Da Bose skrev til Einstein: kraften i mangfoldig tenkning – Physics World

<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="Kort, men søt I 1924 skrev Satyendra Nath Bose (til venstre) til Albert Einstein (til høyre) og sa at han hadde utviklet en mer tilfredsstillende avledning av Plancks lov. Den resulterende korrespondansen, som var kort, men dyp, førte til spådommen om det vi nå kaller Bose–Einstein-kondensering. (Til venstre: Falguni Sarkar, takket være AIP Emilio Segrè Visual Archives. Høyre: AIP Emilio Segrè Visual Archives, WF Meggers Gallery of Nobel Laureates Collection)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg”>

En dag i juni 1924 mottok Albert Einstein et brev skrevet av en professor i India. Forfatteren innrømmet at han var en "fullstendig fremmed", men sa at han sendte Einstein en medfølgende artikkel for denne "gjennomgangen og meningen". Bare fem sider lang hevdet artikkelen å ta for seg en feil i kvanteteorien som Einstein hadde slitt uten hell med i flere år.

Einstein, som da var ved universitetet i Berlin, innså umiddelbart at forfatteren – Satyendra Nath Bose – hadde løst problemet som hadde beseiret ham. Det gjaldt en fullt tilfredsstillende utledning av Plancks lov, som beskriver spekteret av stråling fra en svart kropp. Først utledet av Max Planck i 1900, viste loven at strålingen ikke stiger til uendelig ved stadig kortere bølgelengder som klassisk fysikk antyder, men i stedet topper før den faller tilbake.

Einstein utviklet raskt Boses tilnærming videre i sitt eget arbeid, og som et resultat av samarbeidet spådde paret eksistensen av et nytt fenomen, kalt "Bose-Einstein-kondensering". Forventet å forekomme ved svært lave temperaturer, vil det involvere alle partikler i et system som opptar samme laveste kvantetilstand. Denne nye kollektive materiens tilstand ble eksperimentelt oppdaget for første gang i 1995, noe som førte til at Eric Cornell, Wolfgang Ketterle og Carl Wieman vant Nobelprisen i fysikk seks år senere.

Bose-Einstein-utvekslingen kan ha vært kort, men det er en av de store korrespondansene i fysikkens historie. Skriver i 2020-boken Fremstillingen av moderne fysikk i Colonial India, historikeren og vitenskapsfilosofen Somaditya Banerjee, som nå er ved Austin Peay State University i Clarksville, Tennessee, sier deres samarbeid illustrerte den økende betydningen av internasjonal felles innsats innen vitenskap. Eller, som Banerjee uttrykker det, deres arbeid avslørte "kvantens transnasjonale natur".

Marginalisert inspirasjon

Bose vokste opp politisk og vitenskapelig marginalisert. Han ble født 1. januar 1894 i Kolkata (den gang Calcutta) i den indiske delstaten Bengal, som var under britisk okkupasjon, til en familie som var en del av en kulturell og pedagogisk bevegelse kalt “Bengal renessanse”. Medlemmene hadde et ambivalent forhold til europeisk kultur, dels avviste og dels omfavnet den.

Bose og Saha følte seg fremmedgjort fra og antagonistiske mot de britiske kolonisatorene, og ønsket ikke å tjene dem ved å bidra til felt med mulige praktiske anvendelser

I 1895, da Bose var 11, delte de britiske okkupantene – skremt av økende opprørskhet i Bengal – staten i to. Noe av grunnen til at Bose gikk inn i akademia, ifølge Banerjee, kan ha vært en nasjonalistisk trang til å unngå å bli innkalt til det koloniale byråkratiet, som var skjebnen til mange middelklassebengalesere.

Bose deltok i stedet Presidentskapets høyskole med sin venn (og fremtidig astrofysiker) Meghnad Saha, som hadde blitt utvist fra skolen sin for sitt engasjement i "Swadeshi-bevegelsen". I et forsøk på å dempe bruken av utenlandske varer og i stedet stole på innenlandske produkter, var bevegelsen en del av presset for indisk uavhengighet og sto mot den foreslåtte delingen av Bengal.

