En 1924, un physicien indien appelé Satyendra Nath Bose écrivit à Albert Einstein pour lui dire qu'il avait résolu un problème de physique quantique qui avait déconcerté le grand homme. Un siècle plus tard, Robert P Crease ainsi que Gino Élia expliquer comment la correspondance a conduit à la notion de condensation de Bose-Einstein et pourquoi elle a révélé le pouvoir de la diversité des pensées
Un jour de juin 1924, Albert Einstein reçut une lettre écrite par un professeur en Inde. L'auteur a admis qu'il était un « parfait étranger », mais a déclaré qu'il envoyait à Einstein un article d'accompagnement pour cette « lecture et opinion ». Long de seulement cinq pages, l’article prétendait remédier à une faille de la théorie quantique avec laquelle Einstein luttait sans succès depuis plusieurs années.
Einstein, qui était alors à l’Université de Berlin, s’est immédiatement rendu compte que l’auteur – Satyendra Nath Bose – avait résolu le problème qui l’avait vaincu. Il s'agissait d'une dérivation pleinement satisfaisante de Loi de Planck, qui décrit le spectre du rayonnement d'un corps noir. Développée pour la première fois par Max Planck en 1900, la loi montrait que le rayonnement ne s'élève pas à l'infini à des longueurs d'onde de plus en plus courtes comme le suggère la physique classique, mais atteint plutôt un pic avant de retomber.
Einstein a rapidement développé l'approche de Bose dans ses propres travaux et, grâce à leur collaboration, les deux hommes ont prédit l'existence d'un nouveau phénomène, baptisé «Condensation Bose-Einstein». Prévu pour se produire à des températures très basses, cela impliquerait toutes les particules d’un système occupant le même état quantique le plus bas. Ce nouvel état collectif de la matière a été détecté expérimentalement pour la première fois en 1995, ce qui a permis à Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji et William Phillips de remporter le prix Prix Nobel de physique deux ans plus tard.
L’échange Bose-Einstein a peut-être été bref, mais il constitue l’une des plus grandes correspondances de l’histoire de la physique. Écrire dans le livre 2020 La création de la physique moderne dans l’Inde coloniale, l'historien et philosophe des sciences Somaditya Banerjee, qui travaille maintenant à l'Austin Peay State University à Clarksville, Tennessee, affirme que leur collaboration illustre l'importance croissante des efforts conjoints internationaux dans le domaine scientifique. Ou, comme le dit Banerjee, leurs travaux ont révélé la « nature transnationale du quantique ».
Inspiration marginalisée
Bose a grandi marginalisé politiquement et scientifiquement. Il est né le 1er janvier 1894 à Calcutta (alors Calcutta) dans l'État indien du Bengale, sous occupation britannique, dans une famille faisant partie d'un mouvement culturel et éducatif appelé les « La renaissance du Bengale ». Ses membres entretenaient une relation ambivalente avec la culture européenne, la rejetant en partie et l’adoptant en partie.
Bose et Saha se sentaient aliénés et hostiles aux colonisateurs britanniques et ne voulaient pas les servir en contribuant à des domaines ayant des applications pratiques possibles.
En 1895, alors que Bose avait 11 ans, les occupants britanniques – alarmés par la rébellion croissante au Bengale – divisèrent l’État en deux. Selon Banerjee, la raison pour laquelle Bose s'est lancé dans le monde universitaire pourrait être en partie due à un besoin nationaliste d'éviter d'être enrôlé dans la bureaucratie coloniale, ce qui était le sort de nombreux Bengalais de la classe moyenne.
Bose a plutôt assisté Collège de la présidence avec son ami (et futur astrophysicien) Meghnad Saha, qui avait été expulsé de son école pour son implication dans le « mouvement Swadeshi ». Cherchant à limiter l’utilisation de biens étrangers et à s’appuyer plutôt sur des produits nationaux, le mouvement s’inscrivait dans le cadre de la campagne pour l’indépendance de l’Inde et s’opposait au projet de partition du Bengale.
