כשבוס כתב לאיינשטיין: כוחה של חשיבה מגוונת - עולם הפיזיקה

<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="קצר אך מתוק ב-1924 כתב סאטנדרה נאת' בוזה (משמאל) לאלברט איינשטיין (מימין) ואמר שהוא פיתח גזירה מספקת יותר של חוק פלאנק. ההתכתבות שהתקבלה, שהייתה קצרה אך עמוקה, הובילה לניבוי של מה שאנו מכנים כעת עיבוי Bose-Instein. (משמאל: Falguni Sarkar, באדיבות AIP Emilio Segrè Visual Archives. מימין: AIP Emilio Segrè Visual Archives, WF Meggers Gallery of Wine Prize Nobel Collection)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg”>

יום אחד ביוני 1924 קיבל אלברט איינשטיין מכתב שנכתב על ידי פרופסור בהודו. המחבר הודה שהוא "זר מוחלט" אך אמר שהוא שולח לאיינשטיין מאמר נלווה ל"עיון ודעה זו". חמישה עמודים בלבד, המאמר טען שהוא מתייחס לפגם בתורת הקוונטים שאיינשטיין נאבק בו ללא הצלחה במשך כמה שנים.

איינשטיין, שהיה אז באוניברסיטת ברלין, הבין מיד שהסופר - סאטנדרה נאת' בוזה - פתר את הבעיה שהביסה אותו. זה עסק בגזירה מספקת לחלוטין של חוק פלאנק, המתאר את ספקטרום הקרינה מגוף שחור. החוק, שנגזר לראשונה על ידי מקס פלאנק בשנת 1900, הראה שהקרינה לא עולה לאינסוף באורכי גל קצרים מתמיד כפי שהפיזיקה הקלאסית מציעה, אלא מגיעה לשיא לפני שהיא נופלת לאחור.

איינשטיין פיתח במהירות את גישתו של בוזה בעבודתו שלו, וכתוצאה משיתוף הפעולה ביניהם, השניים חזו את קיומה של תופעה חדשה, המכונה "עיבוי בוזה-איינשטיין". צפוי להתרחש בטמפרטורות נמוכות מאוד, זה יכלול את כל החלקיקים במערכת שתופסת את אותו מצב קוונטי הנמוך ביותר. המצב הקולקטיבי החדש הזה של חומר זוהה בניסוי לראשונה בשנת 1995, מה שהוביל לזכייה של אריק קורנל, וולפגנג קטרל וקארל ווימן. פרס נובל לפיזיקה שש שנים מאוחר יותר.

חילופי הדברים בין בוס לאיינשטיין אולי היו קצרים, אבל זו אחת ההתכתבויות הגדולות בהיסטוריה של הפיזיקה. כתיבה בספר 2020 יצירת הפיזיקה המודרנית בהודו הקולוניאלית, ההיסטוריון והפילוסוף של המדע Somaditya Banerjee, שנמצא כעת באוניברסיטת אוסטין פיי סטייט בקלארקסוויל, טנסי, אומר ששיתוף הפעולה שלהם המחיש את החשיבות הגוברת של מאמצים משותפים בינלאומיים במדע. או, כפי שמגדיר זאת בנרג'י, עבודתם חשפה את "הטבע הטרנס-לאומי של הקוואנטים".

השראה בשוליים

בוס גדל בשוליים פוליטית ומדעית. הוא נולד ב-1 בינואר 1894 בקולקטה (אז כלכותה) במדינת בנגל בהודו, שהייתה תחת כיבוש בריטי, למשפחה שהייתה חלק מתנועה תרבותית וחינוכית בשם "רנסנס בנגל". לחבריה הייתה מערכת יחסים אמביוולנטית עם התרבות האירופית, בחלקה דחו אותה ובחלקה אימצו אותה.

בוזה וסאהה חשו מנוכרים ואנטגוניסטים כלפי המתיישבים הבריטים, ולא רצו לשרת אותם על ידי תרומה לתחומים עם יישומים מעשיים אפשריים.

