Vuonna 1924 intialainen fyysikko nimeltä Satyendra Nath Bose kirjoitti Albert Einsteinille, että hän oli ratkaissut kvanttifysiikan ongelman, joka oli järkyttänyt suurmiehen. Vuosisadan päästä, Robert P Crease ja Gino Elia selittää, kuinka kirjeenvaihto johti Bosen ja Einsteinin tiivistymisen käsitteeseen ja miksi se paljasti monipuolisen ajattelun voiman
Eräänä päivänä kesäkuussa 1924 Albert Einstein sai kirjeen, jonka kirjoitti intialainen professori. Kirjoittaja myönsi olevansa "täysin muukalainen", mutta sanoi lähettävänsä Einsteinille oheisen artikkelin tätä "perustelua ja mielipidettä varten". Vain viisi sivua pitkä artikkeli väitti käsittelevän kvanttiteorian virhettä, jonka kanssa Einstein oli kamppaillut useiden vuosien ajan.
Einstein, joka oli silloin Berliinin yliopistossa, tajusi heti, että kirjoittaja - Satyendra Nath Bose – oli ratkaissut ongelman, joka oli voittanut hänet. Se koski täysin tyydyttävää johtamista Planckin laki, joka kuvaa mustan kappaleen säteilyn spektriä. Max Planckin vuonna 1900 laatima laki osoitti, että säteily ei nouse äärettömyyteen yhä lyhyemmillä aallonpituuksilla, kuten klassinen fysiikka ehdottaa, vaan sen sijaan huipentuu ennen kuin putoaa takaisin.
Einstein kehitti nopeasti Bosen lähestymistapaa edelleen omassa työssään ja yhteistyön tuloksena pariskunta ennusti uuden ilmiön, ns. "Bose-Einsteinin kondensaatio". Sen odotetaan tapahtuvan hyvin matalissa lämpötiloissa, ja siihen kuuluisivat kaikki järjestelmän hiukkaset, jotka miehittävät saman alimman kvanttitilan. Tämä uusi kollektiivinen aineen tila havaittiin kokeellisesti ensimmäisen kerran vuonna 1995, mikä johti siihen, että Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ja William Phillips voittivat Fysiikan Nobel-palkinto kaksi vuotta myöhemmin.
Bosen ja Einsteinin välinen vaihto saattoi olla lyhyt, mutta se on yksi fysiikan historian suurista vastaavuuksista. Kirjoittaminen vuoden 2020 kirjaan Modernin fysiikan tekeminen siirtomaa-Intiassa, historioitsija ja tieteenfilosofi Somaditya Banerjee, joka työskentelee nyt Austin Peay State Universityssä Clarksvillessä Tennesseessä, sanoo heidän yhteistyönsä osoitti kansainvälisten yhteisten ponnistelujen kasvavaa merkitystä tieteessä. Tai, kuten Banerjee sanoo, heidän työnsä paljasti "kvantin ylikansallisen luonteen".
Marginalisoitua inspiraatiota
Bose varttui poliittisesti ja tieteellisesti marginalisoituneena. Hän syntyi 1. tammikuuta 1894 Kolkatassa (silloin Kalkutassa) Intian Bengalin osavaltiossa, joka oli brittien miehittämänä, perheeseen, joka oli osa kulttuuri- ja koulutusliikettä nimeltä "Bengalin renessanssi". Sen jäsenillä oli ambivalenttinen suhde eurooppalaiseen kulttuuriin, osittain torjuen ja osittain omaksuen sen.
Bose ja Saha tunsivat vieraantunutta ja vihamielisyyttä brittiläisiä kolonisaattoreita kohtaan eivätkä halunneet palvella heitä osallistumalla kenttiin mahdollisilla käytännön sovelluksilla
Vuonna 1895, kun Bose oli 11-vuotias, brittimiehittäjät – Bengalin kasvavasta kapinallisuudesta huolestuneena – jakoivat osavaltion kahtia. Banerjeen mukaan osa syy siihen, miksi Bose meni akateemiseen maailmaan, saattoi olla nationalistinen halu välttää asevelvollisuutta siirtomaabyrokratiaan, mikä oli monien keskiluokan bengalilaisten kohtalo.
Bose sen sijaan osallistui Presidenttikollegio ystävänsä (ja tulevan astrofyysikon) kanssa Meghnad Saha, joka oli erotettu koulustaan hänen osallistumisestaan "Swadeshi-liikkeeseen". Pyrkiessään hillitsemään ulkomaisten tuotteiden käyttöä ja luottamaan sen sijaan kotimaisiin tuotteisiin, liike oli osa Intian itsenäisyyden pyrkimystä ja vastusti ehdotettua Bengalin jakamista.
