Khi Bose viết cho Einstein: sức mạnh của tư duy đa dạng – 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="Ngắn nhưng ngọt ngào Năm 1924 Satyendra Nath Bose (trái) viết cho Albert Einstein (phải) nói rằng ông đã phát triển một cách dẫn xuất thỏa đáng hơn của định luật Planck. Sự tương ứng thu được, tuy ngắn gọn nhưng sâu sắc, đã đưa đến dự đoán về cái mà ngày nay chúng ta gọi là sự ngưng tụ Bose–Einstein. (Trái: Falguni Sarkar, AIP Emilio Segrè Visual Archives. Phải: AIP Emilio Segrè Visual Archives, WF Meggers Gallery of Nobel Laureates Collection)” title=”Nhấp để mở hình ảnh trong cửa sổ bật lên” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physical-world.jpg”>

Một ngày tháng 1924 năm XNUMX, Albert Einstein nhận được một lá thư do một giáo sư ở Ấn Độ viết. Tác giả thừa nhận ông là một “người hoàn toàn xa lạ” nhưng cho biết ông sẽ gửi cho Einstein một bài báo kèm theo để “nghiên cứu và đưa ra ý kiến” này. Chỉ dài năm trang, bài báo tuyên bố đã giải quyết được một lỗ hổng trong lý thuyết lượng tử mà Einstein đã nỗ lực không thành công trong nhiều năm.

Einstein, lúc đó đang học tại Đại học Berlin, ngay lập tức nhận ra rằng tác giả – Satyendra Nath Bose – đã giải quyết được vấn đề đã đánh bại anh ta. Nó liên quan đến một dẫn xuất hoàn toàn thỏa đáng của định luật Planck, mô tả quang phổ bức xạ từ vật đen. Được Max Planck đưa ra lần đầu tiên vào năm 1900, định luật chứng tỏ rằng bức xạ không tăng đến vô cùng ở những bước sóng ngày càng ngắn hơn như vật lý cổ điển đề xuất, mà thay vào đó đạt đến đỉnh điểm trước khi rơi trở lại.

Einstein nhanh chóng phát triển thêm phương pháp của Bose trong nghiên cứu của mình và nhờ sự hợp tác của họ, cặp đôi này đã dự đoán được sự tồn tại của một hiện tượng mới, được đặt tên là “Ngưng tụ Bose–Einstein”. Dự đoán sẽ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp, nó sẽ liên quan đến tất cả các hạt trong một hệ chiếm cùng trạng thái lượng tử thấp nhất. Trạng thái tập thể mới này của vật chất được phát hiện bằng thực nghiệm lần đầu tiên vào năm 1995, dẫn đến việc Eric Cornell, Wolfgang Ketterle và Carl Wieman giành được giải thưởng Giải Nobel Vật lý sáu năm sau.

Cuộc trao đổi Bose-Einstein có thể diễn ra ngắn gọn nhưng nó là một trong những cuộc trao đổi thư từ lớn nhất trong lịch sử vật lý học. Viết trong cuốn sách năm 2020 Sự hình thành vật lý hiện đại ở Ấn Độ thuộc địa, nhà sử học và triết gia khoa học Somaditya Banerjee, hiện đang làm việc tại Đại học bang Austin Peay ở Clarksville, Tennessee, cho biết sự hợp tác của họ minh họa tầm quan trọng ngày càng tăng của những nỗ lực chung quốc tế trong khoa học. Hoặc, như Banerjee đã nói, công trình của họ đã tiết lộ “bản chất xuyên quốc gia của lượng tử”.

Cảm hứng bị gạt ra ngoài lề

Bose lớn lên bị gạt ra ngoài lề chính trị và khoa học. Ông sinh ngày 1 tháng 1894 năm XNUMX tại Kolkata (lúc đó là Calcutta) thuộc bang Bengal của Ấn Độ, nơi nằm dưới sự chiếm đóng của Anh, trong một gia đình tham gia phong trào văn hóa và giáo dục được gọi là phong trào văn hóa và giáo dục. “Sự phục hưng của người Bengal”. Các thành viên của nó có mối quan hệ trái chiều với văn hóa châu Âu, một phần từ chối và một phần đón nhận nó.

Bose và Saha cảm thấy xa lánh và đối kháng với thực dân Anh, đồng thời không muốn phục vụ họ bằng cách đóng góp cho các lĩnh vực có khả năng ứng dụng thực tế.

