Когда Бозе написал Эйнштейну: сила разнообразного мышления

<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="Коротко, но мило В 1924 году Сатьендра Нат Бозе (слева) написал Альберту Эйнштейну (справа), что разработал более удовлетворительный вывод закона Планка. В результате переписка, краткая, но глубокая, привела к предсказанию того, что мы сейчас называем конденсацией Бозе-Эйнштейна. (Слева: Фальгуни Саркар, любезно предоставлено Визуальными архивами AIP Эмилио Сегре. Справа: Визуальные архивы AIP Эмилио Сегре, Галерея нобелевских лауреатов WF Meggers)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/когда-бозе-написал-эйнштейну-силу-разнообразного-мышления-физики-мир.jpg»>

Однажды в июне 1924 года Альберт Эйнштейн получил письмо, написанное профессором из Индии. Автор признал, что он «совершенно незнакомец», но сказал, что посылает Эйнштейну сопроводительную статью для «прочтения и выражения мнения». В статье, занимавшей всего пять страниц, утверждалось, что она направлена ​​на устранение недостатка в квантовой теории, с которым Эйнштейн безуспешно боролся в течение нескольких лет.

Эйнштейн, который тогда учился в Берлинском университете, сразу понял, что автор – Сатьендра Нат Бос – решил проблему, которая его победила. Речь шла о вполне удовлетворительном выводе Закон планка, который описывает спектр излучения черного тела. Впервые полученный Максом Планком в 1900 году, закон показал, что излучение не возрастает до бесконечности на все более коротких длинах волн, как предполагает классическая физика, а вместо этого достигает максимума, прежде чем снова упасть.

Эйнштейн быстро развил подход Бозе в своей работе, и в результате их сотрудничества пара предсказала существование нового явления, получившего название «Конденсация Бозе-Эйнштейна». Ожидается, что это произойдет при очень низких температурах, и в нем будут участвовать все частицы системы, находящиеся в одном и том же самом низшем квантовом состоянии. Это новое коллективное состояние материи было впервые обнаружено экспериментально в 1995 году, что привело к тому, что Эрик Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Виман стали победителями конкурса. Нобелевская премия по физике шесть лет спустя.

Обмен Бозе и Эйнштейном, возможно, был кратким, но это одно из величайших переписок в истории физики. Запись в книге 2020 года Создание современной физики в колониальной Индии, историк и философ науки Сомадитья Банерджи, который сейчас работает в Государственном университете Остина Пей в Кларксвилле, штат Теннесси, говорит, что их сотрудничество продемонстрировало растущую важность международных совместных усилий в науке. Или, как выразился Банерджи, их работа раскрыла «транснациональную природу кванта».

Маргинальное вдохновение

Бозе вырос в условиях политической и научной маргинализации. Он родился 1 января 1894 года в Калькутте (тогда Калькутта) в индийском штате Бенгалия, находившемся под британской оккупацией, в семье, которая была частью культурного и образовательного движения под названием «Бенгальский ренессанс». У ее членов были двойственные отношения с европейской культурой, частично отвергая ее, частично принимая ее.

Бозе и Саха чувствовали себя отчужденными и враждебно настроенными по отношению к британским колонизаторам и не хотели служить им, внося свой вклад в области возможного практического применения.

В 1895 году, когда Бозе было 11 лет, британские оккупанты, встревоженные растущим мятежом в Бенгалии, разделили штат на две части. По мнению Банерджи, одной из причин, по которой Бозе пошел в академические круги, могло быть националистическое стремление избежать призыва в колониальную бюрократию, что стало судьбой многих бенгальцев среднего класса.

Вместо этого Бозе присутствовал Президентский колледж со своим другом (и будущим астрофизиком) Мегнад Саха, которого исключили из школы за участие в «движении свадеши». Стремясь ограничить использование иностранных товаров и вместо этого полагаться на отечественную продукцию, движение было частью борьбы за независимость Индии и выступало против предложенного раздела Бенгалии.