ב-1895, כשבוס היה בן 11, הכובשים הבריטים - שנבהלו מהמרדנות הגוברת בבנגל - פיצלו את המדינה לשניים. חלק מהסיבה שבוז נכנס לאקדמיה, לפי בנרג'י, עשוי להיות דחף לאומני להימנע מגיוס לביורוקרטיה הקולוניאלית, שהיה גורלם של בנגלים רבים ממעמד הביניים.

Bose במקום זאת השתתף מכללת הנשיאות עם חברו (והאסטרופיזיקאי לעתיד) מגנאד סהא, שגורש מבית ספרו בשל מעורבותו ב"תנועת הסוואדי". בניסיון לרסן את השימוש בסחורות זרות ולהסתמך במקום זאת על מוצרים מקומיים, התנועה הייתה חלק מהדחיפה לעצמאות הודית ועמדה נגד החלוקה המוצעת של בנגל.

שניהם וגם סהא חשו מנוכרים ואנטגוניסטים כלפי המתיישבים הבריטים, וכמו רבים מעמיתיהם - לא רצו לשרת אותם על ידי תרומה לתחומים עם יישומים מעשיים אפשריים, כגון כימיה או פיזיקה יישומית. השניים נמשכו במקום זאת על ידי מתמטיקה ופיזיקה תיאורטית - ובמיוחד על ידי תורת הקוונטים החדשנית ש הפיזיקאים הגרמנים היו חלוצים.

לפי בנרג'י, בוס ראה בעבודתו "בריחה אינטלקטואלית מאי השוויון והא-סימטריה של יחסי כוח" בבנגל הכבושה. "לכן אין זה מקרי", הוא כותב, "שהפיזיקאים ההודיים המתעוררים הצטיינו במיוחד בפיזיקה קוונטית." כתוצאה מהיכרותם עם העבודה הגרמנית, Bose ו-Saha הושפעו מאוד מתורת הפוטונים, שרמזה על אי-רציפות באור. פיסיקאים בריטים, לעומת זאת, התרשמו יותר מהטבע המתמשך של האור שהוכתב על ידי משוואות מקסוול.

בוזה וסאהה המשיכו להיות מדריכי פיזיקה באוניברסיטת כלכותה. אבל בשל בידודה של בנגל והשפעות מלחמת העולם הראשונה, הם התקשו לעקוב אחר ההתפתחויות האחרונות באירופה. אחד מכתבי העת הבודדים שהיו זמינים באופן קבוע בספריית הנשיאות היה מגזין פילוסופי, שבו קראו בוזה וסאה את אחד ממאמריו המכריעים של נילס בוהר על מבנה אטומי, שפורסם ב-1913 (פיל מג. 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="מוחות גדולים Bose ו-Saha עם מדענים נוספים באוניברסיטת כלכותה: יושבים (ממ' עד ר'): מגנאד סהא, ג'גאדיש צ'אנדרה בוזה, ג'נאן צ'אנדרה גוש. עמידה (מ' עד ר'): סנהמוי דאט, סאטיינדרה נאת' בוזה, דבנדרה מוהאן בוזה, NR Sen, ג'נאננדרה נאת' מוחרג'י, NC Nag. (באדיבות: Wikimedia Commons)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- כוח-של-חשיבה-מגוונת-physics-world-1.jpg">

בכלכותה התמזל מזלם גם להתיידד פול יוהנס ברוהל, בוטנאי אורח מגרמניה, שהביא עמו ספרים וכתבי עת בנושאי תרמודינמיקה, תורת הקוונטים, תורת היחסות ונושאים פופולריים אחרים בפיזיקה. ב-1919, לאחר שאיינשטיין זכה לתהילה בעקבות האישור לכאורה של תורת היחסות הכללית, הצליחו בוזה וסאהה להשיג עותקים של המסמכים הבסיסיים בגרמנית ובצרפתית. בוזה שלט בשתי השפות, כמו גם באנגלית, ולכן הוא וסאהה תרגמו ופרסמו את המאמרים בצורת ספר. עקרון היחסות (אוניברסיטת כלכותה, 1920). זה היה האוסף הראשון בשפה האנגלית של מאמרים בנושא של איינשטיין ואחרים.

