Kiedy Bose pisał do Einsteina: siła różnorodnego myślenia – Świat Fizyki

<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="Krótkie, ale słodkie W 1924 r. Satyendra Nath Bose (po lewej) napisał do Alberta Einsteina (po prawej), w którym oznajmił, że opracował bardziej zadowalające wyprowadzenie prawa Plancka. Powstała korespondencja, krótka, ale głęboka, doprowadziła do przewidywania tego, co obecnie nazywamy kondensacją Bosego-Einsteina. (Po lewej: Falguni Sarkar, dzięki uprzejmości AIP Emilio Segrè Visual Archives. Po prawej: AIP Emilio Segrè Visual Archives, WF Meggers Gallery of Nobel Laureates Gallery)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-napisał-do-einsteina-potęgi-różnorodnego-myślenia-fizyki-świata.jpg”>

Pewnego czerwcowego dnia 1924 roku Albert Einstein otrzymał list napisany przez profesora z Indii. Autor przyznał, że jest „całkowicie nieznajomym”, ale powiedział, że wysyła Einsteinowi artykuł towarzyszący w celu „przeczytania i wydania opinii”. Artykuł miał zaledwie pięć stron i miał zająć się luką w teorii kwantowej, z którą Einstein bezskutecznie zmagał się przez kilka lat.

Einstein, będący wówczas na uniwersytecie w Berlinie, od razu zorientował się, że autor – Satyendra Nath Bose – rozwiązał problem, który go pokonał. Dotyczyło to w pełni zadowalającego wyprowadzenia Prawo Plancka, który opisuje widmo promieniowania ciała doskonale czarnego. Prawo to, wyprowadzone po raz pierwszy przez Maxa Plancka w 1900 r., wykazało, że promieniowanie nie wznosi się do nieskończoności przy coraz krótszych falach, jak sugeruje fizyka klasyczna, ale zamiast tego osiąga szczyt, a następnie opada.

Einstein szybko rozwinął podejście Bose'a w swojej własnej pracy i w wyniku ich współpracy para przewidziała istnienie nowego zjawiska, nazwanego „Kondensacja Bosego-Einsteina”. Oczekuje się, że nastąpi w bardzo niskich temperaturach i będzie dotyczyć wszystkich cząstek w układzie zajmujących ten sam najniższy stan kwantowy. Ten nowy zbiorowy stan materii został po raz pierwszy wykryty eksperymentalnie w 1995 r., dzięki czemu Eric Cornell, Wolfgang Ketterle i Carl Wieman zdobyli nagrodę Nagroda Nobla z fizyki sześć lat później.

Wymiana zdań między Bosym a Einsteinem mogła być krótka, ale stanowi jedną z największych korespondencji w historii fizyki. Pisanie w książce 2020 Tworzenie współczesnej fizyki w kolonialnych Indiach, historyk i filozof nauki Somaditya Banerjee, który obecnie pracuje na Uniwersytecie Stanowym Austin Peay w Clarksville w stanie Tennessee, twierdzi, że ich współpraca ilustruje rosnące znaczenie wspólnych międzynarodowych wysiłków w nauce. Lub, jak to ujął Banerjee, ich praca ujawniła „transnarodowy charakter kwantu”.

Marginalizowana inspiracja

Bose dorastał na marginesie politycznym i naukowym. Urodził się 1 stycznia 1894 r. w Kalkucie (wówczas Kalkucie) w indyjskim stanie Bengal, znajdującym się pod okupacją brytyjską, w rodzinie należącej do ruchu kulturalnego i edukacyjnego zwanego „Renesans bengalski”. Jej członkowie mieli ambiwalentny stosunek do kultury europejskiej, częściowo ją odrzucając, a częściowo akceptując.

