شعار زيفيرنت

عندما كتب بوز إلى أينشتاين: قوة التفكير المتنوع – عالم الفيزياء

التاريخ:

في عام 1924، كتب عالم فيزياء هندي يُدعى ساتيندرا ناث بوز إلى ألبرت أينشتاين قائلًا إنه حل مشكلة في فيزياء الكم التي حيرت الرجل العظيم. منذ قرن واحد، روبرت بي كريس و جينو ايليا اشرح كيف أدت المراسلات إلى فكرة تكثيف بوز-آينشتاين ولماذا كشفت عن قوة التفكير المتنوع

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg" data-caption="قصير لكن حلو في عام 1924 كتب ساتيندرا ناث بوز (يسار) إلى ألبرت أينشتاين (يمين) قائلًا إنه طور اشتقاقًا أكثر إرضاءً لقانون بلانك. أدت المراسلات الناتجة، والتي كانت مختصرة ولكن عميقة، إلى التنبؤ بما نسميه الآن تكثيف بوز-آينشتاين. (يسار: فالغوني ساركار، من باب المجاملة لأرشيفات AIP Emilio Segrè المرئية. على اليمين: أرشيفات AIP Emilio Segrè المرئية، معرض WF Meggers لمجموعة الحائزين على جائزة نوبل)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com /wp-content/uploads/2024/02/when-bose-كتب إلى-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world.jpg”>ساتيندرا ناث بوس وألبرت أينشتاين

في أحد أيام شهر يونيو عام 1924، تلقى ألبرت أينشتاين رسالة كتبها أستاذ في الهند. واعترف المؤلف بأنه كان "غريبًا تمامًا" لكنه قال إنه كان يرسل إلى أينشتاين مقالًا مصاحبًا من أجل "الإطلاع وإبداء الرأي". ادعى المقال، الذي يبلغ طوله خمس صفحات فقط، أنه يعالج خللًا في نظرية الكم الذي ناضل أينشتاين معه دون جدوى لعدة سنوات.

أينشتاين، الذي كان آنذاك في جامعة برلين، أدرك على الفور أن المؤلف - ساتيندرا ناث بوس - قد حل المشكلة التي هزمته. يتعلق الأمر باشتقاق مرضٍ تمامًا قانون بلانكالذي يصف طيف الإشعاع الصادر من الجسم الأسود. أظهر القانون الذي اشتقه ماكس بلانك لأول مرة في عام 1900، أن الإشعاع لا يرتفع إلى ما لا نهاية عند أطوال موجية أقصر من أي وقت مضى كما تشير الفيزياء الكلاسيكية، بل يصل إلى ذروته قبل أن يتراجع.

وسرعان ما طور أينشتاين منهج بوز بشكل أكبر في عمله، ونتيجة لتعاونهما، توقع الثنائي وجود ظاهرة جديدة، أطلق عليها اسم "تكاثف بوز-آينشتاين". من المتوقع أن يحدث هذا عند درجات حرارة منخفضة جدًا، وسيشمل جميع الجسيمات في النظام الذي يشغل نفس الحالة الكمومية الأدنى. تم اكتشاف هذه الحالة الجماعية الجديدة للمادة تجريبيًا لأول مرة في عام 1995، مما أدى إلى فوز ستيفن تشو وكلود كوهين تانودجي وويليام فيليبس بالجائزة. جائزة نوبل للفيزياء بعد عامين.

ربما كان التبادل بين بوز وأينشتاين قصيرًا، لكنه يعد واحدًا من أعظم المراسلات في تاريخ الفيزياء. الكتابة في الكتاب 2020 صنع الفيزياء الحديثة في الهند الاستعمارية، مؤرخ وفيلسوف العلوم سوماديتيا بانيرجيويقول، الذي يعمل الآن في جامعة أوستن بيي ستيت في كلاركسفيل بولاية تينيسي، إن تعاونهم يوضح الأهمية المتزايدة للجهود الدولية المشتركة في مجال العلوم. أو كما يقول بانيرجي، فإن عملهم كشف عن "الطبيعة العابرة للحدود الوطنية للكم".

إلهام هامشي

نشأ بوس مهمشًا سياسيًا وعلميًا. ولد في الأول من يناير عام 1 في كولكاتا (كالكوتا آنذاك) في ولاية البنغال الهندية، التي كانت تحت الاحتلال البريطاني، لعائلة كانت جزءًا من حركة ثقافية وتعليمية تسمى "نهضة البنغال". وكانت علاقة أعضائها بالثقافة الأوروبية متناقضة، حيث كانوا يرفضونها جزئيًا ويعتنقونها جزئيًا.