Tous deux se sentaient aliénés et hostiles aux colonisateurs britanniques et – comme beaucoup de leurs pairs – ne voulaient pas les servir en contribuant à des domaines ayant des applications pratiques possibles, comme la chimie ou la physique appliquée. Les deux hommes étaient plutôt attirés par les mathématiques et la physique théorique – et en particulier par la nouvelle théorie quantique qui Les physiciens allemands étaient des pionniers.
Selon Banerjee, Bose considérait son travail comme « une évasion intellectuelle des inégalités et des asymétries des relations de pouvoir » dans le Bengale occupé. « Ce n’est donc pas un hasard, écrit-il, si les nouveaux physiciens indiens excellaient particulièrement en physique quantique. » En raison de leur familiarité avec les travaux allemands, Bose et Saha ont été fortement influencés par la théorie des photons, qui impliquait des discontinuités dans la lumière. Les physiciens britanniques, en revanche, furent plus impressionnés par la nature continue de la lumière dictée par les équations de Maxwell.
Bose et Saha sont tous deux devenus professeurs de physique à l'Université de Calcutta. Mais en raison de l'isolement du Bengale et des effets de la Première Guerre mondiale, ils ont eu du mal à suivre les développements les plus récents en Europe. L'un des rares périodiques régulièrement disponibles à la bibliothèque de la présidence était Revue philosophique, dans lequel Bose et Saha lisent l'un des articles fondateurs de Niels Bohr sur la structure atomique, publié en 1913. (Phil Mag. 26 1).
À Calcutta, ils ont également eu la chance de se lier d'amitié Paul Johannes Brühl, un botaniste allemand invité, qui avait apporté avec lui des livres et des revues sur la thermodynamique, la théorie quantique, la relativité et d'autres sujets populaires de physique. En 1919, après qu'Einstein soit devenu célèbre suite à l'apparente confirmation de la relativité générale, Bose et Saha ont réussi à obtenir des copies des articles de base en allemand et en français. Bose parlait couramment les deux langues, ainsi que l'anglais. Lui et Saha ont donc traduit et publié les articles sous forme de livre. Le principe de relativité (Université de Calcutta, 1920). Il s'agissait du premier recueil d'articles en anglais sur le sujet rédigé par Einstein et d'autres.
Puis, en 1921, Bose reçut une chaire à la nouvelle école Université de Dacca (aujourd'hui Dhaka) et chargé de développer son département de physique. Deux ans plus tard, de manière assez soudaine, de sévères coupes budgétaires ont mis fin au projet d'expansion du département, et Bose a même dû se battre pour conserver son emploi. En 1923, Bose se retrouva donc dans une situation professionnelle non résolue, à une époque politique stressante dans un pays occupé.
La connexion avec Einstein
Malgré ses problèmes, le trentenaire a continué ses recherches. Plus tard cette année-là, il réfléchit à un fait troublant : la dérivation de la loi de Planck était logiquement erronée car elle mélangeait des concepts classiques et quantiques. Bose a décidé d'ignorer la théorie classique et d'en tirer la loi en considérant les mouvements d'un gaz de photons discrets. Il exposa ses réflexions à l'automne 30 dans son article désormais fondateur intitulé "La loi de Planck et l'hypothèse quantique de la lumière», dont il enverrait prochainement une version à Einstein.
La loi de Planck, commence l'article, est le point de départ de la théorie quantique. Mais une formule cruciale pour la dériver repose sur une hypothèse classique concernant les degrés de liberté disponibles. "C'est une caractéristique insatisfaisante dans toutes les dérivations", a écrit Bose. Tout en admettant que la propre tentative d'Einstein de dériver la loi sans hypothèses classiques était « remarquablement élégante », Bose ne pensait pas qu'elle était « suffisamment justifiée d'un point de vue logique ».
