Când Bose i-a scris lui Einstein: puterea gândirii diverse – Lumea fizicii

<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="Scurt, dar dulce 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”>

Într-o zi din iunie 1924, Albert Einstein a primit o scrisoare scrisă de un profesor din India. Autorul a recunoscut că era un „cu totul străin”, dar a spus că îi trimitea lui Einstein un articol însoțitor pentru această „perutare și opinie”. În doar cinci pagini, articolul pretindea că abordează un defect al teoriei cuantice cu care Einstein s-a luptat fără succes timp de câțiva ani.

Einstein, care era atunci la Universitatea din Berlin, și-a dat seama imediat că autorul – Satyendra Nath Bose – rezolvase problema care îl învinsese. Se referea la o derivare pe deplin satisfăcătoare a legea lui Planck, care descrie spectrul de radiații dintr-un corp negru. Derivată pentru prima dată de Max Planck în 1900, legea a arătat că radiația nu se ridică la infinit la lungimi de undă din ce în ce mai scurte, așa cum sugerează fizica clasică, ci atinge vârfuri înainte de a cădea înapoi.

Einstein a dezvoltat rapid abordarea lui Bose în propria sa lucrare și, ca urmare a colaborării lor, perechea a prezis existența unui nou fenomen, numit „Condensarea Bose-Einstein”. Anticipată a avea loc la temperaturi foarte scăzute, ar implica toate particulele dintr-un sistem care ocupă aceeași stare cuantică cea mai joasă. Această nouă stare colectivă a materiei a fost detectată experimental pentru prima dată în 1995, ducând la câștigarea premiului Eric Cornell, Wolfgang Ketterle și Carl Wieman. Premiul Nobel pentru fizică șase ani mai târziu.

Schimbul Bose-Einstein poate să fi fost scurt, dar este una dintre marile corespondențe din istoria fizicii. Scriind în cartea 2020 Crearea fizicii moderne în India colonială, istoricul și filozoful științei Somaditya Banerjee, care este acum la Universitatea de Stat Austin Peay din Clarksville, Tennessee, spune că colaborarea lor a ilustrat importanța tot mai mare a eforturilor internaționale comune în știință. Sau, așa cum spune Banerjee, munca lor a dezvăluit „natura transnațională a cuantii”.

Inspirație marginalizată

Bose a crescut marginalizat din punct de vedere politic și științific. S-a născut la 1 ianuarie 1894 la Kolkata (pe atunci Calcutta) în statul indian Bengal, aflat sub ocupație britanică, într-o familie care făcea parte dintr-o mișcare culturală și educațională numită „Renașterea din Bengala”. Membrii săi au avut o relație ambivalentă cu cultura europeană, parțial respingând-o și parțial îmbrățișând-o.

Bose și Saha s-au simțit înstrăinați și antagoniști față de colonizatorii britanici și nu au vrut să-i servească contribuind la domenii cu posibile aplicații practice.

În 1895, când Bose avea 11 ani, ocupanții britanici – alarmați de creșterea rebeliunii din Bengal – au împărțit statul în două. O parte din motivul pentru care Bose a intrat în mediul academic, conform lui Banerjee, ar fi putut fi un impuls naționalist de a evita înrolarea în birocrația colonială, care a fost soarta multor bengalezi din clasa de mijloc.

În schimb, Bose a participat Colegiul Președinției cu prietenul lui (și viitor astrofizician) Meghnad Saha, care fusese expulzat din școala sa pentru implicarea sa în „mișcarea Swadeshi”. Căutând să limiteze utilizarea mărfurilor străine și să se bazeze în schimb pe produsele interne, mișcarea a făcut parte din impulsul pentru independența Indiei și s-a opus propunerii de împărțire a Bengalului.

Amândoi și Saha s-au simțit înstrăinați și antagoniști față de colonizatorii britanici și – ca mulți dintre semenii lor – nu au vrut să-i servească contribuind la domenii cu posibile aplicații practice, cum ar fi chimia sau fizica aplicată. Perechea a fost în schimb atrasă de matematică și fizica teoretică – și în special de teoria cuantică recentă care Fizicienii germani au fost pionieri.