Både og Saha følte seg fremmedgjort fra og antagonistiske mot de britiske kolonisatorene, og ønsket – som mange av deres jevnaldrende – ikke å tjene dem ved å bidra til felt med mulige praktiske anvendelser, som kjemi eller anvendt fysikk. Paret ble i stedet tiltrukket av matematikk og teoretisk fysikk - og spesielt av den nymotens kvanteteori som Tyske fysikere var banebrytende.

I følge Banerjee så Bose arbeidet sitt som "en intellektuell flukt fra ulikhetene og asymmetriene til maktforhold" i det okkuperte Bengal. "Det er derfor ingen tilfeldighet," skriver han, "at de fremvoksende indiske fysikerne spesielt utmerket seg i kvantefysikk." Som et resultat av deres kjennskap til tysk arbeid, ble Bose og Saha sterkt påvirket av fotonteori, som innebar diskontinuiteter i lys. Britiske fysikere, derimot, var mer imponert over lysets kontinuerlige natur diktert av Maxwells ligninger.

Bose og Saha ble begge fysikkinstruktører ved University of Calcutta. Men på grunn av Bengals isolasjon og virkningene av første verdenskrig, fant de det vanskelig å følge den siste utviklingen i Europa. Et av få tidsskrifter som regelmessig var tilgjengelig i presidentskapets bibliotek var Filosofisk magasin, der Bose og Saha leste en av Niels Bohrs banebrytende artikler om atomstruktur, utgitt i 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="Flotte sinn Bose og Saha med andre forskere ved University of Calcutta: sittende (V til R): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Stående (L til R): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, NR Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, NC Nag. (Courtesy: Wikimedia Commons)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- power-of-diverse-thinking-physics-world-1.jpg">

I Calcutta var de også så heldige å bli venner Paul Johannes Brühl, en besøkende botaniker fra Tyskland, som hadde tatt med seg bøker og tidsskrifter om termodynamikk, kvanteteori, relativitet og andre populære fysikkemner. I 1919, etter at Einstein hadde blitt berømt etter den tilsynelatende bekreftelsen av generell relativitet, klarte Bose og Saha å få kopier av de grunnleggende papirene på tysk og fransk. Bose var flytende i begge språkene, så vel som engelsk, og derfor oversatte og publiserte han og Saha avisene i bokform som Relativitetsprinsippet (Universitetet i Calcutta, 1920). Det var den første engelskspråklige samlingen av artikler om emnet fra Einstein og andre.

Så, i 1921, ble Bose tildelt et professorat ved det nylig etablerte Dacca (nå Dhaka) universitet og har ansvaret for å utvikle sin fysikkavdeling. To år senere, ganske plutselig, gjorde alvorlige budsjettkutt slutt på planen om å utvide avdelingen, og Bose måtte til og med kjempe for å beholde jobben. I 1923 befant Bose seg derfor i en uavklart profesjonell tilstand, i en stressende politisk tid i et okkupert land.

Einstein-forbindelsen

Til tross for problemene fortsatte 30-åringen å forske. Senere samme år grunnet han på et urovekkende faktum: utledningen av Plancks lov var logisk usund da den blandet klassiske og kvantebegreper. Bose bestemte seg for å ignorere klassisk teori og utlede loven i stedet ved å vurdere bevegelsene til en gass av diskrete fotoner. Han skisserte tankene sine høsten 1923 i sitt nå banebrytende papir med tittelen "Plancks lov og lyskvantehypotesen”, en versjon som han snart ville sende Einstein.

Plancks lov, begynte papiret, er utgangspunktet for kvanteteori. Men en avgjørende formel for å utlede den er avhengig av en klassisk antagelse om tilgjengelige frihetsgrader. "Dette er en utilfredsstillende funksjon i alle avledninger," skrev Bose. Mens han innrømmet at Einsteins eget forsøk på å utlede loven fri fra klassiske antagelser var "bemerkelsesverdig elegant", mente Bose ikke at det var "tilstrekkelig begrunnet fra et logisk synspunkt".