شعر بوز وساها بالغربة والعداء تجاه المستعمرين البريطانيين، ولم يرغبا في خدمتهما من خلال المساهمة في مجالات ذات تطبيقات عملية محتملة.

وفي عام 1895، عندما كان بوز في الحادية عشرة من عمره، قام المحتلون البريطانيون ــ الذين انزعجوا من التمرد المتزايد في البنغال ــ بتقسيم الولاية إلى قسمين. وفقًا لبانيرجي، ربما كان أحد أسباب دخول بوز إلى الأوساط الأكاديمية هو الرغبة القومية لتجنب التجنيد في البيروقراطية الاستعمارية، وهو ما كان مصير العديد من البنغاليين من الطبقة المتوسطة.

وحضر بوس بدلا من ذلك كلية الرئاسة مع صديقه (وعالم الفيزياء الفلكية المستقبلي) مغناد ساهاالذي طُرد من مدرسته لتورطه في "حركة سواديشي". سعيًا للحد من استخدام السلع الأجنبية والاعتماد بدلاً من ذلك على المنتجات المحلية، كانت الحركة جزءًا من الدفع من أجل استقلال الهند ووقفت ضد التقسيم المقترح للبنغال.

شعر كلاهما وساها بالغربة والعداء تجاه المستعمرين البريطانيين، ولم يرغبا - مثل العديد من أقرانهما - في خدمتهما من خلال المساهمة في مجالات ذات تطبيقات عملية محتملة، مثل الكيمياء أو الفيزياء التطبيقية. وبدلاً من ذلك، انجذب الثنائي إلى الرياضيات والفيزياء النظرية، وعلى وجه الخصوص إلى نظرية الكم الحديثة التي تقول كان الفيزيائيون الألمان رائدين.

وفقًا لبانيرجي، رأى بوز في عمله "هروبًا فكريًا من عدم المساواة وعدم التماثل في علاقات القوة" في البنغال المحتلة. يكتب: «ليس من قبيل الصدفة أن يتفوق الفيزيائيون الهنود الناشئون بشكل خاص في فيزياء الكم». نتيجة إلمامهم بالأعمال الألمانية، تأثر بوز وساها بشكل كبير بنظرية الفوتون، والتي تضمنت انقطاعات في الضوء. في المقابل، كان الفيزيائيون البريطانيون أكثر إعجابًا بالطبيعة المستمرة للضوء التي تمليها معادلات ماكسويل.

أصبح كل من Bose وSaha مدرسين للفيزياء في جامعة كلكتا. ولكن بسبب عزلة البنغال وتأثيرات الحرب العالمية الأولى، وجدوا صعوبة في متابعة التطورات الأخيرة في أوروبا. إحدى الدوريات القليلة التي كانت متوفرة بانتظام في مكتبة الرئاسة هي مجلة فلسفية، حيث قرأ بوز وساها إحدى أوراق نيلز بور المهمة حول التركيب الذري، والتي نُشرت عام 1913 (فيل ماج. 26 1).

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-1.jpg" data-caption="عقول عظيمة بوز وساها مع علماء آخرين في جامعة كلكتا: الجالسين (من اليسار إلى اليمين): مغناد ساها، جاغاديش شاندرا بوز، جنان شاندرا غوش. الوقوف (من اليسار إلى اليمين): سنيهاموي دوت، ساتيندرا ناث بوس، ديبيندرا موهان بوس، إن آر سين، جنانيندرا ناث موخيرجي، إن سي ناج. (Courtesy: Wikimedia Commons)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the- قوة التفكير المتنوع فيزياء العالم 1.jpg”>ساتيندرا ناث بوس وزملاؤه في جامعة كلكتا

في كلكتا، كانوا محظوظين أيضًا بتكوين صداقات بول يوهانس برول، عالم نبات زائر من ألمانيا، أحضر معه كتبًا ومجلات عن الديناميكا الحرارية ونظرية الكم والنسبية وغيرها من موضوعات الفيزياء الشائعة. في عام 1919، بعد أن ذاع صيت أينشتاين بعد التأكيد الظاهري للنسبية العامة، تمكن بوز وساها من الحصول على نسخ من الأوراق البحثية الأساسية باللغتين الألمانية والفرنسية. كان بوز يجيد اللغتين، بالإضافة إلى اللغة الإنجليزية، ولذلك قام هو وساها بترجمة ونشر الأوراق في شكل كتاب باسم مبدأ النسبية (جامعة كلكتا، 1920). وكانت أول مجموعة من الأوراق باللغة الإنجليزية حول هذا الموضوع من أينشتاين وآخرين.

