När Bose skrev till Einstein: kraften i mångsidigt tänkande – 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 söt 1924 skrev Satyendra Nath Bose (vänster) till Albert Einstein (höger) och sa att han hade utvecklat en mer tillfredsställande härledning av Plancks lag. Den resulterande korrespondensen, som var kort men djup, ledde till förutsägelsen om vad vi nu kallar Bose–Einstein-kondensering. (Vänster: Falguni Sarkar, med tillstånd från AIP Emilio Segrè Visual Archives. Höger: AIP Emilio Segrè Visual Archives, WF Meggers Gallery of Nobel Laureates Collection)” title=”Klicka för att öppna bild 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 fick Albert Einstein ett brev skrivet av en professor i Indien. Författaren medgav att han var en "fullständig främling" men sa att han skickade Einstein en medföljande artikel för denna "genomläsning och åsikt". Bara fem sidor lång, påstods artikeln ta upp en brist i kvantteorin som Einstein hade kämpat utan framgång med i flera år.

Einstein, som då var vid universitetet i Berlin, insåg omedelbart att författaren – Satyendra Nath Bose – hade löst problemet som hade besegrat honom. Det gällde en fullt tillfredsställande härledning av Plancks lag, som beskriver spektrumet av strålning från en svart kropp. Lagen härleddes först av Max Planck 1900 och visade att strålningen inte stiger till oändligheten vid allt kortare våglängder som klassisk fysik antyder, utan istället toppar innan den faller tillbaka.

Einstein utvecklade snabbt Boses synsätt ytterligare i sitt eget arbete och som ett resultat av deras samarbete förutspådde paret förekomsten av ett nytt fenomen, kallat "Bose-Einstein kondensation". Förväntat inträffa vid mycket låga temperaturer, skulle det involvera alla partiklar i ett system som upptar samma lägsta kvanttillstånd. Detta nya kollektiva tillstånd av materia upptäcktes experimentellt för första gången 1995, vilket ledde till att Eric Cornell, Wolfgang Ketterle och Carl Wieman vann Nobelpriset i fysik sex år senare.

Bose–Einstein-utbytet kan ha varit kort, men det är en av de stora överensstämmelserna i fysikens historia. Skriver i 2020 års bok Tillverkningen av modern fysik i koloniala Indien, historikern och vetenskapsfilosofen Somaditya Banerjee, som nu är vid Austin Peay State University i Clarksville, Tennessee, säger att deras samarbete illustrerade den växande betydelsen av internationella gemensamma ansträngningar inom vetenskap. Eller, som Banerjee uttrycker det, deras arbete avslöjade "kvantets transnationella natur".

Marginaliserad inspiration

Bose växte upp politiskt och vetenskapligt marginaliserad. Han föddes den 1 januari 1894 i Kolkata (då Calcutta) i den indiska delstaten Bengalen, som var under brittisk ockupation, till en familj som var en del av en kulturell och utbildningsrörelse som kallas “Bengal renässans”. Dess medlemmar hade ett ambivalent förhållande till den europeiska kulturen, dels avvisade och dels omfamnade den.

Bose och Saha kände sig alienerade från och antagonistiska mot de brittiska kolonisatörerna och ville inte tjäna dem genom att bidra till fält med möjliga praktiska tillämpningar

År 1895, när Bose var 11 år, delade de brittiska ockupanterna – oroade över växande upproriskhet i Bengalen – staten i två delar. En del av anledningen till att Bose gick in i den akademiska världen, enligt Banerjee, kan ha varit en nationalistisk strävan att undvika att bli inkallad till den koloniala byråkratin, vilket var ödet för många medelklassbengaleser.

Bose deltog istället Ordförandeskolan med sin vän (och framtida astrofysiker) Meghnad Saha, som hade blivit utstött från sin skola för sitt engagemang i "Swadeshi-rörelsen". För att stävja användningen av utländska varor och istället förlita sig på inhemska produkter, var rörelsen en del av strävan efter indisk självständighet och stod emot den föreslagna uppdelningen av Bengalen.