Năm 1895, khi Bose 11 tuổi, quân chiếm đóng của Anh – cảnh giác trước tình trạng nổi loạn ngày càng gia tăng ở Bengal – đã chia bang này thành hai. Theo Banerjee, một phần lý do Bose theo đuổi con đường học thuật có thể là do sự thôi thúc của chủ nghĩa dân tộc nhằm tránh bị bắt vào bộ máy quan liêu thuộc địa, vốn là số phận của nhiều người Bengal thuộc tầng lớp trung lưu.

Thay vào đó Bose đã tham dự Trường cao đẳng tổng thống với bạn của anh ấy (và nhà vật lý thiên văn tương lai) Meghnad Saha, người đã bị đuổi học vì tham gia vào "phong trào Swadeshi". Nhằm tìm cách hạn chế việc sử dụng hàng hóa nước ngoài và thay vào đó dựa vào các sản phẩm trong nước, phong trào này là một phần trong nỗ lực thúc đẩy nền độc lập của Ấn Độ và phản đối đề xuất phân chia Bengal.

Cả hai và Saha đều cảm thấy xa lạ và đối kháng với những người thực dân Anh, và – giống như nhiều đồng nghiệp của họ – không muốn phục vụ họ bằng cách đóng góp cho những lĩnh vực có khả năng ứng dụng thực tế, chẳng hạn như hóa học hoặc vật lý ứng dụng. Thay vào đó, cặp đôi này bị thu hút bởi toán học và vật lý lý thuyết – và đặc biệt là lý thuyết lượng tử mới mẻ. Các nhà vật lý người Đức đã đi tiên phong.

Theo Banerjee, Bose coi công việc của mình là “một lối thoát trí tuệ khỏi sự bất bình đẳng và bất cân xứng trong các mối quan hệ quyền lực” ở vùng Bengal bị chiếm đóng. Ông viết: “Do đó không phải ngẫu nhiên mà các nhà vật lý Ấn Độ mới nổi đặc biệt xuất sắc trong lĩnh vực vật lý lượng tử”. Do quen thuộc với công trình của Đức, Bose và Saha bị ảnh hưởng nhiều bởi lý thuyết photon, lý thuyết ngụ ý về sự gián đoạn của ánh sáng. Ngược lại, các nhà vật lý người Anh lại ấn tượng hơn trước tính chất liên tục của ánh sáng do các phương trình Maxwell quy định.

Bose và Saha đều tiếp tục trở thành giảng viên vật lý tại Đại học Calcutta. Nhưng do sự cô lập của Bengal và ảnh hưởng của Chiến tranh thế giới thứ nhất, họ khó theo dõi những diễn biến gần đây nhất ở châu Âu. Một trong số ít tạp chí định kỳ thường xuyên có trong thư viện của Tổng thống là Tạp chí triết học, trong đó Bose và Saha đọc một trong những bài báo chuyên đề của Niels Bohr về cấu trúc nguyên tử, xuất bản năm 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="Ý nghĩ tuyệt vời Bose và Saha cùng các nhà khoa học khác tại Đại học Calcutta: ngồi (từ trái sang phải): Meghnad Saha, Jagadish Chandra Bose, Jnan Chandra Ghosh. Đứng (từ trái sang phải): Snehamoy Dutt, Satyendra Nath Bose, Debendra Mohan Bose, NR Sen, Jnanendra Nath Mukherjee, NC Nag. (Được phép: Wikimedia Commons)” title=”Nhấp để mở hình ảnh trong cửa sổ bật lên” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- sức mạnh của tư duy đa dạng-vật lý-world-1.jpg”>

Ở Calcutta, họ cũng may mắn được kết bạn Paul Johannes Bruhl, một nhà thực vật học đến thăm từ Đức, người đã mang theo sách và tạp chí về nhiệt động lực học, lý thuyết lượng tử, thuyết tương đối và các chủ đề vật lý phổ biến khác. Năm 1919, sau khi Einstein trở nên nổi tiếng sau khi thuyết tương đối rộng được xác nhận rõ ràng, Bose và Saha đã có được bản sao của các bài báo cơ bản bằng tiếng Đức và tiếng Pháp. Bose thông thạo cả hai ngôn ngữ cũng như tiếng Anh nên ông và Saha đã dịch và xuất bản các bài báo dưới dạng sách. Nguyên lý tương đối (Đại học Calcutta, 1920). Đây là tuyển tập các bài viết bằng tiếng Anh đầu tiên về chủ đề này của Einstein và những người khác.