Molemmat ja Saha tunsivat olevansa vieraantuneita ja vastustavia brittiläisiä kolonisaattoreita kohtaan, eivätkä – kuten monet heidän ikäisensä – halunneet palvella heitä osallistumalla aloilla, joilla on mahdollisia käytännön sovelluksia, kuten kemiaa tai soveltavaa fysiikkaa. Paria houkuttelivat sen sijaan matematiikka ja teoreettinen fysiikka – ja erityisesti uusi kvanttiteoria, joka Saksalaiset fyysikot olivat edelläkävijöitä.
Banerjeen mukaan Bose näki työnsä "älyllisenä pakopaikkana valtasuhteiden epätasaisuudesta ja epäsymmetrioista" miehitetyssä Bengalissa. "Ei siis ole sattumaa", hän kirjoittaa, "että nousevat intialaiset fyysikot menestyivät erityisesti kvanttifysiikassa." Koska Bose ja Saha tunsivat saksalaisen työn, he saivat suuren vaikutuksen fotoniteoriasta, joka merkitsi epäjatkuvuutta valossa. Brittiläiset fyysikot sitä vastoin tekivät enemmän vaikutuksen Maxwellin yhtälöiden sanelemasta valon jatkuvasta luonteesta.
Bose ja Saha ryhtyivät molemmat fysiikan opettajiksi Kalkutan yliopistoon. Mutta Bengalin eristäytymisen ja ensimmäisen maailmansodan vaikutusten vuoksi heidän oli vaikea seurata viimeisintä kehitystä Euroopassa. Yksi harvoista aikakauslehdistä, joka oli säännöllisesti saatavilla Presidenttikunnan kirjastossa, oli Filosofinen aikakauslehti, jossa Bose ja Saha lukivat yhden Niels Bohrin ydinrakenteesta, joka julkaistiin vuonna 1913. (Phil Mag. 26 1).
Kalkutassa heillä oli myös onni ystävystyä Paul Johannes Brühl, vieraileva kasvitieteilijä Saksasta, joka oli tuonut mukanaan kirjoja ja lehtiä termodynamiikasta, kvanttiteoriasta, suhteellisuusteoriasta ja muista suosituista fysiikan aiheista. Vuonna 1919, kun Einstein oli noussut kuuluisuuteen yleisen suhteellisuusteorian ilmeisen vahvistuksen jälkeen, Bose ja Saha onnistuivat saamaan kopiot saksan- ja ranskankielisistä peruspapereista. Bose puhui sujuvasti molempia kieliä sekä englantia, joten hän ja Saha käänsivät ja julkaisivat lehdet kirjan muodossa Suhteellisuusperiaate (Kalkutan yliopisto, 1920). Se oli ensimmäinen englanninkielinen kokoelma aiheesta Einsteinin ja muiden artikkeleita.
Sitten vuonna 1921 Bose sai professuurin äskettäin perustetussa laitoksessa Dacca (nykyisin Dhaka) yliopisto ja sen tehtävänä on kehittää fysiikan osastoaan. Kaksi vuotta myöhemmin, melko yllättäen, vakavat budjettileikkaukset päättivät osaston laajentamissuunnitelman, ja Bosen oli jopa taisteltava säilyttääkseen työpaikkansa. Siksi Bose joutui vuonna 1923 ratkaisemattomaan ammatilliseen tilanteeseen, stressaavana poliittisena aikana miehitetyssä maassa.
Einsteinin yhteys
Ongelmistaan huolimatta 30-vuotias mies jatkoi tutkimustyötä. Myöhemmin samana vuonna hän pohti huolestuttavaa tosiasiaa: Planckin lain johtaminen oli loogisesti epätervettä, koska siinä sekoitettiin klassisia ja kvanttikäsitteitä. Bose päätti jättää huomioimatta klassisen teorian ja johtaa sen sijaan lain ottamalla huomioon erillisten fotonien kaasun liikkeet. Hän hahmotteli ajatuksensa syksyllä 1923 nyt tärkeässä lehdessään "Planckin laki ja valo-kvanttihypoteesi”, version, josta hän pian lähettää Einsteinille.
Planckin laki, paperi aloitti, on kvanttiteorian lähtökohta. Mutta yksi ratkaiseva kaava sen johtamisessa perustuu klassiseen oletukseen käytettävissä olevista vapausasteista. "Tämä on epätyydyttävä ominaisuus kaikissa johdannaisissa", Bose kirjoitti. Vaikka Bose myönsi, että Einsteinin oma yritys johtaa laki vapaasti klassisista oletuksista oli "huomattavan elegantti", Bose ei pitänyt sitä "riittävän perusteltuna loogiselta kannalta".
