1924년에 사티엔드라 나스 보스(Satyendra Nath Bose)라는 인도 물리학자는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)에게 자신이 위대한 인물을 난처하게 만들었던 양자물리학 문제를 해결했다고 편지를 썼습니다. XNUMX세기가 지난 지금, 로버트 P 크리즈 과 지노 엘리아 서신이 어떻게 보스-아인슈타인 응축이라는 개념으로 이어졌는지, 그리고 그것이 다양한 사고의 힘을 드러낸 이유를 설명합니다.
1924년 XNUMX월 어느 날, 알베르트 아인슈타인은 인도의 한 교수가 쓴 편지를 받았습니다. 저자는 자신이 “완전히 낯선 사람”임을 인정했지만 이 “정독과 의견”에 대한 첨부 기사를 아인슈타인에게 보낼 것이라고 말했습니다. 단 XNUMX페이지 분량의 이 기사는 아인슈타인이 수년 동안 씨름했지만 실패했던 양자 이론의 결함을 해결한다고 주장했습니다.
당시 베를린 대학교에 있던 아인슈타인은 저자가 다음과 같은 사실을 즉시 깨달았습니다. 사티 엔 드라 나스 보스 – 그를 패배시켰던 문제를 해결했습니다. 그것은 완전히 만족스러운 파생에 관한 것입니다. 플랑크의 법칙, 이는 흑체의 방사선 스펙트럼을 설명합니다. 1900년 막스 플랑크(Max Planck)가 처음으로 도출한 이 법칙은 고전 물리학에서 제시하는 것처럼 방사선이 더 짧은 파장에서 무한대로 올라가는 것이 아니라, 떨어지기 전에 정점에 도달한다는 것을 보여주었습니다.
아인슈타인은 자신의 연구에서 Bose의 접근 방식을 더욱 발전시켰고, 협력의 결과로 두 사람은 새로운 현상의 존재를 예측했습니다. "보스-아인슈타인 응축". 매우 낮은 온도에서 발생할 것으로 예상되는 이 현상은 동일한 가장 낮은 양자 상태를 차지하는 시스템의 모든 입자를 포함합니다. 이 새로운 집단적 물질 상태는 1995년 처음으로 실험적으로 발견되었으며, 스티븐 추(Steven Chu), 클로드 코헨-타누지(Claude Cohen-Tannoudji), 윌리엄 필립스(William Phillips)가 우승을 차지했습니다. 2년 뒤 노벨 물리학상 수상.
보스-아인슈타인의 교환은 짧았을지 모르지만 물리학 역사상 가장 위대한 서신 중 하나입니다. 2020년 책에 글쓰기 식민지 인도에서 현대 물리학의 형성, 역사학자이자 과학철학자 소마디티야 바네르지현재 테네시주 클락스빌에 있는 오스틴피 주립대학교에 재학 중인 는 그들의 협력이 과학 분야에서 국제적 공동 노력의 중요성이 커지고 있음을 보여주었다고 말했습니다. 또는 Banerjee가 말했듯이 그들의 작업은 "양자의 초국적 성격"을 드러냈습니다.
소외된 영감
보스는 정치적으로나 과학적으로 소외된 채 자랐습니다. 그는 1년 1894월 XNUMX일 영국 점령 하에 있던 인도 벵골 주 콜카타(당시 캘커타)에서 문화 및 교육 운동의 일부인 가족 사이에서 태어났습니다. “벵골 르네상스”. 그 구성원들은 유럽 문화에 대해 부분적으로는 거부하고 부분적으로는 수용하는 양면적인 관계를 갖고 있었습니다.
Bose와 Saha는 영국 식민지 개척자들에 대해 소외감과 적대감을 느꼈고, 실제 적용이 가능한 분야에 기여함으로써 그들을 섬기고 싶지 않았습니다.
1895년, 보스가 11살이 되던 해, 영국 점령군은 벵골에서 점점 커지는 반란에 놀라 이 주를 둘로 나누었습니다. Banerjee에 따르면 Bose가 학계에 들어간 이유 중 하나는 많은 중산층 벵골 사람들의 운명이었던 식민지 관료제에 징집되는 것을 피하려는 민족주의적 충동이었을 수 있습니다.
보스가 대신 참석했다 회장단 대학 그의 친구(그리고 미래의 천체물리학자)와 함께 메그나드 사하, '스와데시 운동'에 가담했다는 이유로 학교에서 퇴학당했습니다. 외국 상품의 사용을 억제하고 대신 국내 상품에 의존하려는 이 운동은 인도 독립을 위한 추진의 일부였으며 제안된 벵골 분할에 반대했습니다.