Sau đó, vào năm 1921, Bose được trao chức giáo sư tại trường mới thành lập. Đại học Dacca (nay là Dhaka) và chịu trách nhiệm phát triển bộ phận vật lý của mình. Hai năm sau, khá bất ngờ, việc cắt giảm ngân sách nghiêm trọng đã chấm dứt kế hoạch mở rộng bộ phận, và Bose thậm chí còn phải đấu tranh để giữ được công việc của mình. Do đó, vào năm 1923, Bose nhận thấy mình đang ở trong tình trạng nghề nghiệp chưa được giải quyết, vào thời điểm chính trị căng thẳng ở một vùng đất bị chiếm đóng.

Kết nối Einstein

Bất chấp những vấn đề của mình, người đàn ông 30 tuổi vẫn tiếp tục thực hiện nghiên cứu. Cuối năm đó, ông suy ngẫm về một thực tế đáng lo ngại: việc rút ra định luật Planck không có căn cứ về mặt logic vì nó trộn lẫn các khái niệm cổ điển và lượng tử. Bose quyết định bỏ qua lý thuyết cổ điển và thay vào đó rút ra định luật bằng cách xem xét chuyển động của một chất khí gồm các photon rời rạc. Ông đã phác thảo những suy nghĩ của mình vào mùa thu năm 1923 trong bài báo có tựa đề bây giờ là rất nổi tiếng của ông. “Định luật Planck và giả thuyết lượng tử ánh sáng”, một phiên bản mà ông sẽ sớm gửi cho Einstein.

Bài báo mở đầu bằng định luật Planck, là điểm khởi đầu cho lý thuyết lượng tử. Nhưng một công thức quan trọng để suy ra nó dựa trên một giả định cổ điển về mức độ tự do sẵn có. Bose viết: “Đây là một tính năng không đạt yêu cầu trong tất cả các phiên bản phái sinh. Trong khi thừa nhận rằng nỗ lực của Einstein nhằm rút ra định luật thoát khỏi các giả định cổ điển là “rất tao nhã”, Bose không cảm thấy nó “đủ hợp lý xét theo quan điểm 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="Mọi việc đã bắt đầu thế nào Khi việc rút ra định luật Planck của Satyendra Nath Bose bị từ chối xuất bản vào năm 1924, ông đã gửi một lá thư trực tiếp tới Albert Einstein để nhờ ông giúp đỡ. Einstein ngay lập tức nhận ra tầm quan trọng của những gì Bose đã làm và sắp xếp để nó được xuất bản trên tạp chí Zeitschrift für Physik. (Được phép: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Món quà của Kameshwar Wali và Etienne Eisenmann)” title=”Nhấp để mở hình ảnh trong cửa sổ bật lên” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-viết-cho-einstein-sức mạnh của tư duy đa dạng-vật lý-thế giới-2.jpg”>

Bose mạnh dạn nói tiếp: “Sau đây tôi sẽ phác thảo ngắn gọn phương pháp này.” Tiếp theo là ba trang dẫn xuất chặt chẽ, đỉnh cao là phương trình mô tả sự phân bố năng lượng trong bức xạ từ vật đen. Bose tuyên bố phương trình này “giống như công thức Planck”.

Trong một bài báo gần đây về arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), nhà vật lý Partha Ghose, một trong những nghiên cứu sinh tiến sĩ cuối cùng của Bose, nói rằng phương pháp của Bose gợi ý – nhưng không rõ ràng – về tính không thể phân biệt được của từng photon riêng lẻ đó. Thay vào đó, Bose định nghĩa thể tích của các photon là một không gian gồm các trạng thái – mà ông gọi là ô – với tổng số ô bằng số cách sắp xếp các photon. Vì khí photon có mật độ cố định nên việc sắp xếp lại từng photon không tạo ra tế bào mới, nghĩa là bản thân các photon không thể phân biệt được; bạn không thể “gắn thẻ” họ để theo dõi họ.

Bose đã gửi bài báo tới Tạp chí triết học – điều mà ông biết là đã có sẵn đối với các nhà vật lý Ấn Độ – vào khoảng đầu năm 1924, nhưng chưa bao giờ nhận được phản hồi. Thất vọng nhưng bị thuyết phục về tính đúng đắn của nó, ông đã gửi nó, hoặc một phiên bản sửa đổi một chút, cho Einstein, người đã nhận được nó vào ngày 4 tháng 1924 năm XNUMX.

“Một bước tiến quan trọng”

Einstein đã sẵn sàng. Ông biết sự mâu thuẫn của việc sử dụng một giả định cổ điển để rút ra định luật lượng tử và đã thực hiện nhiều nỗ lực không thành công để loại bỏ nó. Einstein nhận ra rằng đạo hàm của Bose là âm thanh.

