Der junge Mann, der Einstein schrieb, eröffnete eine neue Richtung in der Quantenmechanik

Anmerkung des Herausgebers

Bose wurde am 1. Januar 1894 geboren und war eine der herausragendsten Persönlichkeiten der Physik des 20. Jahrhunderts. Der Artikel wurde von Professor Partha Ghose, einem ehemaligen Studenten von Bose, verfasst und würdigt das Leben eines Quantenpioniers, der gemeinsam mit Einstein eine neue Richtung in der Quantenmechanik einschlug. Es ist absehbar, dass sein Name in der Geschichte wissenschaftlicher Entdeckungen weiterhin nachhallen wird. In diesem Jahr jährt sich Boses Geburt zum 130. Mal und der Vorschlag der Bose-Einstein-Statistik zum 100. Mal. Dieser Artikel wurde speziell zum Nutzen unserer Leser veröffentlicht.

Von Patha Ghose

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Satyendra Nath Bose (1. Januar 1894 – 4. Februar 1974)

Satyendra Nath Bose mit seinem dichten, auffallend weißen Haar, den großen, durchdringenden Augen, einem strahlenden Lächeln und einem großen Interesse an Wissenschaft, Literatur und Kunst wurde mit Einstein in Verbindung gebracht – er war zu Lebzeiten eine legendäre Figur. Im Jahr 1924 verfasste er in Dhaka eine brillante Abhandlung, die Einsteins umstrittene Ansichten über Photonen bestätigte[1]. Dhaka mag zwar die Hauptstadt von Bangladesch sein, in der Welt der Wissenschaft ist sie jedoch praktisch unbekannt. Aus der Arbeit ging hervor, dass Photonen keine gewöhnlichen Teilchen sind, sondern seltsame Gebilde, die dazu neigen, sich gemäß einer anderen Art von Teilchenstatistik zusammenzuballen. Als Einstein die Abhandlung las, war er von der unerwarteten Unterstützung seiner Ideen begeistert und wandte Boses Methode auf ideale Gase an. Damit legte er den Grundstein für die Quantentheorie der Gase. Diese neue Statistik wird Bose-Einstein-Statistik genannt. Tatsächlich war Bose nicht bewusst, dass seine Beobachtungen wirklich originell waren. [2] Der Physiker und Einstein-Biograf Abraham Pais bemerkte, dass es „seit Planck im Jahr 1900 das Quantengesetz einführte, keinen so erfolgreichen Schuss ins Blaue mehr gegeben hat.“ [3] Boses Arbeit war die letzte von vier revolutionären Arbeiten, die die alte Quantentheorie vervollständigten und zur neuen Quantenmechanik führten. Die anderen drei waren die von Planck im Jahr 1900, die von Einstein im Jahr 1905 und die von Bohr im Jahr 1913. [4]

Bose wurde am 1. Januar 1894 in Kalkutta, der Hauptstadt Britisch-Indiens, geboren. Sie gilt nach London als die zweite Stadt im Britischen Empire, in der die Sonne nie untergeht. Das Erwachen des Nationalstolzes war damals während der Bengalischen Renaissance, einer Bewegung, die im späten 18. Jahrhundert begann und von Raja Ram Mohan Roy angeführt wurde, spürbar. Eine Gruppe brillanter und rebellischer Individuen betrat die Bühne der Geschichte, die westliches Wissen und westliche Wissenschaft im Wesentlichen aus indischer Sicht akzeptierten. Auch Boses Familie war an der Bewegung beteiligt. Sein Vater Surendranath wurde dazu inspiriert, seine eigene Chemie- und Pharmaindustrie aufzubauen. Es löste bald eine politische Bewegung aus, die folgte. Die Unruhen beunruhigten die Briten. Im Jahr 1905, als Bose erst 11 Jahre alt war, teilte der britische Generalgouverneur Lord Curzon Bengalen in zwei Teile. Die Teilung löste weitverbreitete Proteste aus und berührte das Leben vieler junger Menschen. Boses Vater lehrte seinen einzigen Sohn, sich nicht an politischen Bewegungen oder musikalischen Aktivitäten zu beteiligen. Er befolgte den ersten Befehl, missachtete jedoch heimlich den zweiten.

