Ko je Bose pisal Einsteinu: moč raznolikega razmišljanja – svet fizike

<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="Kratek, a sladek 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”>

Nekega dne junija 1924 je Albert Einstein prejel pismo, ki ga je napisal profesor iz Indije. Avtor je priznal, da je "popoln tujec", vendar je dejal, da Einsteinu pošilja spremni članek za ta "pregled in mnenje". Članek, dolg le pet strani, je trdil, da obravnava napako v kvantni teoriji, s katero se je Einstein več let neuspešno boril.

Einstein, ki je bil takrat na Univerzi v Berlinu, je takoj ugotovil, da je avtor – Satyendra Nath Bose – rešil problem, ki ga je premagal. Šlo je za popolnoma zadovoljivo izpeljavo Planckov zakon, ki opisuje spekter sevanja črnega telesa. Zakon, ki ga je prvi izpeljal Max Planck leta 1900, je pokazal, da sevanje ne narašča do neskončnosti pri vedno krajših valovnih dolžinah, kot predlaga klasična fizika, temveč doseže vrh, preden pade nazaj.

Einstein je v svojem delu hitro razvil Bosejev pristop in kot rezultat njunega sodelovanja sta napovedala obstoj novega pojava, imenovanega "Bose-Einsteinova kondenzacija". Pričakuje se, da se bo pojavil pri zelo nizkih temperaturah, vključeval pa bi vse delce v sistemu, ki bi zasedali isto najnižje kvantno stanje. To novo kolektivno stanje snovi je bilo prvič eksperimentalno odkrito leta 1995, zaradi česar so Eric Cornell, Wolfgang Ketterle in Carl Wieman zmagali Nobelova nagrada za fiziko šest let pozneje.

Izmenjava med Bosejem in Einsteinom je bila morda kratka, vendar je ena največjih korespondenc v zgodovini fizike. Pisanje v knjigi 2020 Nastanek sodobne fizike v kolonialni Indiji, zgodovinar in filozof znanosti Somaditya Banerjee, ki je zdaj na državni univerzi Austin Peay v Clarksvillu v Tennesseeju, pravi, da je njuno sodelovanje ponazorilo vse večji pomen mednarodnih skupnih prizadevanj v znanosti. Ali, kot pravi Banerjee, je njihovo delo razkrilo »transnacionalno naravo kvanta«.

Marginalizirani navdih

Bose je odraščal politično in znanstveno marginaliziran. Rodil se je 1. januarja 1894 v Kalkuti (takrat Kalkuti) v indijski zvezni državi Bengal, ki je bila pod britansko okupacijo, v družini, ki je bila del kulturnega in izobraževalnega gibanja, imenovanega "Bengalska renesansa". Njeni pripadniki so imeli do evropske kulture ambivalenten odnos, deloma so jo zavračali in deloma sprejeli.

Bose in Saha sta se počutila odtujena in antagonistična do britanskih kolonizatorjev in jim nista želela služiti s prispevanjem na področjih z možno praktično uporabo

Leta 1895, ko je bil Bose star 11 let, so britanski okupatorji – vznemirjeni zaradi naraščajočega upora v Bengalu – državo razdelili na dvoje. Po mnenju Banerjeeja je bil del razloga, da je Bose šel v akademijo, morda nacionalistična želja, da bi se izognil vpoklicu v kolonialno birokracijo, kar je bila usoda mnogih Bengalcev srednjega razreda.

Namesto tega se je udeležil Bose Predsedniški kolidž s prijateljem (in bodočim astrofizikom) Meghnad Saha, ki je bil izključen iz svoje šole zaradi svoje vpletenosti v "Swadeshi gibanje". Gibanje, ki je poskušalo omejiti uporabo tujega blaga in se namesto tega zanašati na domače izdelke, je bilo del prizadevanj za indijsko neodvisnost in je nasprotovalo predlagani delitvi Bengala.