Både och Saha kände sig främmande från och antagonistiska mot de brittiska kolonisatörerna, och ville – liksom många av deras kamrater – inte tjäna dem genom att bidra till områden med möjliga praktiska tillämpningar, såsom kemi eller tillämpad fysik. Paret lockades istället av matematik och teoretisk fysik – och i synnerhet av den nymodiga kvantteorin som Tyska fysiker var banbrytande.

Enligt Banerjee såg Bose sitt arbete som "en intellektuell flykt från maktförhållandenas orättvisor och asymmetrier" i det ockuperade Bengalen. "Det är alltså ingen tillfällighet", skriver han, "att de framväxande indiska fysikerna särskilt utmärkte sig inom kvantfysik." Som ett resultat av deras förtrogenhet med tyskt arbete, var Bose och Saha starkt påverkade av fotonteorin, vilket innebar diskontinuiteter i ljus. Brittiska fysiker, däremot, var mer imponerade av ljusets kontinuerliga natur som dikterades av Maxwells ekvationer.

Bose och Saha fortsatte båda med att bli fysikinstruktörer vid University of Calcutta. Men på grund av Bengalens isolering och effekterna av första världskriget hade de svårt att följa den senaste utvecklingen i Europa. En av de få tidskrifter som regelbundet fanns tillgänglig i ordförandeskapets bibliotek var Filosofisk tidskrift, där Bose och Saha läste en av Niels Bohrs framstående artiklar om atomstruktur, publicerad 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="Stora sinnen Bose och Saha med andra forskare vid University of Calcutta: sittande (V till R): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Stående (L till R): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, NR Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, NC Nag. (Med tillstånd: Wikimedia Commons)” title=”Klicka för att öppna bild 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 hade de också turen att bli vänner Paul Johannes Brühl, en gästande botaniker från Tyskland, som hade tagit med sig böcker och tidskrifter om termodynamik, kvantteori, relativitet och andra populära fysikämnen. 1919, efter att Einstein blivit berömmelse efter den uppenbara bekräftelsen av den allmänna relativitetsteorien, lyckades Bose och Saha få kopior av de grundläggande dokumenten på tyska och franska. Bose var flytande i båda språken, såväl som engelska, så han och Saha översatte och publicerade tidningarna i bokform som Relativitetsprincipen (Universitetet i Calcutta, 1920). Det var den första engelskspråkiga samlingen av artiklar om ämnet från Einstein och andra.

Sedan, 1921, tilldelades Bose en professur vid det nyligen inrättade Dacca (nu Dhaka) universitet och ansvarade för att utveckla sin fysikavdelning. Två år senare, ganska plötsligt, avslutade kraftiga budgetnedskärningar planen på att utöka avdelningen, och Bose fick till och med kämpa för att behålla sitt jobb. 1923 befann sig Bose därför i ett olöst professionellt tillstånd, vid en stressig politisk tid i ett ockuperat land.

Einstein-kopplingen

Trots sina problem fortsatte 30-åringen att forska. Senare samma år funderade han på ett oroande faktum: härledningen av Plancks lag var logiskt osunda eftersom den blandade klassiska och kvantbegrepp. Bose bestämde sig för att ignorera klassisk teori och härleda lagen istället genom att överväga rörelserna hos en gas av diskreta fotoner. Han redogjorde för sina tankar hösten 1923 i sin numera framstående tidning med titeln ”Plancks lag och ljuskvanthypotesen”, en version som han inom kort skulle skicka Einstein.

Plancks lag, började tidningen, är utgångspunkten för kvantteorin. Men en avgörande formel för att härleda den bygger på ett klassiskt antagande om tillgängliga frihetsgrader. "Detta är en otillfredsställande funktion i alla härledningar," skrev Bose. Samtidigt som Bose medgav att Einsteins eget försök att härleda lagen fri från klassiska antaganden var "anmärkningsvärt elegant", ansåg Bose att det inte var "tillräckligt motiverat ur en logisk synvinkel".