Potrivit lui Banerjee, Bose a văzut opera sa ca „o evadare intelectuală din inechitățile și asimetriile relațiilor de putere” din Bengalul ocupat. „Deci nu este o întâmplare”, scrie el, „că fizicienii indieni în curs de dezvoltare au excelat în special în fizica cuantică”. Ca urmare a familiarității lor cu munca germană, Bose și Saha au fost foarte influențați de teoria fotonului, care implica discontinuități în lumină. Fizicienii britanici, în schimb, au fost mai impresionați de natura continuă a luminii dictată de ecuațiile lui Maxwell.

Bose și Saha au devenit amândoi instructori de fizică la Universitatea din Calcutta. Dar din cauza izolării Bengalului și a efectelor Primului Război Mondial, le-a fost greu să urmărească cele mai recente evoluții din Europa. Unul dintre puținele periodice care era disponibil în mod regulat în biblioteca Președinției a fost Revista Filosofică, în care Bose și Saha au citit una dintre lucrările fundamentale ale lui Niels Bohr despre structura atomică, publicată în 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="Minti luminate 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”>

În Calcutta, au avut și norocul să se împrietenească Paul Johannes Brühl, un botanist în vizită din Germania, care adusese cu el cărți și reviste despre termodinamică, teoria cuantică, relativitate și alte subiecte populare de fizică. În 1919, după ce Einstein a ajuns la faimă în urma aparentei confirmări a relativității generale, Bose și Saha au reușit să obțină copii ale lucrărilor de bază în germană și franceză. Bose vorbea fluent ambele limbi, precum și engleza, așa că el și Saha au tradus și publicat lucrările în formă de carte ca Principiul relativității (Universitatea din Calcutta, 1920). A fost prima colecție de lucrări în limba engleză pe această temă de la Einstein și alții.

Apoi, în 1921, Bose a primit o profesie la recent înființată Universitatea Dacca (acum Dhaka). și însărcinat cu dezvoltarea departamentului său de fizică. Doi ani mai târziu, destul de brusc, reduceri severe de buget au pus capăt planului de extindere a departamentului, iar Bose a trebuit chiar să lupte pentru a-și păstra locul de muncă. În 1923, așadar, Bose s-a trezit într-o stare profesională nerezolvată, într-o perioadă politică stresantă într-un pământ ocupat.

Legătura Einstein

În ciuda problemelor sale, tânărul de 30 de ani a continuat să facă cercetări. Mai târziu în acel an, el s-a gândit la un fapt tulburător: derivarea legii lui Planck nu era logic, deoarece combina conceptele clasice și cuantice. Bose a decis să ignore teoria clasică și să derive legea, luând în considerare mișcările unui gaz de fotoni discreti. El și-a conturat gândurile în toamna anului 1923 în lucrarea sa de acum fundamentală intitulată „Legea lui Planck și ipoteza cuantică a luminii”, versiune a căreia i-ar trimite în scurt timp lui Einstein.

Legea lui Planck, a început lucrarea, este punctul de plecare pentru teoria cuantică. Dar o formulă crucială în derivarea acesteia se bazează pe o presupunere clasică despre gradele de libertate disponibile. „Aceasta este o caracteristică nesatisfăcătoare în toate derivările”, a scris Bose. Deși admite că încercarea lui Einstein de a deriva legea fără ipoteze clasice a fost „remarcabil de elegantă”, Bose nu a considerat că este „suficient justificată din punct de vedere logic”.

<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="Cum a început totul Când derivarea lui Satyendra Nath Bose a legii lui Planck a fost respinsă pentru publicare în 1924, el a trimis o scrisoare direct lui Albert Einstein cerându-i ajutorul. Einstein și-a dat seama imediat de importanța a ceea ce a făcut Bose și a aranjat ca acesta să fie publicat în 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 a continuat cu îndrăzneală: „În cele ce urmează voi schița pe scurt metoda.” Urmează trei pagini de derivări riguroase, culminând cu o ecuație care descrie distribuția energiei în radiația dintr-un corp negru. Această ecuație, a proclamat Bose, a fost „la fel cu formula lui Planck”.