Boses mathematisches Talent begann sich in seinem letzten Schuljahr zu zeigen. Sein Mathelehrer gab ihm einmal bei einem Klassentest 110 Punkte mit der vollen Punktzahl 100. Er beantwortete alle Fragen richtig und zeigte bei einigen Fragen mehr als einen Weg auf, um zu der Antwort zu gelangen. Der Lehrer sagte voraus, dass Bose eines Tages ein großer Mathematiker werden würde.

Anschließend besuchte Bose das renommierte Presidency College, wo zu seinen Professoren der Physiker und Botaniker Jagadish Chandra Bose gehörte, der Entdecker der Mikrowellen und Pionier der Pflanzenelektrophysiologie; und der Chemiker Prafulla Chandra Ray, bekannt für seine Arbeit über Quecksilbernitrit und als großartiger Lehrer, Historiker, Industrieller und Philanthrop. Zu Boses Klassenkameraden gehörte Meghnad Saha, die aus einer armen Familie in Ostbengalen (heute Bangladesch) stammte und später Pionierarbeit in der Astrophysik leistete. Saha war der erste, der Bohrs Atomtheorie anwandte, um Temperatur, Druck und chemische Zusammensetzung eines Sterns anhand des Ionisationsgrads der Atome in der Nähe seiner Oberfläche zu berechnen. Die Arbeit erklärt, warum Sterne je nach Größe und Temperatur völlig unterschiedliche chemische Zusammensetzungen zu haben scheinen.

Bose und Saha wurden gute Freunde. Sie studierten gemeinsam Mathematik und wurden schließlich beide als Assistenzdozenten für Physik am neu gegründeten Institute of Science and Technology der Universität Kalkutta ernannt, das 1914 gegründet worden war. Gemeinsam lernten die beiden Deutsch, Französisch und Englisch, um die Arbeiten von Planck, Einstein und anderen europäischen Wissenschaftlern studieren zu können.

Nach der totalen Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 ereignete sich ein bedeutendes Ereignis in der Physik, als Arthur Eddington beobachtete, dass das Sternenlicht in der Nähe der Sonne abgelenkt wurde. Seine Beobachtungen bestätigten Einsteins Vorhersagen über die Gravitationskrümmung des Lichts. Anschließend übersetzten Bose und Saha sämtliche Arbeiten von Einstein und Hermann Minkowski vom Deutschen ins Englische. Die Universität von Kalkutta veröffentlichte 1920 ein Buch mit dem Titel „Das Relativitätsprinzip“, das einen historischen Überblick von Boses und Sahas Freund Prasanta Chandra Mahalanobis enthielt, der später zu einem Pionier der Statistik in Indien wurde. Dies ist die erste englische Übersetzung von Einsteins Arbeit.

Bose und Saha arbeiteten gemeinsam an ihrer ersten Forschungsarbeit über die Zustandsgleichung für reale Gase. [5] Saha ging dann ins Ausland, um mit Ralph Fowler in England zu arbeiten, wo er seine Theorie der thermischen Ionisation weiterentwickelte. Bose kam als Dozent für Physik an die neu gegründete Universität von Dhaka. Als er in Dhaka Quantentheorie lehrte, bemerkte er erstmals die logischen Probleme in allen bekannten Herleitungen des Planckschen Strahlungsgesetzes für schwarze Körper (Anmerkung des Herausgebers: siehe „Verschiedene Ableitungen der Formel für die schwarze Körperstrahlung und ihre Bedeutung für die Konstruktion der modernen Physik (Teil 4)“). Dieses Problem wurde noch deutlicher, als Saha ihn auf die kürzlich veröffentlichte Herleitung des Gesetzes der Schwarzkörperstrahlung durch Wolfgang Pauli aufmerksam machte.[6] Pauli schlug eine spekulative Wahrscheinlichkeit der Elektron-Photon-Streuung vor, die vom Anfangs- und Endzustand abhing, was damals verrückt erschien. Irgendwann Ende 1923 oder Anfang 1924 kämpfte Bose mit diesem Problem, als ihm die großartige Idee kam. Durch die Verwendung neuer Statistiken behandelte er die Schwarzkörperstrahlung als Photonengas und leitete erfolgreich die Planck-Formel ohne die vorherigen logischen Schwierigkeiten ab. Da er nicht im Philosophical Magazine veröffentlichen konnte, schickte er den Aufsatz an Einstein mit der bescheidenen Bitte, ihn ins Deutsche zu übersetzen und in einer angesehenen deutschen Zeitschrift zu veröffentlichen. Natürlich war Einstein erfreut über die unerwartete Bestätigung seiner Ideen über das Photon, obwohl Bose sie angepasst hatte, um zu den richtigen Statistiken zu gelangen. Einstein übersetzte die Abhandlung selbst und veröffentlichte sie in der Zeitschrift für Physik mit der Anmerkung des Übersetzers: „Meiner Meinung nach stellt Boses Herleitung einen wichtigen Fortschritt dar. Die hier verwendete Methode liefert die Quantentheorie idealer Gase, auf die ich gesondert eingehen werde.“[7]