И оба, и Саха чувствовали отчуждение и враждебность по отношению к британским колонизаторам и, как и многие их сверстники, не хотели служить им, внося вклад в области возможного практического применения, такие как химия или прикладная физика. Вместо этого пару привлекли математика и теоретическая физика – и, в частности, новомодная квантовая теория, которая Немецкие физики были пионерами.

По словам Банерджи, Бозе рассматривал свою работу как «интеллектуальный побег от неравенства и асимметрии властных отношений» в оккупированной Бенгалии. «Поэтому не случайно, — пишет он, — что начинающие индийские физики особенно преуспели в квантовой физике». Благодаря знакомству с немецкими работами Бозе и Саха находились под сильным влиянием теории фотонов, которая подразумевала неоднородность света. На британских физиков, напротив, большее впечатление произвела непрерывная природа света, диктуемая уравнениями Максвелла.

Бозе и Саха впоследствии стали преподавателями физики в Калькуттском университете. Но из-за изоляции Бенгалии и последствий Первой мировой войны им было трудно следить за последними событиями в Европе. Одним из немногих периодических изданий, которые регулярно имелись в президентской библиотеке, был Философский журнал, в котором Бозе и Саха читали одну из основополагающих статей Нильса Бора по атомной структуре, опубликованную в 1913 году. (Фил Мэг. 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="Великие умы Бозе и Саха с другими учеными из Калькуттского университета: сидят (слева направо): Мегнад Саха, Джагадиш Чандра Бос, Джнан Чандра Гош. Стоят (слева направо): Снехамой Датт, Сатьендра Натх Бос, Дебендра Мохан Бозе, Н.Р. Сен, Джнанендра Натх Мукерджи, Н.К. Наг. (Фото предоставлено Wikimedia Commons)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- сила-разнообразного-мышления-физики-мир-1.jpg»>

В Калькутте им также посчастливилось подружиться Пауль Йоханнес Брюль, приглашенный ботаник из Германии, который привез с собой книги и журналы по термодинамике, квантовой теории, теории относительности и другим популярным темам физики. В 1919 году, после того как Эйнштейн прославился после очевидного подтверждения общей теории относительности, Бозе и Саха удалось получить копии основных статей на немецком и французском языках. Бозе свободно говорил на обоих языках, а также на английском, поэтому он и Саха перевели и опубликовали статьи в виде книги, как Принцип относительности (Университет Калькутты, 1920 г.). Это был первый англоязычный сборник статей Эйнштейна и других по этой теме.

Затем, в 1921 году, Бозе была присвоена должность профессора в недавно созданном институте. Университет Дакки (ныне Дакка) и ему было поручено развивать физический факультет. Два года спустя, довольно неожиданно, резкое сокращение бюджета положило конец плану по расширению отдела, и Бозе даже пришлось бороться, чтобы сохранить свою работу. Таким образом, в 1923 году Бозе оказался в нерешённом профессиональном состоянии, в напряженный политический период на оккупированной земле.

Связь с Эйнштейном

Несмотря на свои проблемы, 30-летний мужчина продолжал проводить исследования. Позже в том же году он задумался над тревожным фактом: вывод закона Планка был логически необоснованным, поскольку смешивал классические и квантовые концепции. Бозе решил игнорировать классическую теорию и вместо этого вывести закон, рассматривая движение газа дискретных фотонов. Осенью 1923 года он изложил свои мысли в своей ставшей плодотворной статье под названием «Закон Планка и гипотеза светового кванта», версию которой он вскоре отправит Эйнштейну.

Закон Планка, как начиналась статья, является отправной точкой квантовой теории. Но одна решающая формула при его выводе основана на классическом предположении о доступных степенях свободы. «Это неудовлетворительная особенность всех производных», — писал Бозе. Признавая, что собственная попытка Эйнштейна вывести закон, свободную от классических предположений, была «удивительно элегантной», Бозе не считал ее «достаточно оправданной с логической точки зрения».