Bose jatkoi rohkeasti: "Seuraavassa hahmotan menetelmän lyhyesti." Seuraavassa on kolme sivua tiukkoja johtopäätöksiä, jotka huipentuvat yhtälöön, joka kuvaa mustan kappaleen säteilyn energian jakautumista. Tämä yhtälö, Bose julisti, oli "sama kuin Planckin kaava".
Tuoreessa paperissa aiheesta arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), fyysikko Partha Ghose, joka oli yksi Bosen viimeisistä tohtoriopiskelijoista, sanoo, että Bosen menetelmä vihjasi - mutta ei ollut selkeä - näiden yksittäisten fotonien erottamattomuuteen. Sen sijaan Bose määritteli fotonien tilavuuden tilaksi, joka koostuu tiloista - joita hän kutsui soluiksi - ja solujen kokonaismäärä on yhtä suuri kuin kuinka monta tapaa fotonit voidaan järjestää. Koska fotonien kaasulla on kiinteä tiheys, yksittäisten fotonien uudelleenjärjestely ei tuota uusia soluja, mikä tarkoittaa, että itse fotoneja ei voida erottaa toisistaan; et voi "tagata" heitä seurataksesi heitä.
Bose lähetti lehden osoitteeseen Filosofinen aikakauslehti – jonka hän tiesi olevan intialaisten fyysikkojen saatavilla – noin vuoden 1924 alussa, mutta ei koskaan kuullut. Pettynyt, mutta vakuuttunut sen järkevyydestä, hän lähetti sen tai hieman tarkistetun version Einsteinille, joka vastaanotti sen 4. kesäkuuta 1924.
”Tärkeä askel eteenpäin”
Einstein oli pohjustettu. Hän tiesi epäjohdonmukaisuuden käyttää klassista oletusta kvanttilain johtamiseen ja oli jo tehnyt useita epäonnistuneita yrityksiä poistaa se. Bosen johtopäätös oli hyvä, Einstein tajusi.
Einstein sai Bosen työstä enemmän merkitystä kuin Bose itse, sillä hän huomasi käyttämättömän analogian
Saman vuoden heinäkuun 2. päivänä Einstein vastasi Boselle käsin kirjoitetulla postikortilla, jossa hän kutsui paperia "tärkeäksi askeleeksi eteenpäin". Einstein käänsi sitten itse paperin ja lähetti sen osoitteeseen Zeitschrift für Physik. Einsteinin tuella Bosen artikkeli hyväksyttiin, ja se julkaistiin lehdessä elokuussa 1924. (26 178).
Einstein sai Bosen työstä enemmän merkitystä kuin Bose itse, sillä hän huomasi käyttämättömän analogian. Pohjimmiltaan Bose oli käsitellyt fotoneja tilastollisesti riippuvaisina, mikä merkitsi aaltohäiriöiden mahdollisuutta. Einstein ymmärsi, että tämän ei tarvinnut koskea vain fotoneja, vaan se voi koskea myös muita hiukkasia. Itse asiassa, kuten nyt tiedämme, interferenssi koskee vain hiukkasia, joilla on spinin kokonaislukuarvo tai se, mitä Paul Dirac kaksi vuosikymmentä myöhemmin kutsui "bosoneiksi". Nämä eroavat "fermioneista", joiden spin tulee parittomina puolikokonaislukuina.
Pian saatuaan Bosen muistiinpanon Einstein kirjoitti saksankielisen paperin otsikolla "Quantentheorie des einatomigen idealen gases" (tai "monatomisen ideaalikaasun kvanttiteoria"). Julkaistu vuonna Proceedings of Preussian Academy of Sciences tammikuussa 1925 se kuvaili sitä, mitä Einstein kutsui "pitkälle meneväksi muodolliseksi suhteeksi säteilyn ja kaasun välillä". Paperi osoitti olennaisesti, että absoluuttisen nollan lähellä olevissa lämpötiloissa järjestelmän entropia katoaa kokonaan ja kaikki hiukkaset putoavat samaan tilaan tai soluun. Jokaisen solun sisällä molekyylijakauman entropia "ilmaisee epäsuorasti tiettyä hypoteesia molekyylien keskinäisestä vaikutuksesta, joka on luonteeltaan melko mystinen".
Kylmin: kuinka kirje Einsteinille ja laserjäähdytystekniikan kehitys johtivat fyysikot uusiin aineen kvanttitiloihin
Einstein katsoi tämän vaikutuksen johtuvan hiukkasten häiriöistä. Hän ennusti alhaisissa lämpötiloissa kaasujen, kuten vedyn ja heliumin, aaltomaiset ominaisuudet korostuvan niin, että viskositeetti laskee nopeasti - ilmiötä kutsutaan nykyään "superfluidiksi". Vaatimalla pitävänsä säteilyn ja kaasujen välistä analogiaa täsmällisenä, Einstein rakensi Bosen työn pohjalta ennusteensa tuntemattoman aineen tilan.