Damit begann Einsteins Pionierarbeit zur neuen Statistik. In Mitteilungen an die Preußische Akademie in Berlin vom 10. Juli 1924, 8. Januar 1925 und 29. Januar 1925 erweiterte er Boses Methode auf ideale Gase und sagte Bose-Einstein-Kondensate voraus, eine Form ultrakalter Materie, die erst 70 Jahre später beobachtet wurde. [8]

Dieser Befund verdient eine ausführlichere Darstellung.

Die Geschichte der Bose-Statistiken

Am Nachmittag des Sonntags, 7. Oktober 1900, trank Heinrich Rubens Tee mit Planck und erzählte ihm von den neuesten experimentellen Daten zum Schwarzkörperspektrum, die er und Ferdinand Kurlbaum erhalten hatten. Nach Rubens‘ Weggang begann Planck mit der Suche nach einer mathematischen Formel, die auf die Spektraldaten schwarzer Körper passen würde. Seine Formel funktionierte.

Eine neue Naturkonstante h mit der Wirkungsdimension ist enthalten. Es steht im Einklang mit dem klassischen Rayleigh-Jeans-Gesetz und dem empirisch etablierten Wienschen Gesetz, allerdings nur in den Nieder- und Hochfrequenzextremen und nicht in den Zwischenbereichen. Offensichtlich kann aus der klassischen Theorie keine Interpolationsformel abgeleitet werden, die die gesamten Spektrumdaten genau beschreibt. Dies erfordert offensichtlich eine gewisse theoretische Begründung. Planck bemühte sich sehr und führte schließlich in einem „Akt der Verzweiflung …, um das gewünschte Ergebnis um jeden Preis zu erreichen“, das Konzept eines irreduziblen Energiepakets oder Quanten für die Wirkung auf die Hohlraumwände und nicht auf die Strahlung selbst ein.[9] Mitte Dezember 1900 schlug er eine statistische Ableitung vor, die die Verteilung W von Energiequanten in einem hypothetischen Hohlraumwandoszillator beinhaltete. Es gibt keinen anderen Grund, als das erwartete Ergebnis zu liefern. Im Jahr 1907 schrieb er:

Ich suche nicht nach der Bedeutung des Wirkungsquants [Lichtquants] im Vakuum, sondern vielmehr danach, wo Absorption und Emission stattfinden, und [ich] gehe davon aus, dass das, was im Vakuum geschieht, streng durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden kann. [10]

Einstein betrat 1905 die Bühne. Mit seinem Hintergrund in Thermodynamik und statistischer Mechanik und angesichts der Boltzmann-Gleichung für die Entropie, S = k lnW, erkannte er, dass die Grundlage, auf der Planck sein Gesetz hergeleitet hatte, wackelig war. Er vermutete, dass das Gesetz eine nichtklassische, granulare Natur der Strahlung selbst implizierte, und nutzte daher Wilhelm Wiens Ergebnisse zur Strahlungsentropie, um die Volumenabhängigkeit der Entropie der Wärmestrahlung zu berechnen. Einstein gelangte zu der revolutionären Schlussfolgerung, dass sich monochromatische Strahlung geringer Dichte (innerhalb des Gültigkeitsbereichs der Wienschen Strahlungsformel) thermodynamisch so verhält, als bestünde sie aus voneinander unabhängigen Energiequanten gleicher Größe Rßν / N. [11]Der Faktor Rßν/N ist gleich hν. So entstand das Konzept des Lichtquants, heute Photon genannt. Einstein wandte dieses Prinzip auf drei empirisch bekannte Phänomene an: das Stokes-Gesetz bei der Photolumineszenz, den photoelektrischen Effekt und die Ionisierung von Gasen durch ultraviolettes Licht. Von diesen erregte die Anwendung des photoelektrischen Effekts die größte öffentliche Aufmerksamkeit, da sie Einstein schließlich den Nobelpreis einbrachte.