ثم، في عام 1921، حصل بوز على درجة الأستاذية في الجامعة المنشأة حديثًا جامعة دكا (دكا حاليا). وكلف بتطوير قسم الفيزياء. وبعد مرور عامين، وبشكل مفاجئ، أنهت التخفيضات الحادة في الميزانية خطة توسيع القسم، واضطر بوس إلى النضال من أجل الحفاظ على وظيفته. لذلك، في عام 1923، وجد بوس نفسه في حالة مهنية لم يتم حلها، في وقت سياسي مرهق في أرض محتلة.

اتصال أينشتاين

وعلى الرغم من مشاكله، واصل الشاب البالغ من العمر 30 عامًا إجراء الأبحاث. في وقت لاحق من ذلك العام، فكر في حقيقة مزعجة: كان اشتقاق قانون بلانك غير سليم منطقيا لأنه يخلط بين المفاهيم الكلاسيكية والكمية. قرر بوز تجاهل النظرية الكلاسيكية واستخلاص القانون بدلاً من ذلك من خلال النظر في حركات غاز الفوتونات المنفصلة. أوجز أفكاره في خريف عام 1923 في ورقته البحثية التي تحمل عنوان " "قانون بلانك وفرضية الكم الخفيف"، نسخة منها سيرسلها قريبا إلى أينشتاين.

بدأت الورقة البحثية بأن قانون بلانك هو نقطة البداية لنظرية الكم. لكن إحدى الصيغ الحاسمة في استخلاصها تعتمد على افتراض كلاسيكي حول درجات الحرية المتاحة. وكتب بوز: "هذه سمة غير مرضية في جميع الاشتقاقات". وبينما اعترف بأن محاولة أينشتاين لاستخلاص القانون خاليًا من الافتراضات الكلاسيكية كانت "رائعة بشكل ملحوظ"، إلا أن بوز لم يشعر أنها "مبررة بما فيه الكفاية من وجهة نظر منطقية".

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-2.jpg" data-caption="كيف بدأ كل شيء عندما تم رفض اشتقاق ساتيندرا ناث بوز لقانون بلانك للنشر في عام 1924، أرسل رسالة مباشرة إلى ألبرت أينشتاين يطلب مساعدته. أدرك أينشتاين على الفور أهمية ما فعله بوز ورتب لنشره Zeitschrift für Physik. (بإذن من: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Gift of Kameshwar Wali وEtienne Eisenmann)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when -بوز-كتب-إلى-أينشتاين-قوة-التفكير-الفيزيائي-العالمي-2.jpg”>إس إن بوز ينظر إلى صورة ألبرت أينشتاين

تابع بوز بجرأة: «في ما يلي سأرسم الطريقة بإيجاز.» يتبع ذلك ثلاث صفحات من الاشتقاقات الدقيقة، والتي تبلغ ذروتها في معادلة تصف توزيع الطاقة في الإشعاع الصادر عن جسم أسود. أعلن بوز أن هذه المعادلة هي "نفس صيغة بلانك".

في ورقة حديثة عن arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909)، يقول الفيزيائي بارثا غوس، الذي كان أحد طلاب الدكتوراه الأخيرين لبوز، إن طريقة بوز ألمحت إلى - ولكنها لم تكن واضحة بشأن - عدم إمكانية التمييز بين تلك الفوتونات الفردية. وبدلاً من ذلك، عرّف بوز حجم الفوتونات على أنه مساحة مكونة من حالات - والتي أطلق عليها اسم الخلايا - حيث يساوي العدد الإجمالي للخلايا عدد الطرق التي يمكن من خلالها ترتيب الفوتونات. نظرًا لأن غاز الفوتونات له كثافة ثابتة، فإن إعادة ترتيب الفوتونات الفردية لا تنتج خلايا جديدة، مما يعني أنه لا يمكن فصل الفوتونات نفسها عن بعضها البعض؛ لا يمكنك "وضع علامة" عليهم لمتابعتهم.

أرسل بوس الورقة إلى مجلة فلسفية - الذي كان يعلم أنه متاح للفيزيائيين الهنود - في بداية عام 1924 تقريبًا، لكنه لم يسمع أي رد منه. بخيبة أمل، ولكن مقتنع بسلامتها، أرسلها، أو نسخة منقحة قليلاً، إلى أينشتاين، الذي استلمها في 4 يونيو 1924.