Einstein thu thập được nhiều ý nghĩa trong công việc của Bose hơn chính Bose, vì ông đã phát hiện ra một sự tương tự chưa được khai thác.

Vào ngày 2 tháng XNUMX năm đó, Einstein trả lời Bose bằng một tấm bưu thiếp viết tay và gọi bài báo này là “một bước tiến quan trọng”. Einstein sau đó đã tự mình dịch bài báo và gửi cho Zeitschrift für Physik. Với sự chứng thực của Einstein, bài báo của Bose đã được chấp nhận và nó được công bố hợp lệ trên tạp chí vào tháng 1924 năm XNUMX. (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="Làm từ từ nhé Einstein phản ứng lại bức thư Bose gửi cho ông vào năm 1924 bằng cách gửi cho ông một tấm bưu thiếp. (Shutterstock/Genotar) ” title=”Nhấp để mở hình ảnh trong cửa sổ bật lên” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-đa dạng-tư duy-vật lý-thế giới-3.jpg”>

Einstein đã thu thập được nhiều ý nghĩa hơn trong công việc của Bose so với chính Bose, vì ông đã phát hiện ra một sự tương tự chưa được khai thác. Về cơ bản, Bose đã coi các photon là phụ thuộc về mặt thống kê, hàm ý rằng có khả năng xảy ra hiện tượng giao thoa sóng. Điều Einstein nhận ra là điều này không chỉ áp dụng cho các photon mà còn có thể áp dụng cho các hạt khác. Trên thực tế, như chúng ta đã biết hiện nay, sự giao thoa chỉ đúng với các hạt có spin nguyên, hay cái mà Paul Dirac, hai thập kỷ sau, gọi là “boson”. Những điều này tương phản với “fermion”, có spin có giá trị nửa số nguyên lẻ.

Ngay sau khi nhận được lời nhắn của Bose, Einstein đã viết một bài báo bằng tiếng Đức có tựa đề “Quantentheorie des einatomigen các khí lý tưởng” (hay “Thuyết lượng tử của khí lý tưởng đơn nguyên tử”). Được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Phổ vào tháng 1925 năm XNUMX, nó mô tả cái mà Einstein gọi là “mối quan hệ hình thức sâu rộng giữa bức xạ và khí”. Về cơ bản, bài báo đã chỉ ra rằng ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, entropy của một hệ biến mất hoàn toàn và tất cả các hạt đều rơi vào cùng một trạng thái hoặc tế bào. Trong mỗi tế bào, entropy của sự phân bố phân tử “gián tiếp thể hiện một giả thuyết nhất định liên quan đến ảnh hưởng lẫn nhau của các phân tử có tính chất khá bí ẩn”.

Lạnh lùng nhất: một lá thư gửi Einstein và những tiến bộ trong công nghệ làm mát bằng laser đã đưa các nhà vật lý đến những trạng thái lượng tử mới của vật chất như thế nào

Einstein cho rằng ảnh hưởng này là do sự giao thoa của các hạt. Ở nhiệt độ thấp, ông dự đoán, đặc tính dạng sóng của các chất khí như hydro và heli sẽ trở nên rõ rệt hơn, đến mức độ nhớt sẽ giảm nhanh chóng – một hiện tượng ngày nay gọi là “siêu chảy”. Bằng cách nhấn mạnh vào việc xử lý sự tương tự giữa bức xạ và chất khí một cách chính xác, Einstein đã xây dựng dựa trên công trình của Bose để đưa ra dự đoán về một trạng thái chưa biết của vật chất.

Nhờ sự quan tâm của Einstein đối với công việc của Bose, Bose đã được nghỉ phép hai năm để sang châu Âu học tập. Bose lần đầu tiên tới Paris vào mùa thu năm 1924, nơi ông viết thêm hai bức thư nữa cho Einstein. Năm sau, anh tới Berlin, nơi cuối cùng anh đã có thể nói chuyện trực tiếp với Einstein vào đầu năm 1926. Nhưng cặp đôi này không bao giờ có cơ hội hợp tác sâu hơn nữa. Einstein phản đối công thức xác suất của Bose cho trạng thái của các hạt trong trường bức xạ ở trạng thái cân bằng nhiệt, và Bose, liên quan đến những thứ khác, đã không quay lại câu hỏi cụ thể này. Cuộc trao đổi tháng 1924 năm XNUMX của họ, tuy ngắn gọn, vẫn là phần hiệu quả nhất trong thư từ của họ.