두 사람과 Saha는 영국 식민지 개척자들로부터 소외감과 적대감을 느꼈고, 많은 동료들과 마찬가지로 화학이나 응용 물리학과 같은 실용적인 응용 분야에 기여함으로써 그들을 섬기고 싶지 않았습니다. 그 대신 두 사람은 수학과 이론 물리학, 특히 새로운 양자 이론에 매력을 느꼈습니다. 독일 물리학자들은 선구적이었습니다..
Banerjee에 따르면 Bose는 자신의 작업을 점령된 벵골에서 "권력 관계의 불평등과 비대칭성에서 벗어나는 지적 탈출구"로 여겼습니다. “따라서 신흥 인도 물리학자들이 양자 물리학에서 특히 뛰어난 것은 우연이 아닙니다.”라고 그는 썼습니다. 독일 연구에 대한 친숙한 결과로 Bose와 Saha는 빛의 불연속성을 암시하는 광자 이론의 영향을 많이 받았습니다. 대조적으로 영국의 물리학자들은 맥스웰의 방정식에 의해 결정되는 빛의 연속적인 특성에 더 깊은 인상을 받았습니다.
Bose와 Saha는 둘 다 캘커타 대학교에서 물리학 강사가 되었습니다. 그러나 벵골의 고립과 제1차 세계 대전의 영향으로 인해 그들은 유럽의 최신 상황을 따라가는 것이 어렵다는 것을 알게 되었습니다. 회장단 도서관에서 정기적으로 볼 수 있는 몇 안 되는 정기 간행물 중 하나는 다음과 같습니다. 철학잡지, Bose와 Saha는 1913년에 출판된 원자 구조에 관한 Niels Bohr의 중요한 논문 중 하나를 읽었습니다. (필 맥. 26 1).
캘커타에서는 운이 좋게도 친구가 되었습니다. 폴 요하네스 브륄, 열역학, 양자 이론, 상대성 이론 및 기타 인기 있는 물리학 주제에 관한 책과 저널을 가져온 독일 출신 식물학자입니다. 1919년, 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 명백히 확인하여 명성을 얻은 후, 보스와 사하는 독일어와 프랑스어로 된 기본 논문의 사본을 얻을 수 있었습니다. Bose는 영어뿐만 아니라 두 언어 모두에 능통했기 때문에 그와 Saha는 논문을 번역하여 책 형태로 출판했습니다. 상대성 원리 (캘커타 대학교, 1920). 이 주제에 관한 아인슈타인과 다른 사람들의 최초의 영어 논문 모음집이었습니다.
그러다가 1921년에 보스는 최근 설립된 대학의 교수직을 받았습니다. 다카(현 다카) 대학교 물리학과를 개발하는 임무를 맡았습니다. 1923년 후, 오히려 갑자기 심각한 예산 삭감으로 인해 부서 확장 계획이 무산되었고 보스는 직장을 유지하기 위해 싸워야 했습니다. 따라서 XNUMX년에 보스는 점령지에서 스트레스가 많은 정치적 시기에 해결되지 않은 전문직 상태에 있다는 것을 알게 되었습니다.
아인슈타인 연결
30세인 그는 여러 가지 문제에도 불구하고 연구를 계속했습니다. 그해 말, 그는 충격적인 사실에 대해 숙고했습니다. 플랑크 법칙의 유도는 고전 개념과 양자 개념이 혼합되어 있기 때문에 논리적으로 불건전했습니다. Bose는 고전 이론을 무시하고 대신 개별 광자 가스의 움직임을 고려하여 법칙을 도출하기로 결정했습니다. 그는 1923년 가을에 지금은 중요한 논문이라는 제목의 논문에서 자신의 생각을 설명했습니다. “플랑크의 법칙과 광양자 가설”, 그가 곧 아인슈타인에게 보낼 버전입니다.
논문이 시작한 플랑크의 법칙은 양자 이론의 출발점이다. 그러나 이를 도출하는 데 있어 중요한 공식 중 하나는 사용 가능한 자유도에 대한 고전적인 가정에 의존합니다. Bose는 "이것은 모든 파생에서 만족스럽지 못한 특징입니다."라고 썼습니다. 고전적 가정에서 벗어나 법칙을 도출하려는 아인슈타인 자신의 시도가 "매우 우아하다"는 점을 인정했지만, 보스는 그것이 "논리적 관점에서 충분히 정당하다"고 생각하지 않았습니다.
