1924年、サティエンドラ・ナス・ボースというインドの物理学者はアルバート・アインシュタインに手紙を書き、この偉大な人物を悩ませていた量子物理学の問題を解決したと述べた。それから一世紀が経ち、 ロバートPクリース & ジノ・エリア この文通がどのようにしてボーズ・アインシュタイン凝縮の概念につながったのか、そしてなぜそれが多様な思考の力を明らかにしたのかを説明する
1924 年 XNUMX 月のある日、アルバート アインシュタインはインドの教授から書かれた手紙を受け取りました。著者は自分が「全くの赤の他人」であることを認めたが、この「考察と意見」のためにアインシュタインに付随する記事を送ったと述べた。わずかXNUMXページの長さのこの記事は、アインシュタインが数年間にわたって苦戦して果たせなかった量子論の欠陥に対処すると主張した。
当時ベルリン大学にいたアインシュタインは、著者が次のように述べていることにすぐに気づきました。 サティエンドラナスボーズ – 彼を打ち負かした問題を解決した。それは、完全に満足のいく導出に関するものでした。 プランクの法則、黒体からの放射のスペクトルを記述します。 1900 年にマックス プランクによって初めて導かれたこの法則は、古典物理学が示唆するように、放射線はますます短波長で無限に上昇するのではなく、ピークに達してから下降することを示しました。
アインシュタインはすぐにボーズのアプローチを自身の研究でさらに発展させ、二人の協力の結果、二人は「」と呼ばれる新しい現象の存在を予測した。 「ボース・アインシュタイン凝縮」。非常に低い温度で発生すると予想されており、同じ最低量子状態を占める系内のすべての粒子が関与すると考えられます。この新しい集団的な物質状態は 1995 年に初めて実験的に検出され、スティーブン チュー、クロード コーエン タンヌージ、ウィリアム フィリップスが優勝しました。 2年後にノーベル物理学賞受賞.
ボーズとアインシュタインのやりとりは短期間だったかもしれないが、物理学の歴史における偉大なやりとりの 2020 つである。 XNUMX年の本の執筆 植民地時代のインドにおける現代物理学の成り立ち、歴史家および科学哲学者 ソマディティヤ・バネルジー現在、テネシー州クラークスビルにあるオースティン・ピー州立大学に在籍している同氏は、彼らの協力は科学における国際共同努力の重要性の高まりを示していると述べている。あるいは、バナジーが言うように、彼らの研究は「量子の国境を越えた性質」を明らかにしました。
疎外されたインスピレーション
ボーズは政治的にも科学的にも疎外されて育ちました。彼は1年1894月XNUMX日、イギリス占領下にあったインドのベンガル州のコルカタ（当時はカルカッタ）で、文化・教育運動に参加していた家族に生まれた。 「ベンガルのルネッサンス」。そのメンバーはヨーロッパ文化に対して相反する関係を持っており、部分的には拒否し、部分的には受け入れていました。
ボーズとサハはイギリスの植民者に対して疎外感と敵対心を感じており、実用化の可能性のある分野に貢献して彼らに奉仕することを望まなかった。
1895年、ボースが11歳のとき、ベンガルでの反乱の高まりに警戒した英国占領者は州をXNUMXつに分割した。バナジーによれば、ボースが学術界に入った理由の一部は、多くの中流階級のベンガル人が運命づけられていた植民地の官僚機構への徴兵を避けたいという国家主義者の衝動だったのかもしれないという。
代わりにボーズが出席した プレジデンシーカレッジ 彼の友人（そして将来の天体物理学者）と一緒に メグナド・サハ「スワデシュ運動」への関与により学校から退学処分を受けた。外国製品の使用を抑制し、代わりに国内製品に依存することを目指したこの運動は、インド独立の推進の一環であり、提案されているベンガル分割案に反対した。
両者ともサハはイギリス植民者に対して疎外感や敵対心を感じており、多くの同僚同様、化学や応用物理学のような実用化の可能性がある分野に貢献してイギリス植民者に貢献することを望まなかった。代わりに二人は数学と理論物理学、特に新しい角度の量子理論に惹かれました。 ドイツの物理学者は先駆者でした.
バナジーによれば、ボーズは自分の作品を占領下のベンガルにおける「力関係の不平等と非対称からの知的な逃避」と考えていたという。 「したがって、インドの新興物理学者が特に量子物理学に優れていたのは偶然ではない」と彼は書いている。ボーズとサハはドイツの研究に精通していたため、光の不連続性を示唆する光子理論に大きな影響を受けました。対照的に、英国の物理学者は、マクスウェル方程式によって決定される光の連続的な性質により感銘を受けました。
ボーズとサハは二人ともカルカッタ大学の物理学の講師になりました。しかし、ベンガルの孤立と第一次世界大戦の影響により、ヨーロッパの最新の動向を追うのが困難であることがわかりました。大統領府の図書館で定期的に入手できる数少ない定期刊行物の 1 つが次のとおりでした。 哲学雑誌ボースとサハは、1913 年に出版されたニールス・ボーアの原子構造に関する独創的な論文の XNUMX つを読んでいます。 (フィル・マグ. 26 1).
