Коли Бозе писав Ейнштейну: сила різноманітного мислення – світ фізики

<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, але мило 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”>

Одного разу в червні 1924 року Альберт Ейнштейн отримав листа, написаного професором з Індії. Автор визнав, що він «зовсім незнайомець», але сказав, що надсилає Ейнштейну супровідну статтю для «прочитання та думки». Всього п’ять сторінок статті стверджували, що вона вирішує недолік у квантовій теорії, з яким Ейнштейн безуспішно боровся кілька років.

Ейнштейн, який тоді навчався в Берлінському університеті, одразу зрозумів, що автор – Сатьєндра Нат Бозе – вирішив проблему, яка його перемогла. Це стосувалося цілком задовільного виведення Закон Планка, що описує спектр випромінювання чорного тіла. Закон, вперше отриманий Максом Планком у 1900 році, показав, що випромінювання не зростає до нескінченності на все коротших хвилях, як припускає класична фізика, а натомість досягає піку, перш ніж падати назад.

Ейнштейн швидко розвинув підхід Бозе у своїй власній роботі, і в результаті їхньої співпраці пара передбачила існування нового феномена, який отримав назву «Конденсація Бозе-Ейнштейна». Передбачається, що це відбудеться при дуже низьких температурах, і всі частинки в системі займатимуть однаковий найнижчий квантовий стан. Цей новий колективний стан матерії було вперше експериментально виявлено в 1995 році, що призвело до перемоги Еріка Корнелла, Вольфганга Кеттерле та Карла Вімана. Нобелівська премія з фізики через шість років.

Обмін Бозе-Ейнштейном, можливо, був коротким, але це одне з найбільших листувань в історії фізики. Запис у книзі 2020 року Становлення сучасної фізики в колоніальній Індії, історик і філософ науки Сомадітя Банерджі, який зараз працює в Державному університеті Остіна Пі в Кларксвіллі, штат Теннессі, каже, що їхня співпраця продемонструвала зростаючу важливість спільних міжнародних зусиль у науці. Або, як каже Банерджі, їхня робота виявила «транснаціональну природу кванта».

Маргінальне натхнення

Бозе виріс політично та науково маргіналізованим. Він народився 1 січня 1894 року в Калькутті (тоді Калькутта) в індійському штаті Бенгалія, який перебував під британською окупацією, в родині, яка була частиною культурно-освітнього руху під назвою «Бенгальське відродження». Її члени мали амбівалентні стосунки з європейською культурою, частково відкидаючи її, частково сприймаючи.

Бозе та Саха відчували відчуженість і ворожість до британських колонізаторів і не хотіли служити їм, роблячи внесок у галузі з можливим практичним застосуванням

У 1895 році, коли Бозу було 11 років, британські окупанти, стривожені зростанням заколоту в Бенгалії, розділили штат на дві частини. За словами Банерджі, однією з причин, чому Бозе пішов в науку, могло бути націоналістичне бажання уникнути призову в колоніальну бюрократію, що було долею багатьох бенгальців із середнього класу.

Натомість прийшов Бозе Президентський коледж зі своїм другом (і майбутнім астрофізиком) Мегнад Саха, якого виключили зі школи за участь у «руху Свадеші». Прагнучи обмежити використання іноземних товарів і замість цього покладатися на вітчизняні товари, рух був частиною поштовху до незалежності Індії та виступав проти запропонованого поділу Бенгалії.

І Саха, і Саха відчували відчуженість і ворожість до британських колонізаторів і, як і багато їхніх однолітків, не хотіли служити їм, роблячи внесок у галузі з можливим практичним застосуванням, такі як хімія чи прикладна фізика. Натомість їх привабила математика та теоретична фізика – і, зокрема, новомодна квантова теорія, яка Німецькі фізики були піонерами.

За словами Банерджі, Бозе бачив свою роботу як «інтелектуальну втечу від несправедливості та асиметрії владних відносин» в окупованій Бенгалії. «Тому невипадково, — пише він, — що індійські фізики-початківці досягли особливого успіху в квантовій фізиці». Завдяки знайомству з німецькими роботами Бозе та Саха зазнали сильного впливу фотонної теорії, яка передбачала розриви світла. Британські фізики, навпаки, були більше вражені безперервною природою світла, продиктованою рівняннями Максвелла.