""خطوة مهمة للأمام""

كان أينشتاين مُستعدًا. لقد كان يعلم عدم الاتساق في استخدام الافتراض الكلاسيكي لاشتقاق قانون الكم، وقد قام بالفعل بعدة محاولات فاشلة لإزالته. أدرك أينشتاين أن اشتقاق بوز كان سليمًا.

لقد اكتسب أينشتاين أهمية أكبر في عمل بوز من بوز نفسه، لأنه اكتشف تشبيهًا غير مستغل

في الثاني من يوليو من ذلك العام، رد أينشتاين ببطاقة بريدية مكتوبة بخط اليد على بوز واصفًا الورقة بأنها "خطوة مهمة إلى الأمام". ثم قام أينشتاين بترجمة الورقة بنفسه وأرسلها إلى Zeitschrift für Physik. وبموافقة أينشتاين، تم قبول بحث بوز، وتم نشره حسب الأصول في المجلة في أغسطس 1924. (26 178).

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-3.jpg" data-caption="يفعل ذلك ببطء كان رد فعل أينشتاين على الرسالة التي أرسلها له بوز في عام 1924 بإرسال بطاقة بريدية له. (Shutterstock/Genotar) ” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power -التفكير المتنوع فيزياء-العالم-3.jpg”>بطاقات بريدية خمر

لقد اكتسب أينشتاين أهمية أكبر في عمل بوز من بوز نفسه، لأنه اكتشف تشبيهًا غير مستغل. بشكل أساسي، تعامل بوز مع الفوتونات على أنها تعتمد إحصائيًا، مما يشير إلى إمكانية تداخل الموجات. ما أدركه أينشتاين هو أن هذا لا يجب أن ينطبق فقط على الفوتونات، بل يمكن أن ينطبق على الجسيمات الأخرى أيضًا. في الواقع، كما نعلم الآن، فإن التداخل يكون صحيحًا فقط بالنسبة للجسيمات ذات القيم الصحيحة للدوران، أو ما أطلق عليه بول ديراك، بعد عقدين من الزمن، اسم «البوزونات». وتتناقض هذه مع "الفرميونات"، التي يأتي دورانها بقيم فردية نصف صحيحة.

بعد وقت قصير من تلقي مذكرة بوز، كتب أينشتاين ورقة بحثية باللغة الألمانية بعنوان "كميات الغازات المثالية" (أو “نظرية الكم للغاز المثالي أحادي الذرة”). نشرت في وقائع الأكاديمية البروسية للعلوم وفي يناير 1925، وصفت ما أسماه أينشتاين «العلاقة الرسمية بعيدة المدى بين الإشعاع والغاز». وأظهرت الورقة بشكل أساسي أنه عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تختفي إنتروبيا النظام تمامًا، وتهبط جميع الجسيمات إلى نفس الحالة أو الخلية. داخل كل خلية، فإن إنتروبيا التوزيع الجزيئي "تعبر بشكل غير مباشر عن فرضية معينة تتعلق بالتأثير المتبادل للجزيئات ذات طبيعة غامضة تمامًا".

وعزا أينشتاين هذا التأثير إلى تداخل الجسيمات. وتوقع أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، ستصبح الخصائص الموجية للغازات مثل الهيدروجين والهيليوم أكثر وضوحًا، إلى درجة تتناقص فيها اللزوجة بسرعة - وهي ظاهرة تسمى الآن "الميوعة الفائقة". ومن خلال إصراره على التعامل مع التشابه بين الإشعاع والغازات على أنه دقيق، اعتمد أينشتاين على عمل بوز لينتهي به الأمر بالتنبؤ بحالة غير معروفة للمادة.

وبفضل اهتمام أينشتاين بعمل بوز، حصل الأخير على إجازة لمدة عامين للدراسة في أوروبا. سافر بوز أولاً إلى باريس في خريف عام 1924، حيث كتب رسالتين إضافيتين إلى أينشتاين. وفي العام التالي ذهب إلى برلين حيث تمكن أخيرًا من ذلك للتحدث إلى أينشتاين شخصيا في أوائل عام 1926. لكن الزوجين لم يتمكنا من التعاون بشكل أكبر. اعترض أينشتاين على معادلة بوز الاحتمالية لحالات الجسيمات في مجال إشعاعي عند التوازن الحراري، ولم يعد بوز، المتورط في أشياء أخرى، إلى هذا السؤال بالتحديد. لقد ظل تبادلهما في يونيو 1924، على الرغم من قصره، الجزء الأكثر إنتاجية من مراسلاتهما.