Bose a hardiment poursuivi : « Dans ce qui suit, je vais esquisser brièvement la méthode. » Trois pages de dérivations rigoureuses suivent, aboutissant à une équation décrivant la distribution de l'énergie dans le rayonnement d'un corps noir. Cette équation, proclamait Bose, était « la même que la formule de Planck ».
Dans un article récent sur arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), le physicien Partha Ghose, qui était l'un des derniers doctorants de Bose, affirme que la méthode de Bose faisait allusion – mais n'était pas explicite – à l'indiscernabilité de ces photons individuels. Bose a plutôt défini un volume pour les photons comme un espace composé d'états – qu'il a appelé cellules – le nombre total de cellules étant égal au nombre de façons dont les photons peuvent être disposés. Comme le gaz des photons a une densité fixe, la réorganisation des photons individuels ne produit pas de nouvelles cellules, ce qui implique que les photons eux-mêmes ne peuvent pas être distingués ; vous ne pouvez pas les « taguer » pour les suivre partout.
Bose a envoyé le journal à Revue philosophique – dont il savait qu'elle était disponible pour les physiciens indiens – vers le début de 1924, mais sans jamais avoir de réponse. Déçu, mais convaincu de sa solidité, il l'envoya, ou une version légèrement révisée, à Einstein, qui la reçut le 4 juin 1924.
« Une avancée importante »
Einstein était prêt. Il connaissait l'incohérence de l'utilisation d'une hypothèse classique pour dériver une loi quantique et avait déjà fait plusieurs tentatives infructueuses pour la supprimer. La dérivation de Bose était valable, réalisa Einstein.
Einstein a glané plus d'importance dans le travail de Bose que Bose lui-même, car il a repéré une analogie inexploitée
Le 2 juillet de la même année, Einstein a répondu en envoyant une carte postale manuscrite à Bose, qualifiant le journal de « pas en avant important ». Einstein a ensuite traduit lui-même le document et l'a envoyé à Zeitschrift für Physique. Avec l'approbation d'Einstein, l'article de Bose fut accepté et dûment publié dans la revue en août 1924. (26 178).
Einstein a glané plus d'importance dans le travail de Bose que Bose lui-même, car il a repéré une analogie inexploitée. Essentiellement, Bose avait traité les photons comme étant statistiquement dépendants, ce qui implique la possibilité d'interférences d'ondes. Ce qu'Einstein a réalisé, c'est que cela ne devait pas nécessairement s'appliquer uniquement aux photons, mais pouvait également s'appliquer à d'autres particules. En fait, comme nous le savons maintenant, l’interférence n’est vraie que pour les particules ayant des valeurs entières de spin, ou ce que Paul Dirac, deux décennies plus tard, a surnommé « bosons ». Ceux-ci contrastent avec les « fermions », dont le spin se présente sous la forme de valeurs demi-entières impaires.
Peu de temps après avoir reçu la note de Bose, Einstein écrivit un article en allemand intitulé "Quantenthéorie des gaz idéaux einatomiques" (ou « Théorie quantique du gaz idéal monoatomique »). Publié dans le Actes de l'Académie prussienne des sciences en janvier 1925, il décrivait ce qu’Einstein appelait « une relation formelle de grande envergure entre le rayonnement et le gaz ». L’article montrait essentiellement qu’à des températures proches du zéro absolu, l’entropie d’un système disparaît complètement et que toutes les particules tombent dans le même état ou cellule. Au sein de chaque cellule, l'entropie de la répartition moléculaire « exprime indirectement une certaine hypothèse d'une influence mutuelle des molécules qui est de nature assez mystérieuse ».
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Einstein attribuait cette influence à l'interférence des particules. À basse température, prédit-il, les caractéristiques ondulatoires de gaz comme l’hydrogène et l’hélium deviendraient plus prononcées, au point que la viscosité diminuerait rapidement – un phénomène désormais appelé « superfluidité ». En insistant pour considérer l'analogie entre rayonnement et gaz comme exacte, Einstein s'était appuyé sur les travaux de Bose pour finir par prédire un état inconnu de la matière.