ואז, בשנת 1921, הוענק לבוז תואר פרופסור בבית שהוקם לאחרונה אוניברסיטת דאקה (כיום דאקה). ומופקד על פיתוח מחלקת הפיזיקה שלה. שנתיים לאחר מכן, די פתאום, קיצוצים חמורים בתקציב סיים את התוכנית להרחיב את המחלקה, ובוז אפילו נאלץ להילחם כדי לשמור על עבודתו. בשנת 1923, אפוא, מצא עצמו בוס במצב מקצועי בלתי פתור, בתקופה פוליטית לחוצה בארץ כבושה.

הקשר איינשטיין

למרות בעיותיו, המשיך בן ה-30 לבצע מחקר. מאוחר יותר באותה שנה, הוא הרהר בעובדה מטרידה: הגזירה של חוק פלאנק לא הייתה נכונה מבחינה לוגית שכן היא ערבבה בין מושגים קלאסיים וקוונטיים. בוס החליט להתעלם מהתיאוריה הקלאסית ולהסיק את החוק במקום זאת על ידי התחשבות בתנועות של גז של פוטונים נפרדים. הוא תיאר את מחשבותיו בסתיו 1923 במאמרו המכונן כעת בשם "חוק פלאנק והשערת האור-קוונטי", גרסה שלה הוא ישלח בקרוב לאיינשטיין.

חוק פלאנק, התחיל המאמר, הוא נקודת המוצא לתורת הקוונטים. אבל נוסחה חיונית אחת בגזירתה מסתמכת על הנחה קלאסית לגבי דרגות חופש זמינות. "זו תכונה לא מספקת בכל הנגזרות", כתב Bose. למרות שהודה שהניסיון של איינשטיין עצמו לגזור את החוק משוחרר מהנחות קלאסיות היה "אלגנטי להפליא", בוס לא הרגיש שהוא "מוצדק מספיק מנקודת מבט הגיונית".

<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="איך הכל התחיל כאשר הגזירה של סאטנדרה נאת' בוזה לחוק פלאנק נדחתה לפרסום ב-1924, הוא שלח מכתב ישירות לאלברט איינשטיין וביקש את עזרתו. איינשטיין הבין מיד את החשיבות של מה שבוז עשה ודאג לפרסום זה Zeitschrift für Physik. (באדיבות: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Gift of Kameshwar Wali and Etienne Eisenmann)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-write-to-einstein-the-power-of-thinking-tinking-physics-world-2.jpg”>

בוס המשיך באומץ: "בהמשך אשרטט את השיטה בקצרה." לאחר מכן שלושה עמודים של גזירות קפדניות, שהגיעו לשיאם במשוואה המתארת ​​את התפלגות האנרגיה בקרינה מגוף שחור. המשוואה הזו, הכריז בוזה, הייתה "זהה לנוסחה של פלאנק".

במאמר שהתפרסם לאחרונה בנושא arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), הפיזיקאית פרטה גוש, שהייתה אחת מתלמידי הדוקטורט האחרונים של Bose, אומרת שהשיטה של ​​Bose רמזה - אך לא הייתה מפורשת לגבי - את חוסר ההבחנה של אותם פוטונים בודדים. בוס הגדיר במקום זאת נפח לפוטונים כמרחב המורכב ממצבים - אותם כינה תאים - כאשר מספר התאים הכולל שווה למספר הדרכים שבהן ניתן לסדר את הפוטונים. מכיוון שלגז הפוטונים יש צפיפות קבועה, סידור מחדש של פוטונים בודדים אינו מייצר תאים חדשים, מה שמרמז שלא ניתן להבדיל בין הפוטונים עצמם; אתה לא יכול "לתייג" אותם כדי לעקוב אחריהם.

בוס שלח את העיתון אל מגזין פילוסופי - שידע שהיה זמין לפיסיקאים הודים - בסביבות תחילת 1924, אך מעולם לא שמע בחזרה. מאוכזב, אך משוכנע בתקינותו, הוא שלח אותו, או גרסה מתוקנת מעט, לאיינשטיין, שקיבל אותו ב-4 ביוני 1924.

"צעד חשוב קדימה"

איינשטיין היה מוכן. הוא ידע את חוסר העקביות של שימוש בהנחה קלאסית כדי לגזור חוק קוונטי וכבר עשה כמה ניסיונות לא מוצלחים להסיר אותו. הגזירה של בוזה הייתה נכונה, הבין איינשטיין.