Într-o lucrare recentă despre arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), fizicianul Partha Ghose, care a fost unul dintre ultimii doctoranzi ai lui Bose, spune că metoda lui Bose a sugerat – dar nu a fost explicit despre – indistinguirea acelor fotoni individuali. În schimb, Bose a definit un volum pentru fotoni ca un spațiu compus din stări – pe care le-a numit celule – cu numărul total de celule egalând numărul de moduri în care fotonii pot fi aranjați. Deoarece gazul fotonilor are o densitate fixă, rearanjarea fotonilor individuali nu produce celule noi, ceea ce implică că fotonii înșiși nu pot fi deosebiți; nu le poți „eticheta” pentru a-i urmări.

Bose a trimis ziarul către Revista Filosofică – despre care știa că era disponibil pentru fizicienii indieni – pe la începutul anului 1924, dar nu a mai primit niciun răspuns. Dezamăgit, dar convins de soliditatea sa, el a trimis-o lui Einstein, sau o versiune ușor revizuită, care a primit-o la 4 iunie 1924.

„Un pas important înainte”

Einstein a fost pregătit. El știa inconsecvența utilizării unei ipoteze clasice pentru a deriva o lege cuantică și făcuse deja câteva încercări nereușite de a o elimina. Derivarea lui Bose a fost solidă, și-a dat seama Einstein.

Einstein a obținut mai multă semnificație în opera lui Bose decât Bose însuși, pentru că a observat o analogie neexploatată

La 2 iulie a acelui an, Einstein i-a răspuns lui Bose cu o carte poștală scrisă de mână, numind ziarul „un pas important înainte”. Apoi Einstein a tradus el însuși lucrarea și i-a trimis-o Zeitschrift für Physik. Cu aprobarea lui Einstein, lucrarea lui Bose a fost acceptată și a fost publicată în mod corespunzător în jurnal în 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="O face încet 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 a căpătat mai multă semnificație în opera lui Bose decât Bose însuși, pentru că a descoperit o analogie neexploatată. În esență, Bose a tratat fotonii ca dependenți statistic, implicând posibilitatea interferenței undelor. Ceea ce a realizat Einstein a fost că acest lucru nu trebuia să se aplice doar fotonilor, ci se putea aplica și altor particule. De fapt, după cum știm acum, interferența este valabilă numai pentru particulele cu valori întregi de spin, sau ceea ce Paul Dirac, două decenii mai târziu, a numit „bosoni”. Acestea contrastează cu „fermionii”, al căror spin vine în valori impare de jumătate întregi.

La scurt timp după ce a primit nota lui Bose, Einstein a scris o lucrare în limba germană intitulată „Quantentheorie des einatomigen idealen gazes” (sau „Teoria cuantică a gazului ideal monoatomic”). Publicat în Proceedings of the Prusia Academy of Sciences în ianuarie 1925, a descris ceea ce Einstein a numit „o relație formală de anvergură între radiații și gaz”. Lucrarea a arătat în esență că la temperaturi apropiate de zero absolut, entropia unui sistem dispare cu totul și toate particulele cad în aceeași stare sau celulă. În interiorul fiecărei celule, entropia distribuției moleculare „exprimă indirect o anumită ipoteză privind o influență reciprocă a moleculelor care este de o natură destul de misterioasă”.

Cel mai rece: cum o scrisoare către Einstein și progresele în tehnologia de răcire cu laser i-au condus pe fizicieni la noi stări cuantice ale materiei

Einstein a atribuit această influență interferenței particulelor. La temperaturi scăzute, a prezis el, caracteristicile ondulatorii ale gazelor precum hidrogenul și heliul vor deveni mai pronunțate, până la punctul în care vâscozitatea va scădea rapid – un fenomen numit acum „superfluiditate”. Insistând să trateze analogia dintre radiații și gaze ca fiind exactă, Einstein s-a bazat pe munca lui Bose pentru a ajunge să prezică o stare necunoscută a materiei.