Grâce à l'attention d'Einstein portée au travail de Bose, ce dernier a bénéficié d'un congé sabbatique de deux ans pour étudier en Europe. Bose se rendit pour la première fois à Paris à l'automne 1924, où il écrivit deux autres lettres à Einstein. L'année suivante, il se rend à Berlin où il peut enfin parler à Einstein en personne au début de 1926. Mais les deux hommes ne parvinrent jamais à collaborer davantage. Einstein s'est opposé à la formule de probabilité de Bose pour les états des particules dans un champ de rayonnement à l'équilibre thermique, et Bose, impliqué dans d'autres choses, n'est pas revenu sur cette question particulière. Leur échange de juin 1924, aussi bref soit-il, resta la partie la plus productive de leur correspondance.
Quelle est la température de l'aspirateur
Finalement, quelque 70 ans plus tard, ce nouvel état de la matière, désormais appelé condensation de Bose-Einstein (BEC), a été démontré expérimentalement dans deux laboratoires aux États-Unis en 1995. Cela aussi était le résultat d'une longue série de développements, car en 1924, le BEC n'était qu'un cas limite des gaz quantiques, considérés comme devenant possibles seulement à proximité du zéro absolu. Cela semblait inaccessible ; même le vide brut est trop chaud pour le BEC.
Un tournant fut l'invention, en 1975, de refroidissement laser. En réglant la fréquence de la lumière laser juste en dessous de celle des atomes cibles, les physiciens pourraient tirer des photons sur des atomes se déplaçant dans la direction opposée. Grâce à l'effet Doppler, les atomes pourraient alors être amenés à absorber les photons tout en les poussant dans la direction opposée du laser, réduisant ainsi leur vitesse et les faisant refroidir.
Un an plus tard, un groupe de physiciens a montré que les isotopes de l'hydrogène pouvaient être refroidis pour reproduire le BEC. En 1989, Cornell et Wieman ont opté pour les atomes de rubidium car ils se regrouperaient plus rapidement que l'hydrogène. Parfois appelé « superatomes », le BEC se produit lorsque les paquets d’ondes de particules individuelles se chevauchent et deviennent totalement impossibles à distinguer à basse température.
Wieman et Cornell ont décrit le BEC comme une « crise d’identité quantique » qui se produit lorsque les atomes s’agglutinent dans l’état le plus bas possible du système. L’intrigue de la création d’un paquet d’ondes géant est que le BEC nous offre une fenêtre pour observer les comportements quantiques à un niveau macroscopique.
Le point critique
« La correspondance entre Bose et Einstein », écrit Banerjee dans La création de la physique moderne dans l’Inde coloniale, « est un moment particulier dans l’histoire des sciences ». Bose n’est pas venu de nulle part pour apporter une pièce à un puzzle en pleine croissance. En raison de son travail loin de l’Europe dans un pays colonisé, affirme Banerjee, Bose était particulièrement bien placé pour faciliter le changement dans la pensée occidentale sur la théorie quantique.
Le travail de Bose n'était pas la première fois que des scientifiques non occidentaux apportaient des connaissances clés à la science européenne. Mais sa collaboration avec Einstein illustre un point plus profond : à savoir comment les différences régionales peuvent donner des perceptions différentes de ce qui est important et de ce qui ne l'est pas. Comme le dit Banerjee, la contribution de Bose illustre le « cosmopolitisme enraciné localement » de la science.
C’est la diversité des visions du monde, et non la conformité culturelle, qui constitue la promesse la plus puissante de progrès en physique.
Robert P Crease (cliquez sur le lien ci-dessous pour consulter la biographie complète) est directeur du département de philosophie de l'université de Stony Brook, aux États-Unis, où Gino Élia est doctorant
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- La source: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/