Máy hút bụi nóng thế nào

Cuối cùng, khoảng 70 năm sau, trạng thái vật chất mới này, ngày nay được gọi là sự ngưng tụ Bose–Einstein (BEC), đã được hình thành. chứng minh bằng thực nghiệm tại hai phòng thí nghiệm ở Mĩ vào năm 1995. Đó cũng là kết quả của một chuỗi dài các phát triển, vì vào năm 1924, BEC chỉ là một trường hợp giới hạn của các khí lượng tử, được xem là chỉ có thể xảy ra ở gần độ không tuyệt đối. Nó dường như không thể truy cập được; ngay cả chân không thô cũng quá nóng đối với BEC.

Một bước ngoặt là phát minh vào năm 1975 về làm mát bằng laser. Bằng cách điều chỉnh tần số của ánh sáng laser ngay dưới tần số của các nguyên tử mục tiêu, các nhà vật lý có thể chiếu các photon vào các nguyên tử đang chuyển động theo hướng ngược lại. Nhờ hiệu ứng Doppler, các nguyên tử sau đó có thể bị lừa hấp thụ các photon trong khi đẩy chúng theo hướng ngược lại với tia laser, làm giảm vận tốc của chúng và khiến chúng nguội đi.

<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="Kết quả tuyệt vời nhất Trong loạt hình ảnh mang tính biểu tượng này được chụp vào mùa hè năm 1995, một ngưng tụ Bose-Einstein xuất hiện từ một đám mây nguyên tử rubidium lạnh trong phòng thí nghiệm của Eric Cornell và Carl Wieman. “Độ tăng đột biến” về mật độ nguyên tử ở tâm đám mây là dấu hiệu cho thấy nhiều nguyên tử ở đó đang chiếm giữ cùng một trạng thái lượng tử – dấu hiệu của sự ngưng tụ Bose–Einstein. (Được phép: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”Nhấp để mở hình ảnh trong cửa sổ bật lên” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -einstein-sức mạnh của tư duy đa dạng-vật lý-thế giới-5.jpg”>

Một năm sau, một nhóm nhà vật lý cho thấy các đồng vị của hydro có thể được làm lạnh để tái tạo BEC. Năm 1989, Cornell và Wieman đã nghiên cứu các nguyên tử rubidium vì chúng sẽ nhóm lại nhanh hơn hydro. Đôi khi được gọi là “siêu nguyên tử”, BEC xảy ra khi các gói sóng của các hạt riêng lẻ chồng lên nhau và trở nên hoàn toàn không thể phân biệt được ở nhiệt độ thấp.

Wieman và Cornell mô tả BEC là một “cuộc khủng hoảng nhận dạng lượng tử” xảy ra khi các nguyên tử kết tụ lại với nhau ở trạng thái thấp nhất có thể có của hệ thống. Ý đồ của việc tạo ra một gói sóng khổng lồ là BEC cho chúng ta một cơ hội để chứng kiến ​​các hành vi lượng tử ở cấp độ vĩ mô.

Điểm quan trọng

“Thư từ giữa Bose và Einstein,” Banerjee viết trong Sự hình thành vật lý hiện đại ở Ấn Độ thuộc địa, “là một thời điểm đặc biệt trong lịch sử khoa học”. Bose không hề bất ngờ mà đóng góp một phần vào trò chơi ghép hình đang ngày càng gia tăng. Banerjee lập luận, nhờ làm việc xa châu Âu tại một vùng đất thuộc địa, Bose đã sẵn sàng độc đáo để tạo điều kiện cho sự thay đổi trong suy nghĩ của phương Tây về lý thuyết lượng tử.

Công trình của Bose không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học không thuộc phương Tây đóng góp những hiểu biết quan trọng cho khoa học châu Âu. Nhưng sự hợp tác của ông với Einstein minh họa một điểm sâu sắc hơn – đó là sự khác biệt giữa các khu vực có thể mang lại những cảm nhận khác nhau về điều gì là quan trọng và điều gì không. Như Banerjee đã nói, đóng góp của Bose minh họa cho “chủ nghĩa quốc tế có nguồn gốc địa phương” của khoa học.

Sự đa dạng trong thế giới quan, chứ không phải sự phù hợp về văn hóa, mang lại hứa hẹn mạnh mẽ nhất cho sự tiến bộ trong vật lý.

Robert P nhăn  (nhấp vào liên kết bên dưới để xem toàn bộ tiểu sử) là trưởng Khoa Triết học, Đại học Stony Brook, Hoa Kỳ, nơi Gino Elia là nghiên cứu sinh tiến sĩ

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/