איינשטיין ספג חשיבות רבה יותר בעבודתו של בוזה מאשר בוזה עצמו, שכן הוא זיהה אנלוגיה לא מנוצלת

ב-2 ביולי אותה שנה, איינשטיין הגיב עם גלויה בכתב יד לבוז שכינה את העיתון "צעד חשוב קדימה". איינשטיין תרגם את העיתון בעצמו ושלח אותו אליו Zeitschrift für Physik. עם אישורו של איינשטיין, מאמרו של בוזה התקבל, והוא פורסם בכתב העת באוגוסט 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="לאט לאט עושה את זה איינשטיין הגיב למכתב שבוז שלח לו ב-1924 בכך ששלח לו גלויה. (Shutterstock/Genotar) ” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-diverse-thinking-physics-world-3.jpg”>

איינשטיין ספג חשיבות רבה יותר בעבודתו של בוזה מאשר בוזה עצמו, שכן הוא זיהה אנלוגיה לא מנוצלת. בעיקרו של דבר, Bose התייחס לפוטונים כתלויים סטטיסטית, מה שמרמז על אפשרות של הפרעות גלים. מה שאיינשטיין הבין זה שזה לא חייב לחול רק על פוטונים אלא יכול לחול גם על חלקיקים אחרים. למעשה, כפי שאנו יודעים כעת, התערבות נכונה רק לחלקיקים בעלי ערכי ספין שלמים, או מה שפול דיראק, שני עשורים מאוחר יותר, כינה "בוזונים". אלה מנוגדים ל"פרמיונים", שהספין שלהם מגיע בערכים מוזרים של חצי שלם.

זמן קצר לאחר שקיבל את ההערה של Bose, איינשטיין כתב מאמר בשפה הגרמנית בשם "Quantentheorie des einatomigen idealen gases" (או "תורת הקוונטים של הגז האידיאלי המונאטומי"). פורסם ב הליכים של האקדמיה הפרוסית למדעים בינואר 1925, הוא תיאר את מה שאיינשטיין כינה "קשר פורמלי מרחיק לכת בין קרינה לגז". המאמר בעצם הראה שבטמפרטורות הקרובות לאפס מוחלט, האנטרופיה של מערכת נעלמת כליל, וכל החלקיקים יורדים לאותו מצב או תא. בתוך כל תא, האנטרופיה של ההתפלגות המולקולרית "מבטאת בעקיפין השערה מסוימת הנוגעת להשפעה הדדית של המולקולות שהיא בעלת אופי מסתורי למדי".

הכי קר: איך מכתב לאיינשטיין והתקדמות בטכנולוגיית קירור הלייזר הובילו פיזיקאים למצבים קוונטיים חדשים של חומר

איינשטיין ייחס השפעה זו להתערבות של חלקיקים. בטמפרטורות נמוכות, הוא חזה, המאפיינים דמויי הגלים של גזים כמו מימן והליום יהפכו בולטים יותר, עד לנקודה שבה הצמיגות תפחת במהירות - תופעה הנקראת כיום "נוזליות-על". על ידי התעקשות להתייחס לאנלוגיה בין קרינה לגזים כמדויקת, איינשטיין התבסס על עבודתו של Bose כדי לחזות בסופו של דבר מצב לא ידוע של חומר.

הודות לתשומת הלב של איינשטיין לעבודתו של בוזה, קיבל האחרון שבתון של שנתיים ללימודים באירופה. בוס נסע תחילה לפריז בסתיו 1924, שם כתב שני מכתבים נוספים לאיינשטיין. בשנה שלאחר מכן נסע לברלין ושם הצליח סוף סוף לדבר עם איינשטיין באופן אישי בתחילת 1926. אבל הזוג מעולם לא הספיק לשתף פעולה נוסף. איינשטיין התנגד לנוסחת ההסתברות של Bose למצבים של חלקיקים בשדה קרינה בשיווי משקל תרמי, ובוז, שהיה מעורב בדברים אחרים, לא חזר לשאלה הספציפית הזו. חילופי הדברים שלהם ביוני 1924, קצרים ככל שיהיו, נותרו החלק היצרני ביותר בהתכתבות שלהם.