Bose i Saha czuli się wyobcowani i wrogo nastawieni do brytyjskich kolonizatorów i nie chcieli im służyć, wnosząc wkład w pola o możliwych praktycznych zastosowaniach

W 1895 roku, gdy Bose miał 11 lat, brytyjscy okupanci – zaniepokojeni rosnącym buntem w Bengalu – podzielili państwo na dwie części. Według Banerjee jednym z powodów, dla których Bose wstąpił do środowiska akademickiego, mogła być nacjonalistyczna potrzeba uniknięcia wcielenia do biurokracji kolonialnej, co spotkało wielu Bengalczyków z klasy średniej.

Zamiast tego Bose wziął udział Prezydium College ze swoim przyjacielem (i przyszłym astrofizykiem) Meghnad Saha, który został wydalony ze szkoły za zaangażowanie w „ruch Swadeshi”. Dążąc do ograniczenia wykorzystania towarów zagranicznych i polegania zamiast tego na produktach krajowych, ruch ten był częścią dążenia do niepodległości Indii i sprzeciwiał się proponowanemu podziałowi Bengalu.

Zarówno Saha, jak i Saha czuli się wyobcowani i wrogo nastawieni do brytyjskich kolonizatorów i – podobnie jak wielu ich rówieśników – nie chcieli im służyć, wnosząc wkład w dziedziny mające możliwe praktyczne zastosowania, takie jak chemia czy fizyka stosowana. Zamiast tego tę parę przyciągnęła matematyka i fizyka teoretyczna, a w szczególności nowomodna teoria kwantowa Pionierami byli niemieccy fizycy.

Według Banerjee Bose postrzegał swoją pracę jako „intelektualną ucieczkę od nierówności i asymetrii stosunków władzy” w okupowanym Bengalu. „Nie jest zatem przypadkiem” – pisze – „że wschodzący fizycy indyjscy szczególnie celowali w fizyce kwantowej”. W wyniku znajomości prac niemieckich Bose i Saha pozostawali pod silnym wpływem teorii fotonów, która zakładała nieciągłości światła. Natomiast brytyjscy fizycy byli pod większym wrażeniem ciągłej natury światła podyktowanej równaniami Maxwella.

Zarówno Bose, jak i Saha zostali wykładowcami fizyki na Uniwersytecie w Kalkucie. Jednak z powodu izolacji Bengalu i skutków pierwszej wojny światowej trudno było im śledzić najnowsze wydarzenia w Europie. Jednym z niewielu periodyków regularnie dostępnych w bibliotece Prezydencji był „ Magazyn filozoficzny, w którym Bose i Saha przeczytali jeden z przełomowych artykułów Nielsa Bohra na temat struktury atomu, opublikowany w 1913 r. (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="Świetne umysły Bose i Saha z innymi naukowcami z Uniwersytetu w Kalkucie: siedzą (od lewej): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Stoją (od lewej): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, NR Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, NC Nag. (Dzięki uprzejmości: Wikimedia Commons)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-napisał-do-einstein-the- moc-różnorodnego-myślenia-świat-fizyki-1.jpg”>

W Kalkucie także mieli szczęście się zaprzyjaźnić Paula Johannesa Brühla, wizytującego botanika z Niemiec, który przywiózł ze sobą książki i czasopisma dotyczące termodynamiki, teorii kwantowej, teorii względności i innych popularnych zagadnień fizyki. W 1919 roku, gdy Einstein zyskał sławę dzięki pozornemu potwierdzeniu ogólnej teorii względności, Bose i Saha zdołali zdobyć kopie podstawowych artykułów w języku niemieckim i francuskim. Bose władał biegle obydwoma językami, a także angielskim, dlatego wraz z Saha przetłumaczyli i opublikowali artykuły w formie książkowej jako Zasada względności (Uniwersytet w Kalkucie, 1920). Był to pierwszy anglojęzyczny zbiór artykułów na ten temat autorstwa Einsteina i innych.