<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="Hvordan alt begynte Da Satyendra Nath Boses avledning av Plancks lov ble avvist for publisering i 1924, sendte han et brev direkte til Albert Einstein og ba om hans hjelp. Einstein innså umiddelbart viktigheten av det Bose hadde gjort og sørget for at det ble publisert i Zeitschrift für Physik. (Courtesy: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Gift of Kameshwar Wali and Etienne Eisenmann)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-skrev-til-einstein-kraften-i-mangfoldig-tenkning-fysikk-verden-2.jpg”>

Bose fortsatte frimodig: "I det følgende skal jeg skissere metoden kort." Tre sider med strenge avledninger følger, som kulminerer i en ligning som beskriver fordelingen av energi i strålingen fra en svart kropp. Denne ligningen, forkynte Bose, var "den samme som Plancks formel".

I en fersk artikkel om arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), sier fysikeren Partha Ghose, som var en av Boses siste doktorgradsstudenter, at Boses metode antydet – men ikke var eksplisitt om – at de individuelle fotonene ikke kunne skilles ut. Bose definerte i stedet et volum for fotoner som et rom sammensatt av tilstander - som han kalte celler - med det totale antallet celler som tilsvarer antall måter fotonene kan ordnes på. Siden gassen av fotoner har en fast tetthet, produserer ikke omorganisering av individuelle fotoner nye celler, noe som betyr at fotonene i seg selv ikke kan skilles fra hverandre; du kan ikke "tagge" dem for å følge dem rundt.

Bose sendte papiret til Filosofisk magasin – som han visste var tilgjengelig for indiske fysikere – rundt begynnelsen av 1924, men aldri hørt tilbake. Skuffet, men overbevist om dens forsvarlighet, sendte han den, eller en litt revidert versjon, til Einstein, som mottok den 4. juni 1924.

«Et viktig skritt fremover»

Einstein ble klargjort. Han visste inkonsekvensen ved å bruke en klassisk antagelse for å utlede en kvantelov og hadde allerede gjort flere mislykkede forsøk på å fjerne den. Boses avledning var god, innså Einstein.

Einstein fant mer betydning i Boses arbeid enn Bose selv, for han oppdaget en uutnyttet analogi

2. juli samme år svarte Einstein med et håndskrevet postkort til Bose og kalte avisen "et viktig skritt fremover". Einstein oversatte deretter avisen selv og sendte den til Zeitschrift für Physik. Med Einsteins påtegning ble Boses papir akseptert, og det ble behørig publisert i tidsskriftet i august 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="Gjør det sakte Einstein reagerte på brevet Bose sendte ham i 1924 ved å sende ham et postkort. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Klikk for å åpne bildet i 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 fant mer betydning i Boses arbeid enn Bose selv, for han oppdaget en uutnyttet analogi. I hovedsak hadde Bose behandlet fotonene som statistisk avhengige, noe som antydet muligheten for bølgeinterferens. Det Einstein innså var at dette ikke bare måtte gjelde fotoner, men også kunne gjelde andre partikler. Faktisk, som vi nå vet, er interferens bare sant for partikler med heltallsverdier for spinn, eller det Paul Dirac, to tiår senere, kalte "bosoner". Disse står i kontrast til "fermioner", hvis spin kommer i odde halvheltallsverdier.

Kort tid etter å ha mottatt Boses notat, skrev Einstein en tyskspråklig artikkel med tittelen "Quantentheorie des einatomigen idealen gases" (eller "kvanteteori om den monatomiske idealgassen"). Publisert i Saker fra det prøyssiske vitenskapsakademiet i januar 1925 beskrev den det Einstein kalte "et vidtrekkende formelt forhold mellom stråling og gass". Papiret viste i hovedsak at ved temperaturer nær absolutt null, forsvinner entropien til et system helt, og alle partikler faller til samme tilstand eller celle. Innenfor hver celle uttrykker entropien til molekylfordelingen "indirekte en viss hypotese om en gjensidig påvirkning av molekylene som er av en ganske mystisk natur".

Kaldeste: hvordan et brev til Einstein og fremskritt innen laserkjølingsteknologi førte fysikere til nye kvantetilstander av materie

Einstein tilskrev denne påvirkningen til interferens av partikler. Ved lave temperaturer, spådde han, ville de bølgelignende egenskapene til gasser som hydrogen og helium bli mer uttalt, til et punkt hvor viskositeten raskt ville avta - et fenomen som nå kalles "superfluiditet". Ved å insistere på å behandle analogien mellom stråling og gasser som nøyaktig, hadde Einstein bygget på Boses arbeid for å ende opp med å forutsi en ukjent materietilstand.