カルカッタでは幸運にも彼らは友人になった パウル・ヨハネス・ブリュールドイツからの訪問植物学者で、熱力学、量子論、相対性理論、その他の人気のある物理学のトピックに関する書籍や雑誌を持参していました。 1919 年、アインシュタインが一般相対性理論の明らかな確認を受けて一躍名声を博した後、ボーズとサハはドイツ語とフランス語で書かれた基礎論文のコピーを入手することに成功しました。ボーズは英語だけでなく両方の言語に堪能だったので、彼とサハは論文を翻訳して本の形で出版しました。 相対性原理 （カルカッタ大学、1920年）。これは、アインシュタインらによるこのテーマに関する最初の英語論文集でした。
そして 1921 年に、ボーズは設立されたばかりの大学で教授職を授与されました。 ダッカ（現ダッカ）大学 そしてその物理部門の発展を任されました。 1923 年後、かなり突然、大幅な予算削減により部門を拡大する計画は打ち切られ、ボーズ氏は職を守るために戦わなければならなくなりました。したがって、XNUMX 年、ボーズは占領下の土地で政治的にストレスの多い時期に、自分が未解決の職業上の状態にあることに気づきました。
アインシュタインとのつながり
問題を抱えながらも、30歳の彼は研究を続けた。その年の後半、彼は憂慮すべき事実について熟考しました。プランクの法則の導出は、古典概念と量子概念が混在しているため、論理的に不健全であるということでした。ボーズは古典理論を無視し、代わりに離散光子のガスの運動を考慮することによって法則を導き出すことにしました。彼は 1923 年の秋に、今では独創的なタイトルの論文で自分の考えを概説しました。 「プランクの法則と光量子仮説」」、彼はすぐにそのバージョンをアインシュタインに送信する予定でした。
プランクの法則は量子論の出発点である、と論文は始めた。しかし、それを導き出す際の 1 つの重要な公式は、利用可能な自由度に関する古典的な仮定に依存しています。 「これは、すべての派生において不満足な機能です」とボーズ氏は書いています。ボーズは、古典的な仮定から自由に法則を導出するアインシュタイン自身の試みが「非常に洗練されていた」ことは認めたが、それが「論理的な観点から十分に正当化される」とは感じなかった。
ボーズ氏は大胆にもこう続けた。「以下でその方法を簡単に説明します。」 3 ページにわたる厳密な導出が続き、最終的に黒体からの放射線のエネルギー分布を記述する方程式に至ります。この方程式は「プランクの公式と同じ」であるとボーズは宣言した。
最近の論文では、 arXivの (arxiv.org/abs/2308.01909)、ボーズの最後の博士課程学生の一人である物理学者のパーサ・ゴースは、ボーズの方法はそれらの個々の光子の区別がつかないことを示唆していたが、それについては明示的ではなかったと述べている。代わりにボーズは、光子の体積を、状態 (セルと呼んだ) で構成される空間として定義し、セルの総数は光子を配置できる方法の数と等しくしました。光子のガスの密度は一定であるため、個々の光子を再配置しても新しいセルは生成されません。これは、光子自体を区別できないことを意味します。彼らを「タグ付け」して追跡することはできません。
ボーズは次の宛先に論文を送った 哲学雑誌 – 1924 年の初め頃、インドの物理学者がそれを利用できることを彼は知っていましたが、連絡はありませんでした。失望したが、その健全性を確信した彼は、それを、あるいはわずかに修正したバージョンをアインシュタインに送り、アインシュタインは 4 年 1924 月 XNUMX 日にそれを受け取った。
「重要な前進」
アインシュタインは準備万端だった。彼は量子法則を導出するために古典的な仮定を使用することの矛盾を知っており、それを取り除く試みをすでに何度か試みましたが失敗に終わりました。ボーズの導出は妥当なものであるとアインシュタインは悟った。
アインシュタインは、ボーズ自身よりもボーズの研究の重要性を収集しました。なぜなら、彼は利用されていない類似点を発見したからです。
同年2月XNUMX日、アインシュタインはボーズに手書きのはがきで返信し、この論文は「重要な前進」であると述べた。その後、アインシュタインはその論文を自分で翻訳して、 物理学の時代。アインシュタインの承認を得て、ボーズの論文は受理され、1924 年 XNUMX 月に正式に雑誌に掲載されました。 (26 178）.