<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="Как все начиналось. Когда вывод закона Планка, сделанный Сатьендрой Натхом Бозе, был отклонен для публикации в 1924 году, он отправил письмо непосредственно Альберту Эйнштейну с просьбой о помощи. Эйнштейн сразу понял важность того, что сделал Бозе, и организовал публикацию этого в журнале. Zeitschrift für Physik. (Любезно предоставлено: Визуальные архивы AIP Эмилио Сегре, Дар Камешвара Вали и Этьена Эйзенмана)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -бозе-написал-эйнштейну-силу-разнообразного-мышления-физики-мир-2.jpg»>

Бозе смело продолжил: «Далее я кратко обрисую этот метод». Далее следуют три страницы строгих выводов, кульминацией которых является уравнение, описывающее распределение энергии в излучении черного тела. Это уравнение, как заявил Бозе, «то же самое, что и формула Планка».

В недавней статье о ArXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), физик Парта Гхош, который был одним из последних аспирантов Бозе, говорит, что метод Бозе намекал – но не говорил прямо – о неразличимости этих отдельных фотонов. Вместо этого Бозе определил объем фотонов как пространство, состоящее из состояний – которые он назвал ячейками – с общим количеством ячеек, равным количеству способов, которыми фотоны могут быть расположены. Поскольку газ фотонов имеет фиксированную плотность, перестановка отдельных фотонов не приводит к образованию новых клеток, а это означает, что сами фотоны нельзя отличить друг от друга; вы не можете «пометить» их, чтобы следить за ними.

Бозе отправил статью Философский журнал – который, как он знал, был доступен индийским физикам – примерно в начале 1924 года, но ответа так и не получил. Разочарованный, но убежденный в ее правильности, он отправил ее или слегка переработанную версию Эйнштейну, который получил ее 4 июня 1924 года.

«Важный шаг вперед»

Эйнштейн был готов. Он знал о несостоятельности использования классического предположения для вывода квантового закона и уже предпринял несколько безуспешных попыток его опровергнуть. Эйнштейн понял, что вывод Бозе был верным.

Эйнштейн почерпнул из работ Бозе больше значения, чем сам Бозе, поскольку он заметил неиспользованную аналогию.

2 июля того же года Эйнштейн ответил Бозе рукописной открыткой, назвав статью «важным шагом вперед». Затем Эйнштейн сам перевел статью и отправил ее Zeitschrift für Physik. С одобрения Эйнштейна статья Бозе была принята и опубликована в журнале в августе 1924 года. (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="Медленно делает это Эйнштейн отреагировал на письмо, которое Бозе отправил ему в 1924 году, отправив ему открытку. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-разнообразного-мышления-физики-мир-3.jpg”>

Эйнштейн почерпнул из работ Бозе больше значения, чем сам Бозе, поскольку он заметил неиспользованную аналогию. По сути, Бозе считал фотоны статистически зависимыми, подразумевая возможность интерференции волн. Эйнштейн понял, что это применимо не только к фотонам, но и к другим частицам. Фактически, как мы теперь знаем, интерференция справедлива только для частиц с целыми значениями спина, или того, что Поль Дирак два десятилетия спустя назвал «бозонами». Они контрастируют с «фермионами», спин которых имеет нечетные полуцелые значения.

Вскоре после получения записки Бозе Эйнштейн написал на немецком языке статью под названием «Квантовая теория атомов идеальных газов». (или «Квантовая теория одноатомного идеального газа»). Опубликовано в Труды Прусской академии наук в январе 1925 года он описал то, что Эйнштейн назвал «далеко идущей формальной связью между излучением и газом». По сути, в статье было показано, что при температурах, близких к абсолютному нулю, энтропия системы вообще исчезает, и все частицы переходят в одно и то же состояние или ячейку. Внутри каждой клетки энтропия молекулярного распределения «косвенно выражает некую гипотезу о взаимном влиянии молекул, имеющую весьма загадочную природу».

Самый холодный: как письмо Эйнштейну и достижения в технологии лазерного охлаждения привели физиков к новым квантовым состояниям материи

Эйнштейн объяснил это влияние интерференцией частиц. Он предсказал, что при низких температурах волнообразные характеристики таких газов, как водород и гелий, станут более выраженными до такой степени, что вязкость будет быстро уменьшаться – явление, которое теперь называется «сверхтекучестью». Настаивая на том, чтобы рассматривать аналогию между излучением и газами как точную, Эйнштейн, опираясь на работу Бозе, в конечном итоге предсказал неизвестное состояние материи.