Oba in Saha sta se počutila odtujena in antagonistična do britanskih kolonizatorjev in – tako kot mnogi njuni vrstniki – jim nista želela služiti s prispevanjem na področjih z možnimi praktičnimi aplikacijami, kot sta kemija ali uporabna fizika. Namesto tega sta ju pritegnili matematika in teoretična fizika – še posebej pa novodobna kvantna teorija, ki Nemški fiziki so bili pionirji.

Po besedah ​​Banerjeeja je Bose svoje delo videl kot "intelektualni beg pred neenakostjo in asimetrijo razmerij moči" v okupirani Bengaliji. "Zato ni naključje," piše, "da so se nastajajoči indijski fiziki še posebej izkazali v kvantni fiziki." Zaradi poznavanja nemškega dela je na Boseja in Saha močno vplivala fotonska teorija, ki je pomenila prekinitve svetlobe. Nasprotno pa so bili britanski fiziki bolj navdušeni nad neprekinjeno naravo svetlobe, ki jo narekujejo Maxwellove enačbe.

Bose in Saha sta postala inštruktorja fizike na Univerzi v Kalkuti. Toda zaradi izolacije Bengalije in posledic prve svetovne vojne so le stežka spremljali najnovejše dogodke v Evropi. Ena redkih periodičnih publikacij, ki je bila redno dostopna v knjižnici predsedstva, je bila Filozofska revija, v katerem sta Bose in Saha prebrala enega od temeljnih člankov Nielsa Bohra o strukturi atoma, objavljenega leta 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="Veliki umi 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”>

V Kalkuti so imeli tudi srečo, da so se spoprijateljili Paul Johannes Brühl, gostujoči botanik iz Nemčije, ki je s seboj prinesel knjige in revije o termodinamiki, kvantni teoriji, relativnosti in drugih priljubljenih fizikalnih temah. Leta 1919, potem ko je Einstein zaslovel po očitni potrditvi splošne relativnostne teorije, sta Bose in Saha uspela pridobiti kopije osnovnih dokumentov v nemščini in francoščini. Bose je tekoče govoril oba jezika, pa tudi angleščino, zato sta on in Saha prevedla in objavila članke v knjižni obliki kot Načelo relativnosti (Univerza v Kalkuti, 1920). To je bila prva angleško govoreča zbirka prispevkov na to temo od Einsteina in drugih.

Nato je leta 1921 Bose dobil mesto profesorja na nedavno ustanovljenem Univerza Dacca (zdaj Daka). in zadolžen za razvoj oddelka za fiziko. Dve leti pozneje so precej nenadoma hudi proračunski rezi končali načrt za širitev oddelka in Bose se je moral celo boriti, da je obdržal službo. Leta 1923 se je torej Bose znašel v nerazrešenem poklicnem stanju, v stresnem političnem času v okupirani deželi.

Einsteinova povezava

Kljub težavam je 30-letnik nadaljeval z raziskavami. Kasneje istega leta je razmišljal o motečem dejstvu: izpeljava Planckovega zakona je bila logično netelesna, saj je mešala klasične in kvantne koncepte. Bose se je odločil zanemariti klasično teorijo in namesto tega izpeljati zakon z upoštevanjem gibanja plina diskretnih fotonov. Svoje misli je orisal jeseni 1923 v svojem zdaj že temeljnem prispevku z naslovom “Planckov zakon in svetlobno-kvantna hipoteza«, različico katere bi v kratkem poslal Einsteinu.

Planckov zakon, se je začel članek, je izhodišče za kvantno teorijo. Toda ena ključna formula pri izpeljavi temelji na klasični predpostavki o razpoložljivih stopnjah svobode. "To je nezadovoljiva lastnost v vseh izpeljavah," je zapisal Bose. Medtem ko je priznal, da je bil Einsteinov lastni poskus izpeljave zakona brez klasičnih predpostavk "izjemno eleganten", Bose ni menil, da je "dovolj upravičen z logičnega vidika".

<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="Kako se je vse začelo Ko je bila izpeljava Planckovega zakona Satyendre Nath Bose leta 1924 zavrnjena za objavo, je poslal pismo neposredno Albertu Einsteinu in ga prosil za pomoč. Einstein je takoj spoznal pomembnost tega, kar je naredil Bose, in poskrbel za objavo v 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 je drzno nadaljeval: "V nadaljevanju bom na kratko skiciral metodo." Sledijo tri strani strogih izpeljav, ki se zaključijo z enačbo, ki opisuje porazdelitev energije v sevanju črnega telesa. Bose je razglasil, da je ta enačba "enaka Planckovi formuli".