<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="Hur allt började När Satyendra Nath Boses härledning av Plancks lag avvisades för publicering 1924, skickade han ett brev direkt till Albert Einstein och bad om hans hjälp. Einstein insåg omedelbart vikten av vad Bose hade gjort och ordnade så att det publicerades i Zeitschrift für Physik. (Med tillstånd: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Gift of Kameshwar Wali och Etienne Eisenmann)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/när -bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-2.jpg”>

Bose fortsatte djärvt: "I det följande ska jag kort skissa metoden." Tre sidor med rigorösa härledningar följer, som kulminerar i en ekvation som beskriver fördelningen av energi i strålningen från en svart kropp. Denna ekvation, förklarade Bose, var "samma som Plancks formel".

I en färsk tidning om arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), säger fysikern Partha Ghose, som var en av Boses sista doktorander, att Boses metod antydde – men var inte explicit om – att dessa individuella fotoner inte kunde särskiljas. Bose definierade istället en volym för fotoner som ett utrymme som består av tillstånd – som han kallade celler – med det totala antalet celler lika med antalet sätt som fotonerna kan ordnas på. Eftersom fotonernas gas har en fast densitet, producerar omarrangering av enskilda fotoner inte nya celler, vilket innebär att fotonerna själva inte kan skiljas åt; du kan inte "tagga" dem för att följa dem runt.

Bose skickade tidningen till Filosofisk tidskrift – som han visste var tillgänglig för indiska fysiker – runt början av 1924, men aldrig hört av sig. Besviken, men övertygad om dess sundhet, skickade han den, eller en något reviderad version, till Einstein, som fick den den 4 juni 1924.

"Ett viktigt steg framåt"

Einstein var förberedd. Han kände till inkonsekvensen i att använda ett klassiskt antagande för att härleda en kvantlag och hade redan gjort flera misslyckade försök att ta bort den. Boses härledning var sund, insåg Einstein.

Einstein fick mer betydelse i Boses arbete än Bose själv, för han upptäckte en outnyttjad analogi

Den 2 juli samma år svarade Einstein med ett handskrivet vykort till Bose och kallade tidningen "ett viktigt steg framåt". Einstein översatte sedan tidningen själv och skickade den till Zeitschrift für Physik. Med Einsteins godkännande accepterades Boses papper, och den publicerades vederbörligen i tidskriften i augusti 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="Sakta gör det Einstein reagerade på brevet Bose skickade till honom 1924 genom att skicka ett vykort till honom. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Klicka för att öppna bilden 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 fick mer betydelse i Boses arbete än Bose själv, för han upptäckte en outnyttjad analogi. Bose hade i huvudsak behandlat fotonerna som statistiskt beroende, vilket antydde möjligheten för våginterferens. Vad Einstein insåg var att detta inte bara behövde gälla fotoner utan kunde gälla andra partiklar också. I själva verket, som vi nu vet, är interferens endast sant för partiklar med heltalsvärden för spinn, eller vad Paul Dirac, två decennier senare, kallade "bosoner". Dessa kontrasterar med "fermioner", vars spin kommer i udda halvheltalsvärden.

Kort efter att ha mottagit Boses anteckning skrev Einstein en tyskspråkig artikel med titeln "Quantentheorie des einatomigen idealen gases" (eller "Quantum theory of the monatomic ideal gas"). Publicerad i Proceedings of the preussian Academy of Sciences i januari 1925 beskrev den vad Einstein kallade "ett långtgående formellt förhållande mellan strålning och gas". Uppsatsen visade i huvudsak att vid temperaturer nära absolut noll, försvinner entropin i ett system helt och hållet, och alla partiklar faller till samma tillstånd eller cell. Inom varje cell uttrycker entropin av molekylfördelningen "indirekt en viss hypotes om en ömsesidig påverkan av molekylerna som är av en ganska mystisk natur".

Kallast: hur ett brev till Einstein och framsteg inom laserkylningsteknik ledde fysiker till nya kvanttillstånd av materia

Einstein tillskrev detta inflytande till interferensen av partiklar. Vid låga temperaturer, förutspådde han, skulle de vågliknande egenskaperna hos gaser som väte och helium bli mer uttalade, till en punkt där viskositeten snabbt skulle minska - ett fenomen som nu kallas "superfluiditet". Genom att insistera på att behandla analogin mellan strålning och gaser som exakt, hade Einstein byggt vidare på Boses arbete för att sluta förutsäga ett okänt tillstånd av materia.