مدى سخونة الفراغ

وفي نهاية المطاف، بعد حوالي 70 عامًا، تم اكتشاف هذه الحالة الجديدة للمادة، والتي تسمى الآن تكثيف بوز-آينشتاين (BEC). أثبتت تجريبيا في مختبرين بالولايات المتحدة عام 1995. وكان ذلك أيضًا نتيجة لسلسلة طويلة من التطورات، ففي عام 1924، كان BEC مجرد حالة محدودة من الغازات الكمومية، التي كان يُنظر إليها على أنها تصبح ممكنة فقط بالقرب من الصفر المطلق. بدا الأمر بعيد المنال. حتى الفراغ الخام يكون ساخنًا جدًا بالنسبة لـ BEC.

وكانت نقطة التحول هي اختراع، في عام 1975، من التبريد بالليزر. ومن خلال ضبط تردد ضوء الليزر بحيث يكون أقل بقليل من تردد الذرات المستهدفة، يستطيع الفيزيائيون إطلاق الفوتونات على الذرات التي تتحرك في الاتجاه المعاكس. وبفضل تأثير دوبلر، يمكن بعد ذلك خداع الذرات لامتصاص الفوتونات مع دفعها في الاتجاه المعاكس لليزر، مما يقلل من سرعتها ويتسبب في تبريدها.

<a data-fancybox data-src="https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking-physics-world-5.jpg" data-caption="أروع نتيجة في هذه السلسلة الشهيرة من الصور التي تم التقاطها في صيف عام 1995، تظهر تكاثف بوز-آينشتاين من سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة في مختبر إريك كورنيل وكارل وايمان. إن "الارتفاع" في كثافة الذرات في مركز السحابة هو علامة على أن العديد من الذرات هناك تشغل نفس الحالة الكمومية - وهي علامة تكثيف بوز-آينشتاين. (Courtesy: NIST/JILA/CU-Boulder)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://zephyrnet.com/wp-content/uploads/2024/02/when-bose-wrote-to -أينشتاين-قوة-التفكير-التنوع-فيزياء-العالم-5.jpg”>تنبثق مكثفة بوز-آينشتاين من سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة

وبعد مرور عام، أظهرت مجموعة من علماء الفيزياء أنه يمكن تبريد نظائر الهيدروجين لتكرار BEC. وفي عام 1989، استقر كورنيل وويمان على ذرات الروبيديوم لأنها تتجمع بشكل أسرع من الهيدروجين. ويحدث BEC، الذي يشار إليه أحيانًا باسم "الذرات الفائقة"، عندما تتداخل الحزم الموجية للجزيئات الفردية ويصبح من الصعب تمييزها تمامًا عند درجات حرارة منخفضة.

وصف وايمان وكورنيل BEC بأنها "أزمة هوية كمومية" تحدث عندما تتجمع الذرات معًا في أدنى حالة ممكنة للنظام. يكمن سر إنشاء حزمة موجية عملاقة في أن BEC يمنحنا نافذة لمشاهدة السلوكيات الكمومية على المستوى العياني.

النقطة الحرجة

"المراسلات بين بوز وأينشتاين،" كتب بانيرجي في صنع الفيزياء الحديثة في الهند الاستعمارية"إنها لحظة خاصة في تاريخ العلم". لم يأت Bose من العدم ليساهم بقطعة في أحجية الصور المقطوعة المتزايدة. ويقول بانيرجي إنه بفضل عمله بعيدًا عن أوروبا في أرض مستعمرة، كان بوز في وضع فريد لتسهيل التغيير في التفكير الغربي حول نظرية الكم.

لم يكن عمل بوز هو المرة الأولى التي يساهم فيها علماء غير غربيين برؤى أساسية في العلوم الأوروبية. لكن تعاونه مع أينشتاين يوضح نقطة أعمق - وهي كيف يمكن للاختلافات الإقليمية أن تعطي إحساسًا مختلفًا بما هو مهم وما هو غير مهم. وعلى حد تعبير بانيرجي فإن مساهمة بوز توضح "النزعة العالمية المتجذرة محلياً" للعلم.

إن التنوع في وجهات النظر العالمية، وليس التوافق الثقافي، يحمل أقوى وعد للتقدم في الفيزياء.

روبرت بي كريس  (انقر فوق الرابط أدناه للحصول على السيرة الذاتية الكاملة) وهو رئيس قسم الفلسفة، جامعة ستوني بروك، الولايات المتحدة، حيث جينو ايليا طالب دكتوراه

بقعة_صورة

أحدث المعلومات الاستخباراتية

بقعة_صورة

الدردشة معنا

أهلاً! كيف يمكنني مساعدك؟