V nedavnem dokumentu o arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), fizik Partha Ghose, ki je bil eden zadnjih Bosejevih doktorskih študentov, pravi, da je Bosejeva metoda namigovala na – vendar ni bila eksplicitna – nerazločljivost teh posameznih fotonov. Bose je prostor za fotone namesto tega opredelil kot prostor, sestavljen iz stanj – ki jih je imenoval celice – s skupnim številom celic, ki je enako številu načinov, na katere so fotoni lahko razporejeni. Ker ima plin fotonov fiksno gostoto, preurejanje posameznih fotonov ne proizvede novih celic, kar pomeni, da samih fotonov ni mogoče ločiti; ne morete jih »označiti«, da bi jim sledili.

Bose je papir poslal na Filozofska revija – za katerega je vedel, da je na voljo indijskim fizikom – okoli začetka leta 1924, vendar se ni nikoli oglasil. Razočaran, a prepričan o njeni utemeljenosti, jo je ali nekoliko popravljeno različico poslal Einsteinu, ki jo je prejel 4. junija 1924.

“Pomemben korak naprej”

Einstein je bil pripravljen. Poznal je nedoslednost uporabe klasične predpostavke za izpeljavo kvantnega zakona in je že večkrat neuspešno poskušal to odstraniti. Einstein je ugotovil, da je bila Bosejeva izpeljava dobra.

Einstein je v Bosejevem delu zbral večji pomen kot Bose sam, saj je opazil neizkoriščeno analogijo

2. julija istega leta je Einstein odgovoril Boseju z ročno napisano razglednico, v kateri je dokument označil za "pomemben korak naprej". Einstein je nato sam prispevek prevedel in poslal na Zeitschrift für Physik. Z Einsteinovo odobritvijo je bil Bosejev članek sprejet in avgusta 1924 pravilno objavljen v reviji. (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="Počasi to počne 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 je v Bosejevem delu zbral večji pomen kot Bose sam, saj je opazil neizkoriščeno analogijo. V bistvu je Bose fotone obravnaval kot statistično odvisne, kar je pomenilo možnost interference valov. Einstein je ugotovil, da to ne velja le za fotone, ampak lahko velja tudi za druge delce. Pravzaprav, kot zdaj vemo, je interferenca resnična samo za delce s celimi vrednostmi spina ali tiste, ki jih je Paul Dirac dve desetletji kasneje poimenoval "bozoni". Ti so v nasprotju s "fermioni", katerih spin prihaja v lihih pol-celih vrednostih.

Kmalu po prejemu Bosejevega zapisa je Einstein napisal članek v nemškem jeziku z naslovom "Kvantna teorija idealnih plinov" (ali »Kvantna teorija monatomskega idealnega plina«). Objavljeno v Zbornik Pruske akademije znanosti januarja 1925 je opisal, kar je Einstein imenoval "daljnosežno formalno razmerje med sevanjem in plinom". Dokument je v bistvu pokazal, da pri temperaturah blizu absolutne ničle entropija sistema popolnoma izgine in vsi delci padejo v isto stanje ali celico. Znotraj vsake celice entropija molekularne porazdelitve "posredno izraža določeno hipotezo o medsebojnem vplivu molekul, ki je precej skrivnostne narave".

Coldest: kako sta pismo Einsteinu in napredek v tehnologiji laserskega hlajenja pripeljala fizike do novih kvantnih stanj snovi

Einstein je ta vpliv pripisal interferenci delcev. Napovedal je, da bodo pri nizkih temperaturah valovite značilnosti plinov, kot sta vodik in helij, postale bolj izrazite, do točke, ko bi se viskoznost hitro zmanjšala – pojav, ki se zdaj imenuje "superfluidnost". Z vztrajanjem pri obravnavanju analogije med sevanjem in plini kot natančne je Einstein nadgradil Bosejevo delo in na koncu napovedal neznano agregatno stanje.