Doch Einsteins Idee unabhängiger Energiequanten war mit eigenen Problemen behaftet. Władysław Natanson sowie Paul Ehrenfest und Heike Kamerlingh Onnes zeigten, dass es im Widerspruch zum Planckschen Strahlungsgesetz und damit zur Planck-Verteilung W steht, die nicht unterscheidbare und korrelierte Quanten anstelle von unabhängigen Quanten erfordert. [12]

Die meisten Physiker standen der Lichtquantenhypothese skeptisch gegenüber, selbst nachdem Robert Millikans sorgfältige Arbeit über den photoelektrischen Effekt Einsteins einfache Gleichungen bestätigt hatte. Millikan selbst kommentierte in seiner Arbeit von 1916: „Die Semikorpuskulartheorie, aus der Einstein diese Gleichung ableitete, scheint jedoch gegenwärtig völlig unhaltbar zu sein.“[13] Das Hauptproblem bestand darin, die seit langem bekannte Wellennatur der Strahlung anhand von Lichtquanten zu erklären. Dieses Vorurteil war so stark, dass sogar Planck, Rubens, Walther Nernst und Emil Warburg, die Einstein unbedingt nach Berlin holen wollten, sich gezwungen sahen, an das preußische Unterrichtsministerium zu schreiben:

Dass er mit seinen Spekulationen manchmal vom Thema abkam, etwa in seiner Quantentheorie des Lichts, war nicht seine Schuld. Denn in den präzisesten Naturwissenschaften ist jede Innovation mit Risiken verbunden. [14]

Bohr lehnte auch die Idee von Lichtquanten ab und vermied die Verwendung des Begriffs in seiner Arbeit über das Atommodell von 1913.[15] In Anlehnung an Planck führte er Übergänge zwischen stationären Zuständen von Atomen ein, die zur Absorption oder Emission klassischer Strahlung führen, deren Frequenz durch die Beziehung ν = (E1-E2)/h bestimmt wird. Entgegen der üblichen Lehrbuchmeinung erwähnte er Lichtquanten überhaupt nicht.

Schließlich lieferte der Compton-Effekt im Jahr 1923 starke experimentelle Beweise für die Existenz von Lichtquanten. Die klassische Wellentheorie der Strahlung kann die beobachteten Änderungen der Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlen nicht erklären. Die Beobachtungen verdeutlichen deutlich den grundlegenden Prozess des Energietransfers zwischen Lichtquanten und Elektronen in Atomen.

Trotz der zunehmenden empirischen Beweise, die die Lichtquantenhypothese stützen, bleibt ihre theoretische Grundlage in dreierlei Hinsicht unbefriedigend. Erstens besteht ein grundlegender Konflikt zwischen der statistischen Unabhängigkeit von Einsteins Lichtquanten und dem Planckschen Strahlungsgesetz. Zweitens gibt es trotz zahlreicher Versuche berühmter Physiker, darunter Planck selbst sowie Einstein, Ehrenfest, Pauli und Debye, keine logisch zufriedenstellende Herleitung des Planckschen Strahlungsgesetzes. [16] Alle diese Versuche sind zwar genial, haben aber einen Fehler. Bei allen Herleitungen wird der erste Faktor des Planckschen Strahlungsgesetzes, 8πν2dν/c3, immer als Anzahl der strahlenden Schwingungsmoden pro Volumeneinheit gemäß der klassischen Elektrodynamik angenommen. Diese Autoren leiteten den zweiten Faktor auf unterschiedliche Weise ab, indem sie spezifische (Ad-hoc-)Regeln für verschiedene zugrunde liegende Prozesse annahmen. Drittens verwendeten alle diese Versuche, mit Ausnahme von Debyes, Plancks Annahme, dass die Quantisierung auf den Energieaustausch zwischen Strahlung und Materie beschränkt sei, der Compton-Effekt zeigte jedoch, dass die Strahlung selbst aus Energiequanten bestand.