כמה חם הוואקום

בסופו של דבר, כ-70 שנה מאוחר יותר, מצב החומר החדש הזה, שנקרא כעת עיבוי Bose–Einstein (BEC), היה הוכח ניסיונית בשתי מעבדות בארה"ב בשנת 1995. גם זו הייתה תוצאה של שורה ארוכה של התפתחויות, שכן בשנת 1924, BEC היה רק ​​מקרה גבול של גזים קוונטיים, שנתפס כמתאפשר רק ליד האפס המוחלט. זה נראה בלתי ניתן להשגה; אפילו ואקום גולמי חם מדי עבור BEC.

נקודת מפנה הייתה ההמצאה, בשנת 1975, של קירור לייזר. על ידי כוונון תדירות אור הלייזר ממש מתחת לתדירות אטומי המטרה, הפיזיקאים יכלו לירות פוטונים לעבר אטומים הנעים בכיוון ההפוך. הודות לאפקט הדופלר, ניתן היה להערים על האטומים לספוג את הפוטונים תוך כדי דחיפתם לכיוון ההפוך של הלייזר, להפחית את מהירותם ולגרום להם להתקרר.

<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="התוצאה הכי מגניבה בסדרה איקונית זו של תמונות שצולמו בקיץ 1995, מעובה של Bose-Instein מגיח מענן של אטומי רובידיום קרים במעבדתם של אריק קורנל וקרל ווימן. ה"שפיץ" בצפיפות האטומים במרכז הענן הוא סימן לכך שאטומים רבים שם תופסים את אותו מצב קוונטי - החתימה של עיבוי Bose–Einstein. (באדיבות: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -איינשטיין-הכוח של החשיבה המגוונת-פיזיקה-עולם-5.jpg”>

שנה לאחר מכן, קבוצה של פיזיקאים הראתה שניתן לקרר איזוטופים של מימן כדי לשכפל את BEC. בשנת 1989, קורנל ווימן התיישבו על אטומי רובידיום מכיוון שהם יתקבצו מהר יותר ממימן. המכונה לפעמים "אטומי על", BEC מתרחשת כאשר חבילות הגלים של חלקיקים בודדים חופפות ולא ניתן להבחין לחלוטין בטמפרטורות נמוכות.

וימן וקורנל תיארו את BEC כ"משבר זהות קוונטי" המתרחש כאשר האטומים מתקבצים יחדיו במצב הנמוך ביותר האפשרי של המערכת. התככים של יצירת חבילת גל ענקית היא ש-BEC נותן לנו חלון לחזות בהתנהגויות קוונטיות ברמה מקרוסקופית.

הנקודה הקריטית

"ההתכתבות בין Bose ואיינשטיין", כתב בנרג'י יצירת הפיזיקה המודרנית בהודו הקולוניאלית, "הוא רגע מיוחד בהיסטוריה של המדע". בוס לא בא ישוב כדי לתרום חלק לפאזל הולך וגדל. מתוקף עבודתו הרחק מאירופה בארץ מושבתת, טוען באנרג'י, בוס היה מוכן באופן ייחודי לקדם את השינוי בחשיבה המערבית על תורת הקוונטים.

עבודתו של Bose לא הייתה הפעם הראשונה שמדענים לא מערביים תרמו תובנות מפתח למדע האירופי. אבל שיתוף הפעולה שלו עם איינשטיין ממחיש נקודה עמוקה יותר - כלומר כיצד הבדלים אזוריים יכולים לתת תחושות שונות של מה חשוב ומה לא. כפי שמגדיר זאת בנרג'י, תרומתו של Bose ממחישה את "הקוסמופוליטיות המושרשת המקומית" של המדע.

גיוון בתפיסות העולם, לא קונפורמיות תרבותית, טומן בחובו את ההבטחה החזקה ביותר להתקדמות בפיזיקה.

רוברט פי קריז  (לחץ על הקישור למטה לביו המלא) הוא יו"ר המחלקה לפילוסופיה, אוניברסיטת סטוני ברוק, ארה"ב, שם ג'ינו אליה הוא סטודנט לדוקטורט

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/