Бозе і Саха обидва стали викладачами фізики в Університеті Калькутти. Але через ізоляцію Бенгалії та наслідки Першої світової війни їм було важко стежити за останніми подіями в Європі. Одне з небагатьох періодичних видань, яке регулярно було доступно в бібліотеці Президентства, було Філософський журнал, в якому Бозе і Саха читають одну з основоположних статей Нільса Бора про структуру атома, опубліковану в 1913 році. (Філ Маг. 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="Великі уми 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”>

У Калькутті їм теж пощастило подружитися Пауль Йоганнес Брюль, запрошений ботанік з Німеччини, який привіз із собою книги та журнали з термодинаміки, квантової теорії, відносності та інших популярних тем з фізики. У 1919 році, після того як Ейнштейн прославився після очевидного підтвердження загальної теорії відносності, Бозе і Саха вдалося отримати копії основних статей німецькою та французькою мовами. Бозе вільно володів обома мовами, а також англійською, тому вони з Сахою переклали та опублікували статті у формі книги як Принцип відносності (Університет Калькутти, 1920). Це був перший англомовний збірник статей на цю тему від Ейнштейна та інших.

Потім, у 1921 році, Бозе отримав звання професора в нещодавно створеному Університет Дакка (нині Дакка). і доручено розвивати свій відділ фізики. Через два роки досить раптово серйозні скорочення бюджету припинили план розширення відділу, і Бозу навіть довелося боротися, щоб зберегти свою роботу. Отже, у 1923 році Бозе опинився у невирішеному професійному стані, у напружений політичний час на окупованій території.

Зв'язок Ейнштейна

Незважаючи на свої проблеми, 30-річний хлопець продовжував проводити дослідження. Пізніше того ж року він замислився над тривожним фактом: висновок закону Планка був логічно необґрунтованим, оскільки він змішував класичні та квантові концепції. Бозе вирішив знехтувати класичною теорією і замість цього вивести закон, розглядаючи рухи газу дискретних фотонів. Він виклав свої думки восени 1923 року у своїй тепер уже основоположній статті під назвою «Закон Планка і світлоквантова гіпотеза», версію якої він незабаром надіслав Ейнштейну.

Закон Планка, як починалася стаття, є відправною точкою для квантової теорії. Але одна важлива формула при її виведенні спирається на класичне припущення про доступні ступені свободи. «Це незадовільна функція в усіх похідних версіях», — написав Боуз. Визнаючи, що власна спроба Ейнштейна вивести закон, вільний від класичних припущень, була «надзвичайно елегантною», Бозе не вважав її «достатньо виправданою з логічної точки зору».

<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="Як все почалося Коли в 1924 році Сатьєндра Нат Бозе, який розробив закон Планка, був відхилений у публікації, він надіслав листа безпосередньо Альберту Ейнштейну з проханням про допомогу. Ейнштейн відразу зрозумів важливість того, що зробив Бозе, і влаштував його публікацію 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”>

Бозе сміливо продовжив: «Далі я коротко опишу метод». Далі три сторінки строгих виведень, кульмінацією яких є рівняння, що описує розподіл енергії у випромінюванні чорного тіла. Це рівняння, за словами Бозе, було «те саме, що формула Планка».

У недавній статті про ArXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), фізик Партха Ґоуз, який був одним із останніх аспірантів Бозе, каже, що метод Бозе натякав на нерозрізнення цих окремих фотонів, але не був чітким. Натомість Бозе визначив об’єм для фотонів як простір, що складається із станів, які він назвав клітинами, причому загальна кількість комірок дорівнює числу способів, у які фотони можуть бути організовані. Оскільки газ фотонів має фіксовану щільність, перегрупування окремих фотонів не створює нових клітин, тобто самі фотони неможливо розрізнити; ви не можете «позначити» їх, щоб стежити за ними.

Бозе надіслав газету Філософський журнал – який, як він знав, був доступний індійським фізикам – приблизно на початку 1924 року, але так і не отримав відповіді. Розчарований, але переконаний у його правильності, він надіслав його або трохи перероблену версію Ейнштейну, який отримав його 4 червня 1924 року.

«Важливий крок вперед»

Ейнштейн був підготовлений. Він знав непослідовність використання класичного припущення для виведення квантового закону і вже зробив кілька невдалих спроб його усунути. Ейнштейн зрозумів, що виведення Бозе було правильним.

Ейнштейн почерпнув більше значення в роботах Бозе, ніж сам Бозе, оскільки він помітив невикористану аналогію

2 липня того ж року Ейнштейн відповів Бозе листівкою, написаною від руки, назвавши статтю «важливим кроком вперед». Потім Ейнштейн сам переклав документ і надіслав його Zeitschrift für Physik. Зі схваленням Ейнштейна стаття Бозе була прийнята, і вона була належним чином опублікована в журналі в серпні 1924 року. (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="Повільно робить це 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”>

Ейнштейн почерпнув більше значення в роботі Бозе, ніж сам Бозе, оскільки він помітив невикористану аналогію. По суті, Бозе вважав фотони статистично залежними, маючи на увазі можливість інтерференції хвиль. Ейнштейн зрозумів, що це стосується не тільки фотонів, але й інших частинок. Насправді, як ми тепер знаємо, інтерференція є вірною лише для частинок із цілочисельним значенням спіну, або того, що Поль Дірак через два десятиліття назвав «бозонами». Вони відрізняються від «ферміонів», спін яких має непарні напівцілі значення.