Bose는 대담하게 계속해서 다음과 같이 말했습니다. “다음에 방법을 간략하게 설명하겠습니다.” 세 페이지에 달하는 엄격한 추론이 이어지며 흑체에서 방출되는 방사선의 에너지 분포를 설명하는 방정식이 완성됩니다. Bose는 이 방정식이 "플랑크의 공식과 동일"하다고 선언했습니다.
최근 논문에서는 arXiv (arxiv.org/abs/2308.01909), Bose의 마지막 박사 과정 학생 중 한 명인 물리학자 Partha Ghose는 Bose의 방법이 개별 광자의 구별 불가능성을 암시했지만 명시적이지는 않았다고 말합니다. 대신 Bose는 광자의 부피를 상태로 구성된 공간(셀이라고 함)으로 정의했으며, 총 셀 수는 광자가 배열될 수 있는 방식의 수와 동일합니다. 광자의 가스는 고정된 밀도를 갖기 때문에 개별 광자를 재배열해도 새로운 세포가 생성되지 않습니다. 이는 광자 자체를 구별할 수 없음을 의미합니다. 그들을 따라가도록 "태그"를 지정할 수는 없습니다.
Bose는 다음에게 서류를 보냈습니다. 철학잡지 – 그는 인도 물리학자들이 이용할 수 있다는 것을 알았습니다 – 1924년 초쯤에, 그러나 다시는 듣지 못했습니다. 실망했지만 그 내용이 타당하다고 확신한 그는 그것을 약간 수정한 버전을 아인슈타인에게 보냈고, 아인슈타인은 4년 1924월 XNUMX일에 그것을 받았습니다.
“앞으로 중요한 진전”
아인슈타인은 준비가 되어 있었습니다. 그는 양자법칙을 도출하기 위해 고전적 가정을 사용하는 것의 불일치를 알고 있었고 이미 그것을 제거하려는 여러 번의 시도에 실패했습니다. 보스의 추론은 타당하다고 아인슈타인은 깨달았습니다.
아인슈타인은 보스 자신보다 보스의 작업에서 더 많은 의미를 얻었습니다. 왜냐하면 그는 아직 활용되지 않은 비유를 발견했기 때문입니다.
그해 2월 XNUMX일, 아인슈타인은 이 논문이 "중요한 진전"이라고 부르며 보스에게 손으로 쓴 엽서로 응답했습니다. 아인슈타인은 그 논문을 직접 번역하여 다음과 같이 보냈습니다. Physik에 대한 Zeitschrift. 아인슈타인의 승인으로 보스의 논문은 승인되었고, 1924년 XNUMX월에 저널에 정식으로 게재되었습니다. (26 178).
아인슈타인은 보스 자신보다 보스의 작업에서 더 많은 의미를 얻었는데, 왜냐하면 그는 아직 활용되지 않은 비유를 발견했기 때문입니다. 본질적으로 Bose는 광자를 통계적으로 종속적인 것으로 취급하여 파동 간섭의 가능성을 암시했습니다. 아인슈타인이 깨달은 것은 이것이 광자에만 적용될 필요가 없고 다른 입자에도 적용될 수 있다는 것입니다. 사실, 우리가 지금 알고 있듯이 간섭은 정수 값의 스핀을 갖는 입자, 즉 20년 후 Paul Dirac이 "보손"이라고 명명한 입자에만 적용됩니다. 이는 스핀이 홀수 반정수 값으로 나타나는 "페르미온"과 대조됩니다.
보스의 메모를 받은 직후 아인슈타인은 독일어로 된 논문을 썼습니다. “이상적인 기체의 양자 이론” (또는 “단원자 이상 기체의 양자 이론”). 에 게시됨 프로이센 과학 아카데미의 간행물 1925년 XNUMX월에 이 보고서는 아인슈타인이 "방사선과 가스 사이의 광범위한 형식적 관계"라고 불렀던 것을 설명했습니다. 이 논문은 본질적으로 절대 영도에 가까운 온도에서 시스템의 엔트로피가 완전히 사라지고 모든 입자가 동일한 상태 또는 셀로 떨어진다는 것을 보여주었습니다. 각 세포 내에서 분자 분포의 엔트로피는 "아주 신비로운 성격을 지닌 분자의 상호 영향에 관한 특정 가설을 간접적으로 표현합니다."
Coldest: 아인슈타인에게 보낸 편지와 레이저 냉각 기술의 발전으로 물리학자들이 물질의 새로운 양자 상태를 알게 된 방법
아인슈타인은 이러한 영향이 입자의 간섭 때문이라고 생각했습니다. 그는 낮은 온도에서는 수소나 헬륨과 같은 가스의 파동적 특성이 더욱 두드러져 점도가 급격하게 감소할 것이라고 예측했는데, 이는 현재 "초유체성"이라고 불리는 현상입니다. 아인슈타인은 방사선과 기체 사이의 유사점을 정확하게 다루어야 한다고 주장함으로써 보스의 연구를 바탕으로 물질의 알려지지 않은 상태를 예측하게 되었습니다.