Następnie w 1921 roku Bose otrzymał stanowisko profesora w nowo utworzonej uczelni Uniwersytet w Dacca (obecnie Dhaka). i odpowiedzialny za rozwój swojego wydziału fizyki. Dwa lata później dość nagle poważne cięcia budżetowe położyły kres planom rozbudowy działu, a Bose musiał wręcz walczyć o utrzymanie posady. Dlatego w 1923 roku Bose znalazł się w nierozwiązanej sytuacji zawodowej, w stresującym okresie politycznym na okupowanym kraju.

Związek Einsteina

Pomimo problemów 30-latek kontynuował badania. Później tego samego roku zastanawiał się nad niepokojącym faktem: wyprowadzenie prawa Plancka było logicznie błędne, ponieważ łączyło w sobie koncepcje klasyczne i kwantowe. Bose zdecydował się zignorować teorię klasyczną i zamiast tego wyprowadzić prawo, rozważając ruchy gazu dyskretnych fotonów. Swoje przemyślenia przedstawił jesienią 1923 roku w swoim przełomowym już artykule pt „Prawo Plancka i hipoteza kwantowo-światłowa”, którego wersję wkrótce miał wysłać Einsteinowi.

Artykuł zaczął się od prawa Plancka, które stanowi punkt wyjścia dla teorii kwantowej. Ale jeden kluczowy wzór do jego wyprowadzenia opiera się na klasycznym założeniu dotyczącym dostępnych stopni swobody. „Jest to niezadowalająca cecha we wszystkich wersjach” – napisał Bose. Przyznając, że podjęta przez Einsteina próba wyprowadzenia prawa w sposób wolny od klasycznych założeń była „niezwykle elegancka”, Bose nie uważał jej za „wystarczająco uzasadnioną z logicznego punktu widzenia”.

<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="Jak to się wszystko zaczeło Kiedy w 1924 r. odrzucono do publikacji wyprowadzenie prawa Plancka dokonane przez Satyendrę Natha Bose’a, wysłał on list bezpośrednio do Alberta Einsteina, prosząc o pomoc. Einstein natychmiast zdał sobie sprawę ze znaczenia tego, co zrobił Bose, i zaaranżował publikację tego Zeitschrift für Physik. (Dzięki uprzejmości: AIP Emilio Segrè Visual Archives, prezent od Kameshwara Wali i Etienne Eisenmanna)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-napisał-do-einsteina-potęgę-różnorodnego-myślenia-świata-fizyki-2.jpg”>

Bose odważnie kontynuował: „Poniżej krótko naszkicuję tę metodę”. Poniżej znajdują się trzy strony rygorystycznych wyprowadzeń, których zwieńczeniem jest równanie opisujące rozkład energii w promieniowaniu ciała doskonale czarnego. Równanie to, jak stwierdził Bose, było „takie samo jak wzór Plancka”.

W niedawnym artykule nt arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909) fizyk Partha Ghose, która była jedną z ostatnich doktorantek Bose'a, twierdzi, że metoda Bose'a wskazywała na nierozróżnialność tych pojedynczych fotonów, ale nie była tego jednoznaczna. Zamiast tego Bose zdefiniował objętość fotonów jako przestrzeń złożoną ze stanów – które nazwał komórkami – przy czym całkowita liczba komórek jest równa liczbie sposobów ułożenia fotonów. Ponieważ gaz fotonów ma stałą gęstość, przestawianie poszczególnych fotonów nie powoduje powstania nowych komórek, co oznacza, że ​​samych fotonów nie można rozróżnić; nie możesz ich „oznaczać”, aby podążać za nimi.

Bose wysłał dokument do Magazyn filozoficzny – o których wiedział, że są dostępne dla indyjskich fizyków – około początku 1924 r., ale nigdy o nich nie usłyszał. Rozczarowany, ale przekonany o jego słuszności, wysłał go lub nieco poprawioną wersję do Einsteina, który otrzymał go 4 czerwca 1924 roku.