Datorită atenției lui Einstein asupra lucrării lui Bose, acesta din urmă a primit o perioadă sabatică de doi ani pentru a studia în Europa. Bose a călătorit mai întâi la Paris în toamna anului 1924, unde i-a mai scris două scrisori lui Einstein. În anul următor a plecat la Berlin unde a reușit în sfârșit să vorbesc cu Einstein în persoană la începutul anului 1926. Dar perechea nu a ajuns niciodată să colaboreze mai departe. Einstein s-a opus formulei de probabilitate a lui Bose pentru stările particulelor într-un câmp de radiație la echilibru termic, iar Bose, implicat în alte lucruri, nu a revenit la această întrebare specială. Schimbul lor din iunie 1924, oricât de scurt, a rămas partea cea mai productivă a corespondenței lor.

Ce fierbinte e vidul

În cele din urmă, aproximativ 70 de ani mai târziu, această nouă stare a materiei, numită acum condensare Bose-Einstein (BEC), a fost demonstrat experimental la două laboratoare din SUA în 1995. Și acesta a fost rezultatul unei lungi serii de dezvoltări, pentru că în 1924, BEC a fost doar un caz limită de gaze cuantice, văzute ca fiind posibile doar aproape de zero absolut. Părea de neatins; chiar și vidul brut este prea fierbinte pentru BEC.

Un moment de cotitură a fost inventarea, în 1975, a răcirea cu laser. Prin reglarea frecvenței luminii laser chiar sub cea a atomilor țintă, fizicienii ar putea trage fotoni asupra atomilor care se mișcă în direcția opusă. Datorită efectului Doppler, atomii ar putea fi apoi păcăliți să absoarbă fotonii în timp ce îi împinge în direcția opusă laserului, reducându-le viteza și făcându-i să se răcească.

<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="Cel mai tare rezultat 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”>

Un an mai târziu, un grup de fizicieni a arătat că izotopii hidrogenului ar putea fi răciți pentru a replica BEC. În 1989, Cornell și Wieman au optat pentru atomii de rubidiu, deoarece aceștia s-ar grupa mai repede decât hidrogenul. Denumite uneori „super-atomi”, BEC apare atunci când pachetele de undă ale particulelor individuale se suprapun și devin complet nediferențiate la temperaturi scăzute.

Wieman și Cornell au descris BEC ca o „criză de identitate cuantică” care are loc atunci când atomii se adună împreună în cea mai joasă stare posibilă a sistemului. Intriga creării unui pachet de val gigant este că BEC ne oferă o fereastră pentru a asista la comportamente cuantice la nivel macroscopic.

Punctul critic

„Corespondența dintre Bose și Einstein”, a scris Banerjee Crearea fizicii moderne în India colonială, „este un moment special în istoria științei”. Bose nu a venit din senin pentru a contribui cu o piesă la un puzzle în creștere. În virtutea faptului că a lucrat departe de Europa într-un tărâm colonizat, susține Banerjee, Bose a fost unic pregătit să faciliteze schimbarea gândirii occidentale despre teoria cuantică.

Lucrarea lui Bose nu a fost pentru prima dată când oameni de știință non-occidentali au contribuit cu perspective cheie la știința europeană. Dar colaborarea sa cu Einstein ilustrează un punct mai profund – și anume modul în care diferențele regionale pot da sensuri diferite despre ceea ce este important și ce nu. După cum spune Banerjee, contribuția lui Bose ilustrează „cosmopolitismul înrădăcinat local” al științei.

Diversitatea în viziuni asupra lumii, nu conformitatea culturală, deține cea mai puternică promisiune pentru progres în fizică.

Robert P Crease  (faceți clic pe linkul de mai jos pentru biografia completă) este președintele Departamentului de Filosofie, Universitatea Stony Brook, SUA, unde Gino Elia este doctorand

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/