Takket være Einsteins oppmerksomhet på Boses arbeid, fikk sistnevnte en toårig sabbatsperiode for å studere i Europa. Bose reiste først til Paris høsten 1924, hvor han skrev ytterligere to brev til Einstein. Året etter dro han til Berlin hvor han endelig var i stand å snakke med Einstein personlig tidlig i 1926. Men paret kom aldri i gang med å samarbeide videre. Einstein protesterte mot Boses sannsynlighetsformel for tilstandene til partikler i et strålingsfelt ved termisk likevekt, og Bose, involvert i andre ting, kom ikke tilbake til dette spesielle spørsmålet. Utvekslingen deres i juni 1924, hvor kort den enn var, forble den mest produktive delen av korrespondansen deres.

Hvor varmt vakuumet er

Til slutt, rundt 70 år senere, ble denne nye materietilstanden, nå kalt Bose–Einstein-kondensering (BEC), eksperimentelt demonstrert ved to laboratorier i USA i 1995. Det var også resultatet av en lang rekke utviklinger, for i 1924 var BEC bare et grensetilfelle av kvantegasser, sett på som å bli mulig bare nær det absolutte nullpunktet. Det virket uoppnåelig; selv råvakuum er for varmt for BEC.

Et vendepunkt var oppfinnelsen, i 1975, av laserkjøling. Ved å stille inn frekvensen til laserlys like under målatomers frekvens, kunne fysikere skyte fotoner mot atomer som beveger seg i motsatt retning. Takket være Doppler-effekten kunne atomene så bli lurt til å absorbere fotonene mens de skyver dem i motsatt retning av laseren, reduserer hastigheten og får dem til å avkjøles.

<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="Det kuleste resultatet I denne nå ikoniske serien med bilder tatt sommeren 1995, dukker et Bose–Einstein-kondensat opp fra en sky av kalde rubidiumatomer i Eric Cornell og Carl Wiemans laboratorium. "Piken" i tettheten av atomer i sentrum av skyen er et tegn på at mange atomer der opptar samme kvantetilstand - signaturen til Bose-Einstein-kondensering. (Courtesy: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -einstein-kraften-i-mangfoldig-tenkning-fysikk-verden-5.jpg”>

Et år senere viste en gruppe fysikere at isotoper av hydrogen kunne avkjøles for å gjenskape BEC. I 1989 slo Cornell og Wieman seg på rubidiumatomer fordi de ville gruppere seg raskere enn hydrogen. Noen ganger referert til som "superatomer", oppstår BEC når bølgepakkene av individuelle partikler overlapper hverandre og blir fullstendig umulig å skille ved lave temperaturer.

Wieman og Cornell beskrev BEC som en "kvanteidentitetskrise" som skjer når atomene klumper seg sammen i lavest mulig tilstand av systemet. Intrigen med å lage en gigantisk bølgepakke er at BEC gir oss et vindu for å være vitne til kvanteatferd på et makroskopisk nivå.

Det kritiske punktet

"Korrespondansen mellom Bose og Einstein," skrev Banerjee i Fremstillingen av moderne fysikk i Colonial India, "er et spesielt øyeblikk i vitenskapens historie". Bose kom ikke fra det blå for å bidra med en brikke til et voksende puslespill. I kraft av sitt arbeid langt fra Europa i et kolonisert land, hevder Banerjee, var Bose unikt klar til å legge til rette for endring i vestlig tenkning om kvanteteori.

Boses arbeid var ikke første gang at ikke-vestlige forskere hadde bidratt med nøkkelinnsikt til europeisk vitenskap. Men samarbeidet hans med Einstein illustrerer et dypere poeng – nemlig hvordan regionale forskjeller kan gi ulike følelser av hva som er viktig og ikke. Som Banerjee uttrykker det, illustrerer Boses bidrag vitenskapens "lokalt forankrede kosmopolitisme".

Mangfold i verdenssyn, ikke kulturell konformitet, har det sterkeste løftet om fremgang i fysikk.

Robert P Crease  (klikk lenken nedenfor for full bio) er leder av Institutt for filosofi, Stony Brook University, USA, hvor Gino Elia er ph.d.-student

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/