Im Jahr 1924 leitete Bose das vollständige Plancksche Strahlungsgesetz einschließlich des ersten Faktors aus der Quantentheorie ab und löste damit alle diese Probleme auf einen Schlag. Dies erreichte er, indem er Plancks Methode zur Quantisierung von Materieoszillatoren auf die Strahlung selbst verallgemeinerte. Der erste Faktor äußert sich neben dem Faktor 2 letztlich in der Anzahl der irreduziblen Phasenzellen im Phasenraum des Photons, also in der Anzahl der Quantenzustände des Photons und damit in der Anzahl der möglichen Anordnungen des Photons. Die Quantenzustände von Photonen unterscheiden sich also nur durch die Anzahl der Photonen in jedem Zustand. Diese Tatsache impliziert direkt, dass Photonen und nicht nur hypothetische Oszillatoren innerhalb der Hohlraumwände nicht zu unterscheiden sind. Damit wird die gesamte Physik verständlich.

Am 4. Juni 1924 schrieb Bose an Einstein:

Ich erlaube mir, Ihnen meinen Aufsatz zuzusenden, in der Hoffnung, dass Sie ihn prüfen und mir Ihre Kommentare zukommen lassen. Ich bin sehr gespannt auf Ihre Meinung zu dem Papier. Sie werden sehen, dass ich den Koeffizienten 8πv^2/c^3 im Planckschen Gesetz ohne Verwendung der klassischen Elektrodynamik hergeleitet habe, indem ich einfach angenommen habe, dass der Phasenraum in viele kleine Gitter mit der Größe h^3 [17] unterteilt werden sollte. [Anmerkung des Übersetzers: In Boses Originalbrief drückte er dann seinen Wunsch aus, Einstein um Hilfe bei der Veröffentlichung zu bitten: „Mein Deutsch reicht nicht aus, um den Artikel ins Deutsche zu übersetzen. Wenn Sie meinen, dieser Artikel sei veröffentlichungswürdig, helfen Sie bitte mit, seine Veröffentlichung in der Zeitschrift für Physik zu organisieren. Obwohl ich Ihnen völlig fremd bin, stelle ich diese Bitte ohne zu zögern. Denn wir sind alle Ihre Schüler, auch wenn wir Ihren Lehren nur durch die Lektüre Ihrer Artikel folgen können.“]

Originaltext: Ich habe es gewagt, Ihnen den Begleitartikel zur Durchsicht und Meinungsäußerung zuzusenden. Ich bin gespannt, was Sie davon halten. Sie werden sehen, dass ich versucht habe, den Koeffizienten (8πv^2/c^3) im Planckschen Gesetz unabhängig von der klassischen Elektrodynamik abzuleiten, indem ich lediglich annahm, dass die ultimativen Elementarbereiche im Phasenraum den Inhalt h^3 haben.

In einem Brief an P. Ehrenfest vom 12. Juli desselben Jahres schrieb Einstein: „Der Inder Bose hat eine schöne Herleitung des Planckschen Strahlungsgesetzes mit der Konstanten (8πv^2/c^3) gegeben.“ [18]

Da die beiden Polarisationszustände des Lichts jedoch nicht vollständig quantenmechanisch sind, musste seine Herleitung des ersten Faktors um den Faktor 2 ergänzt werden. In einer Postkarte an Bose vom 2. Juli schrieb Einstein:

Liebe Kolleginnen und Kollegen,

Ich habe Ihren Artikel übersetzt und ihn zur Veröffentlichung an die Zeitschrift für Physik geschickt. Das ist ein bedeutender Schritt nach vorne und gefällt mir sehr gut. Tatsächlich glaube ich, dass Ihr Einwand gegen meine Arbeit unzutreffend ist. Denn das Wiensche Verschiebungsgesetz setzt keine Wellen(fluktuations)theorie voraus und das Bohrsche Korrespondenzprinzip ist völlig unanwendbar. Es spielt jedoch keine Rolle. Sie sind der Erste, der diesen Faktor aus der Quantentheorie ableitet, auch wenn der Polarisationsfaktor von 2 nicht ganz streng ist. Dies ist ein schöner Schritt nach vorne.

Aufrichtig,

Gruß,

Dein,

Einstein[19]

Viele Jahre nach diesem Briefwechsel sprach ich mit Bose über den Faktor 2 in seiner Ableitung. Ich besuchte ihn eines Nachmittags und fand ihn in tiefen Gedanken versunken vor. Er erinnerte sich an sein Treffen und Gespräch mit Einstein in Berlin im Jahr 1925. Plötzlich sagte er mir, er wolle mir etwas Vertrauliches mitteilen und ich dürfe es niemandem erzählen. Er stand auf und schloss die Türen und Fenster. Ich war voller Zweifel. Er setzte sich hin und erzählte mir die folgende Geschichte.