Zahvaljujoč Einsteinovi pozornosti do Bosejevega dela je slednji prejel dveletni dopust za študij v Evropi. Bose je jeseni 1924 najprej odpotoval v Pariz, kjer je Einsteinu napisal še dve pismi. Naslednje leto je odšel v Berlin, kjer mu je končno uspelo osebno govoriti z Einsteinom v začetku leta 1926. Toda par ni nikoli uspel nadaljevati sodelovanja. Einstein je ugovarjal Bosejevi verjetnostni formuli za stanja delcev v sevalnem polju pri toplotnem ravnovesju in Bose, ki se je ukvarjal z drugimi stvarmi, se ni vrnil k temu posebnemu vprašanju. Njuna izmenjava iz junija 1924, čeprav kratka, je ostala najproduktivnejši del njunega dopisovanja.

Kako vroč je vakuum

Sčasoma, približno 70 let kasneje, je bilo to novo agregatno stanje, ki se zdaj imenuje Bose-Einsteinova kondenzacija (BEC). eksperimentalno dokazano v dveh laboratorijih v ZDA leta 1995. Tudi to je bil rezultat dolgega niza razvoja, kajti leta 1924 je bil BEC le mejni primer kvantnih plinov, za katerega se je menilo, da postane mogoč le blizu absolutne ničle. Zdelo se je nedosegljivo; celo neobdelani vakuum je prevroč za BEC.

Prelomnica je bila iznajdba leta 1975 lasersko hlajenje. Z nastavitvijo frekvence laserske svetlobe tik pod frekvenco ciljnih atomov bi lahko fiziki izstrelili fotone na atome, ki se premikajo v nasprotni smeri. Zahvaljujoč Dopplerjevemu učinku je bilo mogoče atome nato pretentati, da absorbirajo fotone, medtem ko jih potiskajo v nasprotni smeri laserja, kar zmanjša njihovo hitrost in povzroči, da se ohladijo.

<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="Najbolj kul 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”>

Leto kasneje je skupina fizikov pokazala, da je mogoče izotope vodika ohladiti, da bi posnemali BEC. Leta 1989 sta se Cornell in Wieman odločila za atome rubidija, ker bi se združevali hitreje kot vodik. Včasih imenovani "super atomi", se BEC pojavi, ko se valovni paketi posameznih delcev prekrivajo in pri nizkih temperaturah postanejo popolnoma nerazločljivi.

Wieman in Cornell sta opisala BEC kot "kvantno krizo identitete", ki se zgodi, ko se atomi združijo v najnižjem možnem stanju sistema. Skrivnost ustvarjanja ogromnega valovnega paketa je v tem, da nam BEC daje okno, v katerem lahko opazujemo kvantno vedenje na makroskopski ravni.

Kritična točka

"Korespondenca med Bosejem in Einsteinom," je zapisal Banerjee Nastanek sodobne fizike v kolonialni Indiji, "je poseben trenutek v zgodovini znanosti". Bose ni prišel nenadoma, da bi prispeval delček v rastočo sestavljanko. Banerjee trdi, da je bil Bose zaradi svojega dela daleč od Evrope v kolonizirani deželi edinstveno pripravljen omogočiti spremembo zahodnega razmišljanja o kvantni teoriji.

Bosejevo delo ni bilo prvič, da so nezahodni znanstveniki prispevali ključna spoznanja evropski znanosti. Toda njegovo sodelovanje z Einsteinom ponazarja globljo točko – namreč, kako lahko regionalne razlike dajejo različne občutke o tem, kaj je pomembno in kaj ne. Kot pravi Banerjee, Bosejev prispevek ponazarja »lokalno zakoreninjen kozmopolitizem« znanosti.

Raznolikost v pogledih na svet, ne kulturna skladnost, ima največjo obljubo za napredek v fiziki.

Robert P Crease  (kliknite spodnjo povezavo za celotno biografijo) je predsednik oddelka za filozofijo Univerze Stony Brook v ZDA, kjer Gino Elia je doktorski študent

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/