当玻斯写信给爱因斯坦：多元化思维的力量 - 物理世界

<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="简短但甜美 1924 年，萨蒂延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）（左）写信给阿尔伯特·爱因斯坦（右），称他已经对普朗克定律提出了更令人满意的推导。由此产生的对应关系虽然简短但深刻，导致了我们现在所说的玻色-爱因斯坦凝聚的预测。 （左：Falguni Sarkar，AIP Emilio Segrè 视觉档案馆提供。右：AIP Emilio Segrè 视觉档案馆，WF Meggers 诺贝尔奖得主收藏画廊）” title=”点击在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physical-world.jpg”>

1924 年 XNUMX 月的一天，阿尔伯特·爱因斯坦收到一封印度教授写的信。作者承认他是一个“完全的陌生人”，但表示他正在向爱因斯坦发送一篇附带文章，以供“阅读和发表意见”。这篇只有五页长的文章声称解决了爱因斯坦多年来一直在努力解决的量子理论缺陷。

当时在柏林大学的爱因斯坦立即意识到作者—— Satyendra Nath Bose ——解决了困扰他的问题。它涉及完全令人满意的推导 普朗克定律，它描述了黑体的辐射光谱。该定律最初由马克斯·普朗克 (Max Planck) 于 1900 年提出，表明辐射不会像经典物理学所暗示的那样在越来越短的波长下上升到无穷大，而是在回落之前达到峰值。

爱因斯坦很快在自己的工作中进一步发展了玻色的方法，由于他们的合作，两人预测了一种新现象的存在，称为 “玻色-爱因斯坦凝聚”。预计发生在非常低​​的温度下，它将涉及系统中占据相同最低量子态的所有粒子。 1995 年，这种新的集体物质状态首次在实验中被发现，埃里克·康奈尔 (Eric Cornell)、沃尔夫冈·凯特勒 (Wolfgang Ketterle) 和卡尔·维曼 (Carl Wieman) 赢得了 六年后诺贝尔物理学奖.

玻色与爱因斯坦的交流可能很短暂，但却是物理学史上最伟大的通信之一。写在2020年的书中 印度殖民地现代物理学的形成，科学历史学家和哲学家 索马蒂亚·班纳吉现在就职于田纳西州克拉克斯维尔奥斯汀皮伊州立大学的他说，他们的合作说明了国际科学领域联合努力日益增长的重要性。或者，正如班纳吉所说，他们的工作揭示了“量子的跨国性质”。

边缘化的灵感

Bose 从小在政治和科学上都处于边缘地位。 1 年 1894 月 XNUMX 日，他出生于英国占领下的印度孟加拉邦加尔各答（当时的加尔各答）的一个家庭，该家庭参加了名为“孟加拉”的文化和教育运动。 “孟加拉文艺复兴”。其成员与欧洲文化有着矛盾的关系，部分拒绝，部分拥抱它。

博斯和萨哈对英国殖民者感到疏远和敌对，不想通过为可能实际应用的领域做出贡献来为他们服务

1895 年，博斯 11 岁时，英国占领者对孟加拉日益增长的叛乱感到震惊，将该邦一分为二。巴纳吉认为，博斯进入学术界的部分原因可能是民族主义的冲动，以避免被征召入殖民官僚机构，而这正是许多孟加拉中产阶级的命运。

Bose 出席了 总统学院 和他的朋友（以及未来的天体物理学家） 梅格纳德萨哈因参与“斯瓦德什运动”而被学校开除。该运动旨在限制使用外国商品，转而依赖国内产品，是推动印度独立的一部分，并反对分割孟加拉的提议。

两人和萨哈都对英国殖民者感到疏远和敌对，并且像他们的许多同龄人一样，不想通过为化学或应用物理等可能实际应用的领域做出贡献来为他们服务。相反，两人被数学和理论物理所吸引，尤其是新奇的量子理论 德国物理学家是先驱.

根据班纳吉的说法，博斯将他的作品视为在被占领的孟加拉“对权力关系的不平等和不对称的一种智力逃避”。 “因此，新兴的印度物理学家在量子物理学方面尤其出色，”他写道，“这绝非偶然。”由于熟悉德国工作，玻色和萨哈深受光子理论的影响，该理论暗示了光的不连续性。相比之下，英国物理学家对麦克斯韦方程组所规定的光的连续性印象更深刻。

博斯和萨哈后来都成为加尔各答大学的物理讲师。但由于孟加拉的孤立和第一次世界大战的影响，他们发现很难跟踪欧洲的最新事态发展。总统图书馆定期提供的少数期刊之一是 哲学杂志，其中 Bose 和 Saha 阅读了 Niels Bohr 于 1913 年发表的关于原子结构的开创性论文之一 (菲尔·麦格. 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="伟大的思想 Bose 和 Saha 以及加尔各答大学的其他科学家：就座（从左到右）：Meghnad Saha、Jagadish Chandra Bose、Jnan Chandra Ghosh。站立（从左到右）：Snehamoy Dutt、Satyendra Nath Bose、Debendra Mohan Bose、NR Sen、Jnanendra Nath Mukherjee、NC Nag。 （由维基共享资源提供）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-多元化思维的力量物理世界-1.jpg”>