アインシュタインは、ボーズ自身よりもボーズの研究の重要性を収集しました。なぜなら、彼は利用されていない類似点を発見したからです。基本的に、ボーズは光子を統計的に依存するものとして扱い、波の干渉の可能性を示唆していました。アインシュタインが気づいたのは、これは光子だけに適用される必要はなく、他の粒子にも適用できるということです。実際、私たちが今知っているように、干渉は整数値のスピンを持つ粒子、または 20 年後にポール・ディラックが「ボソン」と呼んだものにのみ当てはまります。これらは、スピンが奇数の半整数値で現れる「フェルミオン」とは対照的です。
ボーズのメモを受け取った直後、アインシュタインは次のタイトルのドイツ語の論文を書きました。 「理想的なガスの量論」 （または「単原子理想気体の量子論」）。に掲載されました プロイセン科学アカデミーの論文集 1925 年 XNUMX 月に、アインシュタインが「放射線とガスの間の広範な正式な関係」と呼んだものについて説明しました。この論文は基本的に、絶対零度に近い温度では系のエントロピーが完全に消失し、すべての粒子が同じ状態またはセルに落ちることを示しました。各細胞内では、分子分布のエントロピーが「非常に神秘的な性質を持つ、分子の相互影響に関する特定の仮説を間接的に表現します」。
最も冷たい: アインシュタインへの手紙とレーザー冷却技術の進歩がどのようにして物理学者を物質の新しい量子状態に導いたのか
アインシュタインは、この影響は粒子の干渉によるものであると考えました。同氏は、低温では水素やヘリウムなどのガスの波状の特性がより顕著になり、粘度が急速に低下する点に至るだろうと予測した。この現象は現在「超流動」と呼ばれている。アインシュタインは、放射線とガスの類似性を正確に扱うことを主張することで、ボーズの研究を基礎にして、物質の未知の状態を予測することに成功しました。
アインシュタインがボーズの研究に注目したおかげで、ボーズはヨーロッパで学ぶための1924年間のサバティカルを得た。ボーズは XNUMX 年の秋にまずパリに旅行し、そこでさらに XNUMX 通の手紙をアインシュタインに書きました。翌年、彼はベルリンに行き、そこでようやく成功することができました。 アインシュタインと直接話す しかし、二人がそれ以上協力することはなかった。アインシュタインは、熱平衡における放射場内の粒子の状態に関するボーズの確率式に異議を唱えましたが、ボーズは他の事柄に関わっていたため、この特定の問題には戻りませんでした。 1926 年 1924 月の彼らのやりとりは、たとえ短いものであったとしても、依然として彼らの文通の中で最も生産的な部分であった。
真空ってなんて暑いんだろう
最終的に、約 70 年後、現在ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) と呼ばれるこの新しい物質の状態は、 実験的に実証された これも、長い一連の開発の結果であり、1995 年当時、BEC は量子気体の限界事例にすぎず、絶対零度付近でのみ可能になると見なされていたからです。手が届かないように思えた。そのままの真空でも BEC には熱すぎます。
転機となったのは、1975 年の発明でした。 レーザー冷却。レーザー光の周波数をターゲット原子の周波数よりもわずかに低く調整することで、物理学者は、反対方向に移動する原子に光子を発射することができます。ドップラー効果のおかげで、原子はだまされて光子を吸収すると同時にレーザーの反対方向に押し出され、速度が低下して冷却される可能性があります。
1989 年後、物理学者のグループは、水素の同位体を冷却して BEC を再現できることを示しました。 XNUMX 年、コーネルとウィーマンは、ルビジウム原子は水素よりも速くグループ化するという理由でルビジウム原子に落ち着きました。 「スーパー原子」とも呼ばれる BEC は、個々の粒子の波束が重なり合い、低温では完全に区別できなくなるときに発生します。
Wieman と Cornell は、BEC を、原子が系の可能な限り最低の状態で凝集したときに発生する「量子同一性危機」であると説明しました。巨大な波パケットを作成することの興味深い点は、BEC が巨視的レベルで量子の挙動を観察する機会を与えてくれるということです。
重要なポイント
「ボーズとアインシュタインの往復書簡」とバナジーは次のように書いている。 植民地時代のインドにおける現代物理学の成り立ち、「科学の歴史の中で特別な瞬間です」。ボーズは、成長を続けるジグソーパズルにピースを提供するために突然やって来たわけではありません。ヨーロッパから遠く離れた植民地化された土地で仕事をしたおかげで、ボーズは量子論に関する西洋の考え方の変化を促進する独自の態勢を整えていたとバナジーは主張する。
非西洋の科学者がヨーロッパの科学に重要な洞察をもたらしたのは、ボーズの研究が初めてではなかった。しかし、アインシュタインとの彼のコラボレーションは、より深い点、つまり、地域の違いによって何が重要で何がそうでないかについてどのように異なる感覚が与えられるのかを示しています。バナジー氏が言うように、ボーズの貢献は科学の「地域に根ざした国際主義」を例示している。
文化的適合性ではなく、世界観の多様性こそが、物理学の進歩にとって最も強力な可能性を秘めています。
ロバートPクリース （詳しい経歴については下のリンクをクリックしてください）米国ストーニーブルック大学哲学学部の学部長です。 ジノ・エリア 博士課程の学生です
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/