„Ważny krok naprzód”

Einstein był przygotowany. Wiedział, jak niekonsekwentne jest stosowanie klasycznych założeń do wyprowadzenia prawa kwantowego i podjął już kilka nieudanych prób jego usunięcia. Einstein uświadomił sobie, że wyprowadzenie Bose'a było rozsądne.

Einstein dostrzegł większe znaczenie w pracy Bose'a niż sam Bose, ponieważ dostrzegł niewykorzystaną analogię

2 lipca tego roku Einstein wysłał odręczną pocztówkę do Bose'a, w której nazwał gazetę „ważnym krokiem naprzód”. Następnie Einstein sam przetłumaczył artykuł i wysłał go do Zeitschrift für Physik. Za zgodą Einsteina artykuł Bose'a został przyjęty i należycie opublikowany w czasopiśmie w sierpniu 1924 r. (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="Powoli to robi Einstein zareagował na list, który Bose wysłał mu w 1924 roku, wysyłając mu pocztówkę. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-pisał-to-einstein-the-power -of-różnorodnego-myślenia-świata-fizyki-3.jpg”>

Einstein dostrzegł większe znaczenie w pracy Bose'a niż sam Bose, ponieważ dostrzegł niewykorzystaną analogię. Zasadniczo Bose potraktował fotony jako statystycznie zależne, co sugeruje możliwość interferencji fal. Einstein zdał sobie sprawę, że nie musi to dotyczyć tylko fotonów, ale może dotyczyć także innych cząstek. W rzeczywistości, jak już wiemy, interferencja dotyczy tylko cząstek o całkowitych wartościach spinu, czyli tego, co Paul Dirac dwie dekady później nazwał „bozonami”. Kontrastuje to z „fermionami”, których spin ma nieparzyste wartości półcałkowite.

Wkrótce po otrzymaniu notatki Bose'a Einstein napisał niemieckojęzyczny artykuł zatytułowany „Quantentheorie des einatomigen gazów idealnych” (lub „Kwantowa teoria jednoatomowego gazu doskonałego”). Opublikowano w Materiały Pruskiej Akademii Nauk w styczniu 1925 r. opisał to, co Einstein nazwał „daleko idącym formalnym związkiem między promieniowaniem a gazem”. Artykuł zasadniczo pokazał, że w temperaturach bliskich zera absolutnego entropia układu całkowicie zanika, a wszystkie cząstki opadają do tego samego stanu lub komórki. W obrębie każdej komórki entropia rozkładu molekularnego „wyraża pośrednio pewną hipotezę dotyczącą wzajemnego oddziaływania cząsteczek, która ma dość tajemniczy charakter”.

Najzimniej: jak list do Einsteina i postęp w technologii chłodzenia laserowego doprowadził fizyków do nowych kwantowych stanów materii

Einstein przypisał ten wpływ interferencji cząstek. Przewidywał, że w niskich temperaturach falowe właściwości gazów, takich jak wodór i hel, staną się bardziej wyraźne, do punktu, w którym lepkość gwałtownie spadnie – zjawisko to nazywa się obecnie „nadciekłością”. Nalegając na dokładne traktowanie analogii między promieniowaniem i gazami, Einstein oparł się na pracy Bose'a i ostatecznie przewidział nieznany stan materii.

Dzięki zainteresowaniu Einsteina pracą Bose'a, ten ostatni otrzymał dwuletni urlop naukowy na studia w Europie. Bose udał się najpierw do Paryża jesienią 1924 roku, gdzie napisał dwa kolejne listy do Einsteina. W następnym roku wyjechał do Berlina, gdzie wreszcie mógł osobiście porozmawiać z Einsteinem na początku 1926 roku. Jednak nigdy nie nawiązali dalszej współpracy. Einstein sprzeciwił się prawdopodobieństwu Bosego dla stanów cząstek w polu promieniowania w równowadze termicznej, a Bose, zajęty innymi sprawami, nie wrócił do tej konkretnej kwestii. Wymiana zdań z czerwca 1924 r., choć krótka, pozostała najbardziej produktywną częścią ich korespondencji.