Незабаром після отримання записки Бозе Ейнштейн написав німецькомовну статтю під назвою “Квантна теорія ідеальних атомних газів” (або «Квантова теорія одноатомного ідеального газу»). Опубліковано в Праці Прусської академії наук у січні 1925 року він описав те, що Ейнштейн назвав «далекосяжним формальним зв’язком між радіацією та газом». Стаття по суті показала, що при температурах, близьких до абсолютного нуля, ентропія системи зникає взагалі, і всі частинки падають до того самого стану або клітини. У кожній клітині ентропія молекулярного розподілу «побічно виражає певну гіпотезу щодо взаємного впливу молекул, який має досить загадкову природу».

Coldest: як лист до Ейнштейна та прогрес у технології лазерного охолодження привели фізиків до нових квантових станів матерії

Ейнштейн пояснював цей вплив інтерференцією частинок. Він передбачив, що при низьких температурах хвилеподібні характеристики газів, таких як водень і гелій, стануть більш вираженими, аж до точки, коли в’язкість швидко зменшиться – явище, яке зараз називається «надтекучістю». Наполягаючи на розгляді аналогії між випромінюванням і газами як точної, Ейнштейн спирався на роботу Бозе, щоб у підсумку передбачити невідомий стан матерії.

Завдяки увазі Ейнштейна до роботи Бозе, останній отримав дворічну відпустку для навчання в Європі. Восени 1924 року Бозе спочатку поїхав до Парижа, де написав Ейнштейну ще два листи. Наступного року він поїхав до Берліна, де нарешті зміг поговорити з Ейнштейном особисто на початку 1926 року. Але пара так і не дійшла до подальшої співпраці. Ейнштейн заперечував проти ймовірнісної формули Бозе для станів частинок у полі випромінювання в стані теплової рівноваги, і Бозе, залучений іншими речами, не повертався до цього конкретного питання. Їхня розмова в червні 1924 року, хоч і коротка, залишилася найпродуктивнішою частиною їхнього листування.

Як гарячий вакуум

Зрештою, приблизно через 70 років, цей новий стан матерії, який тепер називається конденсацією Бозе-Ейнштейна (БЕК), був експериментально продемонстровано у двох лабораторіях у США в 1995 році. Це також було результатом довгої серії розробок, оскільки в 1924 році BEC був лише граничним випадком квантових газів, які вважалися можливими лише поблизу абсолютного нуля. Воно здавалося недосяжним; навіть сирий вакуум занадто гарячий для BEC.

Поворотним моментом став винахід у 1975 році лазерне охолодження. Налаштувавши частоту лазерного світла трохи нижче частоти цільових атомів, фізики могли б випустити фотони на атоми, що рухаються в протилежному напрямку. Завдяки ефекту Доплера атоми можна було обманом змусити поглинути фотони, одночасно штовхаючи їх у протилежному напрямку лазера, зменшуючи їхню швидкість і змушуючи їх охолоджуватися.

<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="Найкрутіший результат 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”>

Через рік група фізиків показала, що ізотопи водню можна охолодити, щоб відтворити BEC. У 1989 році Корнелл і Віман зупинилися на атомах рубідію, тому що вони групувалися швидше, ніж водень. BEC, який іноді називають «суператомами», виникає, коли хвильові пакети окремих частинок перекриваються і стають повністю нерозрізненими при низьких температурах.

Віман і Корнелл описали BEC як «квантову кризу ідентичності», яка виникає, коли атоми злипаються разом у найнижчому можливому стані системи. Інтрига створення гігантського хвильового пакету полягає в тому, що BEC дає нам вікно, щоб спостерігати за квантовою поведінкою на макроскопічному рівні.

Критична точка

«Листування між Бозем і Ейнштейном», — написав Банерджі Становлення сучасної фізики в колоніальній Індії, «є особливим моментом в історії науки». Бозе не прийшов зненацька, щоб зробити свій внесок у головоломку, що зростає. Завдяки тому, що він працював далеко від Європи в колонізованій країні, стверджує Банерджі, Бозе мав унікальну готовність сприяти зміні західного мислення щодо квантової теорії.

Робота Бозе не була першим випадком, коли незахідні вчені внесли ключові ідеї в європейську науку. Але його співпраця з Ейнштейном ілюструє глибшу річ, а саме те, як регіональні відмінності можуть по-різному сприймати те, що важливо, а що ні. За словами Банерджі, внесок Бозе ілюструє «локально вкорінений космополітизм» науки.

Різноманітність світоглядів, а не культурна відповідність, є найпотужнішою перспективою прогресу у фізиці.

Роберт П. Кріз  (клацніть посилання нижче, щоб переглянути повну біографію) є завідувачем кафедри філософії Університету Стоуні Брук, США, де Джино Елія є докторантом

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/