuta) di negara bagian Bengal, India, yang berada di bawah pendudukan Inggris, dari sebuah keluarga yang merupakan bagian dari gerakan budaya dan pendidikan yang disebut “Kebangkitan Benggala”. Para anggotanya mempunyai hubungan yang ambivalen dengan budaya Eropa, sebagian menolak dan sebagian lagi menerimanya.

Bose dan Saha merasa terasing dan bermusuhan terhadap penjajah Inggris, dan tidak ingin mengabdi pada mereka dengan berkontribusi pada bidang-bidang yang mungkin dapat diterapkan secara praktis.

Pada tahun 1895, ketika Bose berusia 11 tahun, penjajah Inggris – yang khawatir dengan meningkatnya pemberontakan di Bengal – membagi negara bagian tersebut menjadi dua. Salah satu alasan Bose masuk dunia akademis, menurut Banerjee, mungkin adalah dorongan nasionalis untuk menghindari wajib militer ke dalam birokrasi kolonial, yang merupakan nasib banyak orang kelas menengah Bengali.

Bose malah hadir Perguruan Tinggi Presidensi dengan temannya (dan calon astrofisikawan) Meghnad Saha, yang dikeluarkan dari sekolahnya karena keterlibatannya dalam “gerakan Swadeshi”. Berusaha untuk mengekang penggunaan barang-barang asing dan mengandalkan produk dalam negeri, gerakan ini merupakan bagian dari dorongan kemerdekaan India dan menentang usulan pembagian Bengal.

Keduanya dan Saha merasa terasing dan bermusuhan dengan penjajah Inggris, dan – seperti banyak rekan mereka – tidak ingin mengabdi pada mereka dengan berkontribusi pada bidang-bidang yang mungkin dapat diterapkan secara praktis, seperti kimia atau fisika terapan. Pasangan ini malah tertarik pada matematika dan fisika teoretis – dan khususnya oleh teori kuantum yang ketinggalan jaman Fisikawan Jerman sedang merintis.

Menurut Banerjee, Bose melihat karyanya sebagai “pelarian intelektual dari ketidakadilan dan asimetri hubungan kekuasaan” di wilayah pendudukan Bengal. “Oleh karena itu, bukan suatu kebetulan,” tulisnya, “bahwa para fisikawan India yang baru muncul ini unggul dalam bidang fisika kuantum.” Karena keakraban mereka dengan karya Jerman, Bose dan Saha sangat dipengaruhi oleh teori foton, yang menyiratkan diskontinuitas cahaya. Sebaliknya, fisikawan Inggris lebih terkesan dengan sifat kontinu cahaya yang ditentukan oleh persamaan Maxwell.

Bose dan Saha keduanya kemudian menjadi instruktur fisika di Universitas Calcutta. Namun karena terisolasinya Bengal dan dampak Perang Dunia Pertama, mereka kesulitan mengikuti perkembangan terkini di Eropa. Salah satu dari sedikit terbitan berkala yang tersedia secara rutin di perpustakaan Kepresidenan adalah Majalah Filsafat, di mana Bose dan Saha membaca salah satu makalah penting Niels Bohr tentang struktur atom, yang diterbitkan pada tahun 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="Pikiran yang hebat Bose dan Saha bersama ilmuwan lain di Universitas Kalkuta: duduk (Kiri ke Kanan): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Berdiri (Kiri ke Kanan): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, NR Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, NC Nag. (Sumber: Wikimedia Commons)” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- kekuatan-beragam-pemikiran-fisika-dunia-1.jpg”>

Di Kalkuta, mereka juga beruntung bisa berteman Paul Johannes Brühl, seorang ahli botani tamu dari Jerman, yang membawa serta buku dan jurnal tentang termodinamika, teori kuantum, relativitas, dan topik fisika populer lainnya. Pada tahun 1919, setelah Einstein menjadi terkenal setelah konfirmasi relativitas umum, Bose dan Saha berhasil mendapatkan salinan makalah dasar dalam bahasa Jerman dan Prancis. Bose fasih dalam kedua bahasa tersebut, serta bahasa Inggris, jadi dia dan Saha menerjemahkan dan menerbitkan makalah tersebut dalam bentuk buku sebagai Prinsip Relativitas (Universitas Kalkuta, 1920). Itu adalah kumpulan makalah berbahasa Inggris pertama tentang topik tersebut dari Einstein dan lainnya.