Kiitos Einsteinin huomion Bosen työhön, jälkimmäinen sai kahden vuoden sapattivapaan opiskella Euroopassa. Bose matkusti ensin Pariisiin syksyllä 1924, jossa hän kirjoitti kaksi muuta kirjettä Einsteinille. Seuraavana vuonna hän meni Berliiniin, missä hän lopulta pystyi puhua Einsteinille henkilökohtaisesti alkuvuodesta 1926. Mutta pari ei koskaan päässyt jatkamaan yhteistyötä. Einstein vastusti Bosen todennäköisyyskaavaa hiukkasten tiloille säteilykentässä termisessä tasapainossa, eikä Bose, joka oli mukana muussa, ei palannut tähän nimenomaiseen kysymykseen. Heidän kesäkuussa 1924 käydyn keskustelunsa, olipa se kuinka lyhyt tahansa, oli heidän kirjeenvaihdon tuottavin osa.
Kuinka kuuma tyhjiö
Lopulta, noin 70 vuotta myöhemmin, tämä uusi ainetila, jota nyt kutsutaan Bose-Einsteinin kondensaatioksi (BEC), oli kokeellisesti osoitettu kahdessa laboratoriossa Yhdysvalloissa vuonna 1995. Sekin oli tulosta pitkästä kehityssarjasta, sillä vuonna 1924 BEC oli vain kvanttikaasujen rajatapaus, jonka katsottiin olevan mahdollista vain lähellä absoluuttista nollaa. Se näytti saavuttamattomalta; jopa raakatyhjiö on liian kuuma BEC:lle.
Käännekohta oli vuonna 1975 keksitty laserjäähdytys. Säätämällä laservalon taajuutta hieman kohdeatomien taajuuden alapuolelle, fyysikot voisivat ampua fotoneja vastakkaiseen suuntaan liikkuviin atomeihin. Doppler-ilmiön ansiosta atomit voitiin sitten huijata absorboimaan fotoneja samalla kun ne työnnetään laserin vastakkaiseen suuntaan, mikä vähentää niiden nopeutta ja saada ne jäähtymään.
Vuotta myöhemmin ryhmä fyysikoita osoitti, että vedyn isotooppeja voidaan jäähdyttää BEC:n replikoimiseksi. Vuonna 1989 Cornell ja Wieman asettuivat rubidiumatomeihin, koska ne ryhmittyisivät nopeammin kuin vety. Joskus "superatomeiksi" kutsuttu BEC tapahtuu, kun yksittäisten hiukkasten aaltopaketit menevät päällekkäin ja muuttuvat täysin erottamattomiksi matalissa lämpötiloissa.
Wieman ja Cornell kuvasivat BEC:tä "kvantti-identiteettikriisiksi", joka tapahtuu, kun atomit kasautuvat yhteen järjestelmän alimmassa mahdollisessa tilassa. Jättimäisen aaltopaketin luomisen juoni on se, että BEC antaa meille ikkunan todistaa kvanttikäyttäytymistä makroskooppisella tasolla.
Kriittinen kohta
"Bosen ja Einsteinin välinen kirjeenvaihto", Banerjee kirjoitti Modernin fysiikan tekeminen siirtomaa-Intiassa, "on erityinen hetki tieteen historiassa". Bose ei tullut tyhjästä lisäämään palapeliä kasvavaan palapeliin. Koska hän työskenteli kaukana Euroopasta kolonisoidussa maassa, Banerjee väittää, Bose oli ainutlaatuisella tavalla valmis helpottamaan muutosta länsimaisessa ajattelussa kvanttiteoriasta.
Bosen työ ei ollut ensimmäinen kerta, kun muut kuin länsimaiset tiedemiehet olivat antaneet keskeisiä oivalluksia eurooppalaiseen tieteeseen. Mutta hänen yhteistyönsä Einsteinin kanssa havainnollistaa syvempää asiaa – nimittäin sitä, kuinka alueelliset erot voivat antaa erilaisia käsityksiä siitä, mikä on tärkeää ja mikä ei. Kuten Banerjee sanoo, Bosen panos havainnollistaa tieteen "paikallisesti juurtunutta kosmopolitismia".
Maailmankatsomusten monimuotoisuus, ei kulttuurinen yhdenmukaisuus, on voimakkain lupaus fysiikan edistymiselle.
Robert P Crease (klikkaa alla olevaa linkkiä saadaksesi koko biografian) on Stony Brook Universityn, USA:n filosofian laitoksen puheenjohtaja, jossa Gino Elia on tohtoriopiskelija
- SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
- PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
- PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
- PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
- Lähde: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/