在加尔各答，他们也有幸结识了朋友 保罗·约翰内斯·布吕尔是一位来自德国的来访植物学家，他带来了有关热力学、量子论、相对论和其他热门物理主题的书籍和期刊。 1919 年，爱因斯坦因广义相对论得到明显证实而声名鹊起，玻色和萨哈设法获得了德语和法语的基础论文副本。 Bose 精通两种语言以及英语，因此他和 Saha 将这些论文翻译并以书籍形式出版： 相对性原理 （加尔各答大学，1920）。这是爱因斯坦和其他人关于该主题的第一本英文论文集。

然后，在 1921 年，Bose 被授予了新近成立的教授职位。 达卡（现达卡）大学 并负责发展其物理系。两年后，预算的大幅削减突然终止了部门扩张计划，博斯甚至不得不努力保住自己的工作。因此，1923 年，Bose 发现自己处于一个悬而未决的职业状态，在被占领的土地上正值政治压力重重的时期。

爱因斯坦的联系

尽管遇到了问题，这位 30 岁的人仍然继续进行研究。那年晚些时候，他思考了一个令人不安的事实：普朗克定律的推导在逻辑上是不合理的，因为它混合了经典和量子概念。玻色决定忽略经典理论，而是通过考虑离散光子气体的运动来推导出该定律。 1923 年秋天，他在其现在具有开创性的论文中概述了自己的想法，题为 “普朗克定律和光量子假说”，他很快就会把这个版本发给爱因斯坦。

论文开头指出，普朗克定律是量子理论的起点。但推导它的一个关键公式依赖于关于可用自由度的经典假设。 “在所有派生中，这是一个令人不满意的特征，”博斯写道。虽然承认爱因斯坦自己尝试从经典假设中推导出定律“非常优雅”，但玻色并不认为“从逻辑角度来看有足够的理由”。

<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="怎么一切都开始了 1924 年，当萨蒂延德拉·纳特·玻色 (Satyendra Nath Bose) 对普朗克定律的推导被拒绝出版时，他直接致信阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 寻求帮助。爱因斯坦立即意识到玻色所做的事情的重要性，并安排将其发表在 物理学杂志。 （由 AIP Emilio Segrè 视觉档案馆提供，Kameshwar Wali 和 Etienne Eisenmann 的礼物）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when -bose-write-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physical-world-2.jpg”>

博斯大胆地继续说道：“下面我简单介绍一下方法。”接下来是三页严格的推导，最终形成一个描述黑体辐射能量分布的方程。玻色宣称，这个方程“与普朗克公式相同”。

在最近的一篇论文中 arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909)，玻色最后一批博士生之一、物理学家帕塔·高斯 (Partha Ghose) 表示，玻色的方法暗示了（但没有明确指出）这些单个光子的不可区分性。相反，玻色将光子的体积定义为由状态组成的空间（他将其称为细胞），其中细胞的总数等于光子排列方式的数量。由于光子气体具有固定的密度，重新排列单个光子不会产生新的细胞，这意味着光子本身无法被区分；你不能“标记”他们来跟随他们。

Bose 将论文发送至 哲学杂志 ——大约 1924 年初，他知道印度物理学家可以使用它，但从未收到回复。他很失望，但相信它的正确性，将其（或稍作修改的版本）发送给爱因斯坦，爱因斯坦于 4 年 1924 月 XNUMX 日收到了它。

“向前迈出重要一步”

爱因斯坦已经做好了准备。他知道使用经典假设来推导量子定律的不一致性，并且已经多次尝试消除它，但没有成功。爱因斯坦意识到，玻色的推导是正确的。

爱因斯坦在玻色的工作中比玻色本人发现了更多的意义，因为他发现了一个未被利用的类比

同年 2 月 XNUMX 日，爱因斯坦给博斯回复了一张手写的明信片，称这篇论文“向前迈出了重要的一步”。爱因斯坦随后亲自翻译了这篇论文并发送给 物理学杂志。在爱因斯坦的认可下，玻色的论文被接受，并于 1924 年 XNUMX 月在该杂志上正式发表 (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="慢慢做 1924 年，爱因斯坦对 Bose 给他的信做出了回应，给他寄了一张明信片。 (Shutterstock/Genotar) ” title=”点击在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -of-diverse-thinking-physical-world-3.jpg”>