Kemudian, pada tahun 1921, Bose dianugerahi jabatan profesor di lembaga yang baru didirikan tersebut Universitas Dacca (sekarang Dhaka). dan ditugaskan untuk mengembangkan departemen fisikanya. Dua tahun kemudian, secara tiba-tiba, pemotongan anggaran yang besar mengakhiri rencana perluasan departemen tersebut, dan Bose bahkan harus berjuang untuk mempertahankan pekerjaannya. Oleh karena itu, pada tahun 1923, Bose mendapati dirinya berada dalam kondisi profesional yang belum terselesaikan, pada masa politik yang penuh tekanan di tanah yang diduduki.

Koneksi Einstein

Terlepas dari permasalahannya, pria berusia 30 tahun ini terus melakukan penelitian. Belakangan pada tahun itu, dia merenungkan fakta yang meresahkan: derivasi hukum Planck secara logis tidak masuk akal karena mencampurkan konsep klasik dan kuantum. Bose memutuskan untuk mengabaikan teori klasik dan menurunkan hukum tersebut dengan mempertimbangkan pergerakan gas foton diskrit. Dia menguraikan pemikirannya pada musim gugur 1923 dalam makalahnya yang sekarang berjudul “Hukum Planck dan hipotesis kuantum cahaya”, sebuah versi yang akan segera dia kirimkan kepada Einstein.

Hukum Planck, awal makalah ini, adalah titik awal teori kuantum. Namun ada satu formula penting untuk menurunkannya bergantung pada asumsi klasik tentang derajat kebebasan yang tersedia. “Ini adalah fitur yang tidak memuaskan di semua derivasi,” tulis Bose. Meskipun mengakui bahwa upaya Einstein untuk mendapatkan hukum yang bebas dari asumsi klasik adalah “sangat elegan”, Bose tidak merasa bahwa hal itu “cukup dibenarkan dari sudut pandang logis”.

<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="Bagaimana semua ini dimulai Ketika derivasi hukum Planck karya Satyendra Nath Bose ditolak untuk dipublikasikan pada tahun 1924, ia langsung mengirimkan surat kepada Albert Einstein untuk meminta bantuannya. Einstein segera menyadari pentingnya apa yang telah dilakukan Bose dan mengatur agar hal itu dipublikasikan Zeitschrift untuk Fisik. (Atas izin: Arsip Visual AIP Emilio Segrè, Hadiah Kameshwar Wali dan Etienne Eisenmann)” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-menulis-ke-einstein-kekuatan-beragam-pemikiran-fisika-dunia-2.jpg”>

Bose dengan berani melanjutkan: “Berikut ini saya akan membuat sketsa metodenya secara singkat.” Tiga halaman derivasi yang cermat menyusul, yang berpuncak pada persamaan yang menggambarkan distribusi energi radiasi dari benda hitam. Persamaan ini, kata Bose, “sama dengan rumus Planck”.

Dalam makalah terbaru tentang arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), fisikawan Partha Ghose, yang merupakan salah satu mahasiswa PhD terakhir Bose, mengatakan bahwa metode Bose mengisyaratkan – namun tidak secara eksplisit tentang – foton individu yang tidak dapat dibedakan. Bose malah mendefinisikan volume foton sebagai ruang yang terdiri dari keadaan – yang disebutnya sel – dengan jumlah total sel sama dengan jumlah cara penyusunan foton. Karena gas foton mempunyai kepadatan yang tetap, penataan ulang masing-masing foton tidak menghasilkan sel-sel baru, yang menyiratkan bahwa foton-foton itu sendiri tidak dapat dibedakan; Anda tidak dapat “menandai” mereka untuk mengikuti mereka kemana-mana.

Bose mengirim kertas itu ke Majalah Filsafat – yang dia tahu tersedia bagi fisikawan India – sekitar awal tahun 1924, tetapi tidak pernah mendapat kabar. Kecewa, namun yakin akan kesehatannya, dia mengirimkannya, atau versi yang sedikit direvisi, kepada Einstein, yang menerimanya pada tanggal 4 Juni 1924.