Tack vare Einsteins uppmärksamhet på Boses arbete fick den senare ett tvåårigt sabbatsår för att studera i Europa. Bose reste först till Paris hösten 1924, där han skrev ytterligare två brev till Einstein. Året därpå åkte han till Berlin där han äntligen kunde att prata med Einstein personligen i början av 1926. Men paret kom aldrig att samarbeta ytterligare. Einstein motsatte sig Boses sannolikhetsformel för partiklarnas tillstånd i ett strålningsfält vid termisk jämvikt, och Bose, involverad i andra saker, återvände inte till just denna fråga. Deras utbyte i juni 1924, hur kort som helst, förblev den mest produktiva delen av deras korrespondens.

Hur varmt vakuumet

Så småningom, cirka 70 år senare, var detta nya tillstånd av materia, nu kallat Bose–Einstein-kondensering (BEC), experimentellt visat vid två laboratorier i USA 1995. Det var också resultatet av en lång rad utvecklingar, för 1924 var BEC bara ett gränsfall för kvantgaser, som ansågs bli möjligt endast nära den absoluta nollpunkten. Det verkade oåtkomligt; även råvakuum är för varmt för BEC.

En vändpunkt var uppfinningen, 1975, av laserkylning. Genom att ställa in laserljusets frekvens strax under målatomernas frekvens kunde fysiker avfyra fotoner mot atomer som rör sig i motsatt riktning. Tack vare Dopplereffekten kunde atomerna sedan luras att absorbera fotonerna samtidigt som de tryckte dem i motsatt riktning mot lasern, minskade deras hastighet och fick dem att svalna.

<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 coolaste resultatet I denna nu ikoniska serie bilder tagna sommaren 1995, kommer ett Bose–Einstein-kondensat fram från ett moln av kalla rubidiumatomer i Eric Cornells och Carl Wiemans laboratorium. "Piken" i tätheten av atomer i mitten av molnet är ett tecken på att många atomer där upptar samma kvanttillstånd - signaturen för Bose-Einstein-kondensationen. (Med tillstånd: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -einstein-kraften-i-mångfaldig-tänkande-fysik-världen-5.jpg”>

Ett år senare visade en grupp fysiker att isotoper av väte kunde kylas för att replikera BEC. 1989 slog Cornell och Wieman sig på rubidiumatomer eftersom de skulle gruppera sig snabbare än väte. Ibland kallad "superatomer" uppstår BEC när vågpaketen av enskilda partiklar överlappar varandra och blir helt oskiljbara vid låga temperaturer.

Wieman och Cornell beskrev BEC som en "kvantidentitetskris" som inträffar när atomerna klumpar ihop sig i systemets lägsta möjliga tillstånd. Intrigen med att skapa ett gigantiskt vågpaket är att BEC ger oss ett fönster för att bevittna kvantbeteenden på en makroskopisk nivå.

Den kritiska punkten

"Korrespondensen mellan Bose och Einstein," skrev Banerjee i Tillverkningen av modern fysik i koloniala Indien, "är ett speciellt ögonblick i vetenskapens historia". Bose kom inte från det klara för att bidra med en bit till ett växande pussel. I kraft av sitt arbete långt från Europa i ett koloniserat land, hävdar Banerjee, var Bose unikt redo att underlätta förändring i västerländskt tänkande om kvantteori.

Boses arbete var inte första gången som icke-västerländska forskare hade bidragit med viktiga insikter till europeisk vetenskap. Men hans samarbete med Einstein illustrerar en djupare poäng – nämligen hur regionala skillnader kan ge olika uppfattningar om vad som är viktigt och vad som inte är det. Som Banerjee uttrycker det illustrerar Boses bidrag vetenskapens "lokalt förankrade kosmopolitism".

Mångfald i världsåskådningar, inte kulturell konformitet, har det mest kraftfulla löftet om framsteg inom fysiken.

Robert P Crease  (klicka på länken nedan för fullständig bio) är ordförande för Institutionen för filosofi, Stony Brook University, USA, där Gino Elia är doktorand

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/