Jak gorąca próżnia

Ostatecznie, około 70 lat później, ten nowy stan materii, obecnie nazywany kondensacją Bosego-Einsteina (BEC), został zademonstrowane eksperymentalnie w dwóch laboratoriach w USA w 1995 r. To także było wynikiem długiej serii osiągnięć, gdyż w 1924 r. BEC był jedynie przypadkiem granicznym gazów kwantowych, postrzeganym jako możliwy dopiero w pobliżu zera absolutnego. Wydawało się to nieosiągalne; nawet surowa próżnia jest za gorąca dla BEC.

Punktem zwrotnym było wynalezienie w 1975 r chłodzenie laserowe. Dostrajając częstotliwość światła lasera tuż poniżej częstotliwości atomów docelowych, fizycy mogliby wystrzelić fotony w atomy poruszające się w przeciwnym kierunku. Dzięki efektowi Dopplera atomy można następnie oszukać, aby absorbowały fotony, popychając je w kierunku przeciwnym do lasera, zmniejszając ich prędkość i powodując ich ochłodzenie.

<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="Najfajniejszy wynik Na tej kultowej już serii zdjęć wykonanych latem 1995 roku kondensat Bosego-Einsteina wyłania się z chmury zimnych atomów rubidu w laboratorium Erica Cornella i Carla Wiemana. „Skok” gęstości atomów w centrum chmury jest oznaką, że wiele atomów znajduje się w tym samym stanie kwantowym – jest to sygnatura kondensacji Bosego-Einsteina. (Dzięki uprzejmości: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-pisał-to -einstein-potęga-różnorodnego-myślenia-świat-fizyki-5.jpg”>

Rok później grupa fizyków wykazała, że ​​izotopy wodoru można schłodzić w celu odtworzenia BEC. W 1989 roku Cornell i Wieman zdecydowali się na atomy rubidu, ponieważ grupowały się szybciej niż wodór. Czasami określany mianem „superatomów”, BEC pojawia się, gdy pakiety falowe poszczególnych cząstek nakładają się na siebie i stają się całkowicie nie do odróżnienia w niskich temperaturach.

Wieman i Cornell opisali BEC jako „kryzys tożsamości kwantowej”, który ma miejsce, gdy atomy skupiają się w najniższym możliwym stanie układu. Intryga tworzenia pakietu gigantycznej fali polega na tym, że BEC daje nam okno do obserwowania zachowań kwantowych na poziomie makroskopowym.

Punkt krytyczny

„Korespondencja między Bosem i Einsteinem” – napisał Banerjee Tworzenie współczesnej fizyki w kolonialnych Indiach„jest szczególnym momentem w historii nauki”. Firma Bose nie pojawiła się znikąd, aby dodać element do rosnącej układanki. Banerjee twierdzi, że dzięki swojej pracy z dala od Europy, w skolonizowanym kraju, Bose miał wyjątkowe możliwości ułatwienia zmiany zachodniego myślenia o teorii kwantowej.

Praca Bose'a nie była pierwszym przypadkiem, w którym naukowcy spoza Zachodu wnieśli kluczowy wkład do nauki europejskiej. Jednak jego współpraca z Einsteinem ilustruje głębszy punkt – mianowicie to, jak różnice regionalne mogą dawać różne poczucie tego, co jest ważne, a co nie. Jak to ujął Banerjee, wkład Bose'a ilustruje „lokalnie zakorzeniony kosmopolityzm” nauki.

Różnorodność światopoglądów, a nie zgodność kulturowa, niesie najpotężniejszą obietnicę postępu w fizyce.

Robert P  (kliknij link poniżej, aby uzyskać pełną biografię) jest kierownikiem Wydziału Filozofii na Uniwersytecie Stony Brook w USA, gdzie Gino Elia jest doktorantem

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/