“Sebuah langkah maju yang penting”

Einstein sudah siap. Dia mengetahui ketidakkonsistenan dalam menggunakan asumsi klasik untuk memperoleh hukum kuantum dan telah melakukan beberapa upaya yang gagal untuk menghilangkannya. Derivasi Bose masuk akal, Einstein menyadari.

Einstein mendapatkan lebih banyak arti penting dalam karya Bose dibandingkan Bose sendiri, karena ia melihat sebuah analogi yang belum dieksploitasi

Pada tanggal 2 Juli tahun itu, Einstein menanggapi Bose dengan kartu pos tulisan tangan yang menyebut makalah tersebut sebagai “sebuah langkah maju yang penting”. Einstein kemudian menerjemahkan makalah itu sendiri dan mengirimkannya ke Zeitschrift untuk Fisik. Dengan dukungan Einstein, makalah Bose diterima, dan diterbitkan di jurnal pada bulan Agustus 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="Perlahan melakukannya Einstein bereaksi terhadap surat yang dikirimkan Bose kepadanya pada tahun 1924 dengan mengiriminya kartu pos. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-beragam-pemikiran-fisika-dunia-3.jpg”>

Einstein mendapatkan lebih banyak arti penting dalam karya Bose dibandingkan Bose sendiri, karena ia melihat sebuah analogi yang belum dieksploitasi. Pada dasarnya, Bose memperlakukan foton sebagai foton yang bergantung secara statistik, yang menyiratkan kemungkinan interferensi gelombang. Apa yang Einstein sadari adalah bahwa hal ini tidak hanya berlaku pada foton, namun juga dapat diterapkan pada partikel lain. Faktanya, seperti yang kita ketahui sekarang, interferensi hanya berlaku pada partikel dengan nilai putaran bilangan bulat, atau yang oleh Paul Dirac, dua dekade kemudian, disebut sebagai “boson”. Ini kontras dengan “fermion”, yang putarannya memiliki nilai setengah bilangan bulat ganjil.

Tak lama setelah menerima catatan Bose, Einstein menulis makalah berbahasa Jerman berjudul “Quantentheorie des einatomigen idealen gas” (atau “Teori kuantum gas ideal monatomik”). Diterbitkan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Prusia pada bulan Januari 1925, ia menggambarkan apa yang disebut Einstein sebagai “hubungan formal yang luas antara radiasi dan gas”. Makalah ini pada dasarnya menunjukkan bahwa pada suhu mendekati nol mutlak, entropi suatu sistem hilang sama sekali, dan semua partikel turun ke keadaan atau sel yang sama. Di dalam setiap sel, entropi distribusi molekul “menyatakan secara tidak langsung hipotesis tertentu mengenai pengaruh timbal balik molekul-molekul yang bersifat cukup misterius”.

Terdingin: bagaimana surat kepada Einstein dan kemajuan teknologi pendingin laser membawa fisikawan ke keadaan materi kuantum baru

Einstein menghubungkan pengaruh ini dengan interferensi partikel. Pada suhu rendah, ia memperkirakan, karakteristik gas seperti hidrogen dan helium yang menyerupai gelombang akan menjadi lebih jelas, hingga ke titik di mana viskositas akan menurun dengan cepat – sebuah fenomena yang sekarang disebut “superfluiditas”. Dengan bersikeras memperlakukan analogi antara radiasi dan gas secara tepat, Einstein telah mengembangkan karya Bose yang pada akhirnya memprediksi keadaan materi yang tidak diketahui.

Berkat perhatian Einstein terhadap karya Bose, Bose mendapat cuti panjang selama dua tahun untuk belajar di Eropa. Bose pertama kali melakukan perjalanan ke Paris pada musim gugur 1924, di mana ia menulis dua surat lagi kepada Einstein. Tahun berikutnya dia pergi ke Berlin di mana dia akhirnya bisa untuk berbicara dengan Einstein secara langsung pada awal tahun 1926. Namun pasangan ini tidak pernah sempat berkolaborasi lebih jauh. Einstein keberatan dengan rumus probabilitas Bose untuk keadaan partikel dalam medan radiasi pada kesetimbangan termal, dan Bose, yang terlibat dengan hal lain, tidak kembali ke pertanyaan khusus ini. Pertukaran mereka pada bulan Juni 1924, betapapun singkatnya, tetap menjadi bagian paling produktif dari korespondensi mereka.