보스의 연구에 대한 아인슈타인의 관심 덕분에 후자는 유럽에서 공부할 수 있는 1924년의 안식년을 받았습니다. 보스는 XNUMX년 가을에 처음으로 파리로 여행을 떠났고, 그곳에서 아인슈타인에게 두 통의 편지를 더 썼습니다. 다음 해에 그는 베를린으로 가서 마침내 할 수 있었습니다. 아인슈타인과 직접 대화하기 그러나 두 사람은 더 이상 협력하지 못했습니다. 아인슈타인은 열평형에서 복사장의 입자 상태에 대한 보스의 확률 공식에 반대했고, 다른 문제와 관련된 보스는 이 특별한 질문으로 돌아가지 않았습니다. 1926년 1924월의 교환은 비록 짧았지만 그들의 서신 중 가장 생산적인 부분으로 남아 있었습니다.
진공상태가 얼마나 뜨거운지
결국, 약 70년 후, 현재 보스-아인슈타인 응축(BEC)이라고 불리는 이 새로운 물질 상태는 실험적으로 시연 된 1995년 미국에 있는 두 연구소에서. 그것도 오랜 일련의 개발의 결과였습니다. 1924년에 BEC는 절대 영도 근처에서만 가능하다고 여겨지는 양자 가스의 한계 사례였기 때문입니다. 도달할 수 없는 것 같았습니다. 원시 진공조차도 BEC에는 너무 뜨겁습니다.
전환점은 1975년의 발명이었습니다. 레이저 냉각. 레이저 광의 주파수를 목표 원자의 주파수 바로 아래로 조정함으로써 물리학자들은 반대 방향으로 움직이는 원자에 광자를 발사할 수 있습니다. 도플러 효과 덕분에 원자는 광자를 흡수하면서 레이저의 반대 방향으로 밀어내어 속도를 줄이고 냉각되도록 속일 수 있습니다.
1989년 후, 물리학자 그룹은 수소 동위원소를 냉각하여 BEC를 복제할 수 있음을 보여주었습니다. XNUMX년에 코넬과 위먼은 루비듐 원자가 수소보다 더 빠르게 그룹화된다는 점에서 결정을 내렸습니다. 때때로 "슈퍼 원자"라고도 불리는 BEC는 개별 입자의 파동 묶음이 겹쳐서 저온에서 완전히 구별할 수 없게 될 때 발생합니다.
Wieman과 Cornell은 BEC를 시스템의 가장 낮은 상태에서 원자가 서로 뭉칠 때 발생하는 "양자 정체성 위기"라고 설명했습니다. 거대한 파동 패킷을 만드는 흥미로운 점은 BEC가 우리에게 거시적 수준에서 양자 행동을 관찰할 수 있는 창을 제공한다는 것입니다.
임계점
Banerjee는 "보스와 아인슈타인의 서신"이라고 썼습니다. 식민지 인도에서 현대 물리학의 형성, “과학 역사상 특별한 순간입니다.” Bose는 성장하는 직소 퍼즐에 조각을 기여하기 위해 갑자기 나온 것이 아닙니다. Banerjee는 유럽에서 멀리 떨어진 식민지 땅에서 일한 덕분에 Bose는 양자 이론에 대한 서구 사고의 변화를 촉진할 수 있는 독특한 위치에 있었다고 주장합니다.
Bose의 작업은 비서구 과학자들이 유럽 과학에 핵심적인 통찰력을 제공한 첫 번째가 아닙니다. 그러나 아인슈타인과의 협력은 더 깊은 요점, 즉 지역적 차이가 무엇이 중요하고 무엇이 중요하지 않은지에 대해 어떻게 다른 감각을 줄 수 있는지를 보여줍니다. Banerjee가 말했듯이 Bose의 공헌은 과학의 "지역적으로 뿌리를 둔 세계주의"를 보여줍니다.
문화적 순응이 아닌 세계관의 다양성은 물리학의 발전을 위한 가장 강력한 약속을 담고 있습니다.
로버트 P 크리즈 (전체 약력을 보려면 아래 링크 클릭)은 미국 스토니 브룩 대학교 철학과 학과장입니다. 지노 엘리아 박사과정 학생입니다
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- 출처: https://physicsworld.com/a/when-bose-wrote-to-einstein-the-power-of-diverse-thinking/