Благодаря вниманию Эйнштейна к работам Бозе, последний получил двухлетний творческий отпуск для обучения в Европе. Осенью 1924 года Бозе впервые побывал в Париже, где написал Эйнштейну еще два письма. В следующем году он поехал в Берлин, где наконец смог поговорить с Эйнштейном лично в начале 1926 года. Но до дальнейшего сотрудничества пара так и не дошла. Эйнштейн возражал против формулы вероятности Бозе для состояний частиц в поле излучения при тепловом равновесии, и Бозе, занимаясь другими вещами, не возвращался к этому конкретному вопросу. Их обмен мнениями в июне 1924 года, каким бы кратким он ни был, остался самой продуктивной частью их переписки.

Как горячий вакуум

В конце концов, примерно 70 лет спустя, это новое состояние вещества, теперь называемое конденсацией Бозе-Эйнштейна (БЭК), было экспериментально продемонстрировано в двух лабораториях в США в 1995 году. Это тоже стало результатом длинной серии разработок, поскольку в 1924 году БЭК представлял собой всего лишь предельный случай квантовых газов, который считался возможным только вблизи абсолютного нуля. Это казалось недостижимым; даже чистый вакуум слишком горячий для BEC.

Поворотным моментом стало изобретение в 1975 году лазерное охлаждение. Настроив частоту лазерного света чуть ниже частоты целевых атомов, физики могли запускать фотоны в атомы, движущиеся в противоположном направлении. Благодаря эффекту Доплера атомы можно обманом заставить поглощать фотоны, толкая их в направлении, противоположном лазеру, уменьшая их скорость и заставляя их охлаждаться.

<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="Самый крутой результат На этой ставшей теперь знаковой серии изображений, сделанных летом 1995 года, конденсат Бозе-Эйнштейна выходит из облака холодных атомов рубидия в лаборатории Эрика Корнелла и Карла Вимана. «Всплеск» плотности атомов в центре облака является признаком того, что многие атомы там занимают одно и то же квантовое состояние – признак конденсации Бозе-Эйнштейна. (Любезно предоставлено: NIST/JILA/CU-Boulder)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -Эйнштейн-сила-разнообразного-мышления-физики-мира-5.jpg»>

Год спустя группа физиков показала, что изотопы водорода можно охлаждать, чтобы воспроизвести БЭК. В 1989 году Корнелл и Виман остановились на атомах рубидия, поскольку они группируются быстрее, чем водород. Иногда называемый «суператомами», БЭК возникает, когда волновые пакеты отдельных частиц перекрываются и становятся полностью неразличимыми при низких температурах.

Виман и Корнелл описали БЭК как «кризис квантовой идентичности», который происходит, когда атомы слипаются в самом низком возможном состоянии системы. Интрига создания гигантского волнового пакета заключается в том, что БЭК дает нам возможность наблюдать квантовое поведение на макроскопическом уровне.

Критическая точка

«Переписка между Бозе и Эйнштейном», — писал Банерджи в Создание современной физики в колониальной Индии, «является особым моментом в истории науки». Бозе не появился внезапно, чтобы внести свой вклад в растущую головоломку. Банерджи утверждает, что благодаря своей работе вдали от Европы, на колонизированной земле, Бозе был уникальным образом подготовлен к изменению западного мышления о квантовой теории.

Работа Бозе была не первым случаем, когда незападные ученые внесли ключевой вклад в европейскую науку. Но его сотрудничество с Эйнштейном иллюстрирует более глубокую мысль, а именно, как региональные различия могут дать разное понимание того, что важно, а что нет. По словам Банерджи, вклад Бозе иллюстрирует «локально укоренившийся космополитизм» науки.

Разнообразие мировоззрений, а не культурное единство, таит в себе самые мощные перспективы прогресса в физике.

Роберт П. Криз  (нажмите ссылку ниже, чтобы просмотреть полную биографию) — заведующий кафедрой философии Университета Стоуни-Брук, США, где Джино Элиа является аспирантом

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/