Betapa panasnya ruang hampa

Akhirnya, sekitar 70 tahun kemudian, keadaan materi baru ini, yang sekarang disebut kondensasi Bose-Einstein (BEC), terjadi didemonstrasikan secara eksperimental di dua laboratorium di AS pada tahun 1995. Hal ini juga merupakan hasil dari serangkaian perkembangan yang panjang, karena pada tahun 1924, BEC hanyalah kasus terbatas gas kuantum, yang dianggap hanya mungkin terjadi mendekati nol mutlak. Tampaknya tidak dapat dijangkau; bahkan vakum mentah pun terlalu panas untuk BEC.

Titik baliknya adalah penemuan pada tahun 1975 pendinginan laser. Dengan menyetel frekuensi sinar laser tepat di bawah frekuensi atom target, fisikawan dapat menembakkan foton ke atom yang bergerak ke arah berlawanan. Berkat efek Doppler, atom kemudian dapat tertipu untuk menyerap foton sambil mendorongnya ke arah yang berlawanan dengan laser, sehingga mengurangi kecepatannya dan menyebabkannya menjadi dingin.

<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="Hasil paling keren Dalam rangkaian gambar ikonik yang diambil pada musim panas tahun 1995, kondensat Bose–Einstein muncul dari awan atom rubidium dingin di laboratorium Eric Cornell dan Carl Wieman. “Lonjakan” kepadatan atom di pusat awan merupakan tanda bahwa banyak atom di sana menempati keadaan kuantum yang sama – ciri khas kondensasi Bose–Einstein. (Sumber: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -einstein-kekuatan-beragam-pemikiran-fisika-dunia-5.jpg”>

Setahun kemudian, sekelompok fisikawan menunjukkan bahwa isotop hidrogen dapat didinginkan untuk meniru BEC. Pada tahun 1989, Cornell dan Wieman menetapkan atom rubidium karena mereka dapat berkelompok lebih cepat daripada hidrogen. Kadang-kadang disebut sebagai “atom super”, BEC terjadi ketika paket gelombang partikel individu tumpang tindih dan menjadi tidak dapat dibedakan sepenuhnya pada suhu rendah.

Wieman dan Cornell menggambarkan BEC sebagai “krisis identitas kuantum” yang terjadi ketika atom-atom berkumpul dalam keadaan sistem yang paling rendah. Intrik dalam pembuatan paket gelombang raksasa adalah BEC memberi kita jendela untuk menyaksikan perilaku kuantum pada tingkat makroskopis.

Titik kritis

“Korespondensi antara Bose dan Einstein,” tulis Banerjee Pembuatan Fisika Modern di India Kolonial, “merupakan momen spesial dalam sejarah ilmu pengetahuan”. Bose tidak datang tiba-tiba untuk menyumbangkan sepotong teka-teki yang sedang berkembang. Berdasarkan pekerjaannya yang jauh dari Eropa di tanah jajahan, Banerjee berpendapat, Bose secara unik siap untuk memfasilitasi perubahan dalam pemikiran Barat tentang teori kuantum.

Karya Bose bukanlah yang pertama kalinya ilmuwan non-Barat menyumbangkan wawasan penting bagi sains Eropa. Namun kolaborasinya dengan Einstein menggambarkan hal yang lebih dalam – yaitu bagaimana perbedaan regional dapat memberikan pemahaman yang berbeda mengenai apa yang penting dan apa yang tidak. Seperti yang dikatakan Banerjee, kontribusi Bose menggambarkan “kosmopolitanisme yang berakar secara lokal” dalam ilmu pengetahuan.

Keberagaman dalam pandangan dunia, bukan kesesuaian budaya, memberikan janji yang paling kuat bagi kemajuan dalam fisika.

Robert P. Lipatan  (klik link di bawah untuk biodata lengkap) adalah ketua Departemen Filsafat, Universitas Stony Brook, AS, di mana Gino Elia adalah seorang mahasiswa PhD

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/