爱因斯坦在玻色的工作中比玻色本人发现了更多的意义，因为他发现了一个未被利用的类比。本质上，玻色将光子视为统计相关的，这意味着波干涉的可能性。爱因斯坦意识到，这不仅适用于光子，也适用于其他粒子。事实上，正如我们现在所知，只有具有整数自旋值的粒子，或者二十年后保罗·狄拉克（Paul Dirac）称之为“玻色子”的粒子，才会发生干涉。它们与“费米子”形成鲜明对比，“费米子”的自旋为奇数半整数值。

收到玻色的便条后不久，爱因斯坦写了一篇德文论文，题为 “理想气体量子理论” （或“单原子理想气体的量子理论”）。发表于 普鲁士科学院院刊 1925 年 XNUMX 月，它描述了爱因斯坦所说的“辐射与气体之间影响深远的正式关系”。该论文本质上表明，在接近绝对零的温度下，系统的熵完全消失，所有粒子都会下降到相同的状态或单元。在每个细胞内，分子分布的熵“间接表达了关于分子相互影响的某种假设，这种假设具有相当神秘的性质”。

最冷：一封给爱因斯坦的信和激光冷却技术的进步如何引导物理学家发现新的物质量子态

爱因斯坦将这种影响归因于粒子的干涉。他预测，在低温下，氢气和氦气等气体的波状特征会变得更加明显，以至于粘度会迅速降低——这种现象现在被称为“超流动性”。通过坚持精确地对待辐射和气体之间的类比，爱因斯坦在玻色的工作的基础上最终预测了一种未知的物质状态。

由于爱因斯坦对玻色工作的关注，后者获得了两年的休假去欧洲学习。 1924 年秋天，博斯首先前往巴黎，在那里他又给爱因斯坦写了两封信。第二年他去了柏林，在那里他终于能够 亲自与爱因斯坦交谈 1926 年初。但两人从未抽出时间进一步合作。爱因斯坦反对玻色关于热平衡辐射场中粒子状态的概率公式，而玻色由于涉及其他事情，没有回到这个特定的问题。他们 1924 年 XNUMX 月的交流无论多么简短，仍然是他们通信中最富有成果的部分。

真空度有多高

最终，大约 70 年后，这种新的物质状态，现在称为玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC)，被 实验证明 1995 年在美国的两个实验室进行了这项研究。这也是一系列长期发展的结果，因为在 1924 年，BEC 只是量子气体的一个极限情况，人们认为只有接近绝对零才有可能实现。它似乎遥不可及；即使是原始真空对于 BEC 来说也太热了。

一个转折点是 1975 年的发明 激光冷却。通过将激光的频率调整到略低于目标原子的频率，物理学家可以向沿相反方向移动的原子发射光子。由于多普勒效应，原子可以被欺骗吸收光子，同时将它们推向激光的相反方向，降低它们的速度并使它们冷却。

<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="最酷的结果 在 1995 年夏天拍摄的这一系列现已成为标志性的图像中，埃里克·康奈尔和卡尔·维曼实验室中的冷铷原子云中出现了玻色-爱因斯坦凝聚态。云中心原子密度的“尖峰”表明那里有许多原子占据相同的量子态——玻色-爱因斯坦凝聚的特征。 （由 NIST/JILA/CU-Boulder 提供）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -爱因斯坦-多元化思维的力量-物理世界-5.jpg”>

一年后，一组物理学家证明氢同位素可以通过冷却来复制 BEC。 1989 年，康奈尔和维曼选择了铷原子，因为铷原子的聚集速度比氢更快。有时被称为“超级原子”，当单个粒子的波包重叠并在低温下变得完全无法区分时，就会发生 BEC。

维曼和康奈尔将 BEC 描述为一种“量子身份危机”，当原子在系统的最低可能状态下聚集在一起时就会发生这种危机。创建巨型波包的有趣之处在于，BEC 为我们提供了一个在宏观层面上见证量子行为的窗口。

临界点

“玻色和爱因斯坦之间的通信，”班纳吉在书中写道 印度殖民地现代物理学的形成，“这是科学史上的一个特殊时刻”。 Bose 并非突然出现，为日益增长的拼图游戏贡献了一份力量。班纳吉认为，由于他在远离欧洲的殖民地工作，玻色具有独特的优势，能够促进西方关于量子理论的思维变革。

玻色的工作并不是非西方科学家第一次为欧洲科学贡献重要见解。但他与爱因斯坦的合作说明了一个更深层次的观点——即地区差异如何对重要和不重要给出不同的感觉。正如班纳吉所说，玻色的贡献体现了科学的“植根于当地的世界主义”。

世界观的多样性，而不是文化的一致性，为物理学的进步提供了最有力的保证。

罗伯特 P 折痕  （点击下面的链接查看完整简历）是美国石溪大学哲学系主任， 吉诺·埃利亚 是博士生

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