„Wissen Sie“, sagte er, „in meiner Herleitung des Planckschen Strahlungsgesetzes fehlte ein Faktor zwei. Ich schlug daher vor, dass dieser Faktor daher rührt, dass Photonen einen Spin haben, der parallel oder antiparallel zur Bewegungsrichtung sein kann. Das ergab den zusätzlichen Faktor zwei. Doch der alte Mann [Einstein] strich ihn durch und meinte, man müsse nicht über den Spin sprechen, und der Faktor zwei käme von den beiden Polarisationszuständen des Lichts.“

Dann lächelte er schelmisch und sagte in taktvollem Ton zu mir: „Rotierende Teilchen verstehe ich, aber was bedeutet die Polarisation von Teilchen?“

Ich war so schockiert! Sagen Sie ihm sofort:

„Sir, als der Photonenspin schließlich entdeckt wurde, warum haben Sie Einstein nicht bereits 1924 davon erzählt? Jemand wie Einstein hätte Sie zweifellos unterstützt, und Sie hätten den Nobelpreis gewonnen!“

Er sah mich ruhig an und sagte: „Was macht es schon, wer es findet?“ Dann sagte er mit einem triumphierenden Lächeln: „Es wurde doch trotzdem gefunden, oder?“

Das ist Bose.

Viel später, etwa 1993, als wir uns auf Boses hundertsten Geburtstag vorbereiteten, blätterte ich in der Bibliothek der Indian Association for the Cultivation of Science in alten Ausgaben und stieß dabei auf einen Aufsatz von Chandrasekhara Venkata Raman und Suri Bhagavantam aus dem Jahr 1931 im Indian Journal of Physics mit dem Titel „Experimental Proof of the Spin of the Photon“. Ich war sehr interessiert und begann, es zu lesen. Der Inhalt hat mich sofort schockiert:

Bei seiner berühmten Herleitung der Planck-Strahlungsformel aus der Quantenstatistik erhielt Professor Bose einen Ausdruck für die Anzahl der Elementarzellen, die die Strahlung im Phasenraum einnahm, und er fand heraus, dass dieser mit dem numerischen Faktor 2 multipliziert werden musste, um daraus die richtige Anzahl möglicher Quantenanordnungen pro Volumeneinheit zu erhalten. Die Notwendigkeit dieses Faktors wurde in der veröffentlichten Arbeit nicht im Detail diskutiert, aber aus seiner privaten Korrespondenz wissen wir, dass er sich die Möglichkeit vorgestellt hatte, dass ein Quantenteilchen zusätzlich zu seiner Energie hν und seinem linearen Impuls hν/c auch einen intrinsischen Spin oder Drehimpuls ±h/2π um eine Achse parallel zu seiner Bewegungsrichtung haben könnte. Der Gewichtungsfaktor 2 ergibt sich daher aus der Möglichkeit, dass der Quantenspin rechts- oder linkshändig ist, entsprechend den beiden alternativen Vorzeichen des Drehimpulses. Diese Sichtweise unterscheidet sich grundlegend von den bekannten Ergebnissen der klassischen Elektrodynamik. In der klassischen Elektrodynamik ist es ein bekanntes Ergebnis, das von [John Henry] Poynting abgeleitet und von [Max] Abraham weiter entwickelt wurde, dass ein Lichtstrahl unter bestimmten Umständen einen Drehimpuls haben kann. … Gemäß der klassischen Feldtheorie ist der mit einem Energiequant verbundene Drehimpuls also nicht eindeutig definiert, wohingegen gemäß der Ansicht, mit der wir uns in diesem Artikel befassen, der Drehimpuls eines Photons immer einen bestimmten Wert von einer Bohr-Einheit hat und eines von zwei möglichen, miteinander inkompatiblen Vorzeichen annimmt. [20]

[Anmerkung des Übersetzers: Es wird allgemein angenommen, dass der strenge Beweis des Photonen-„Spinfaktors 2“ auf der Konstruktion einer unitären Darstellung der Poincaré-Gruppe beruht. Einzelheiten finden Sie in Kapitel 5 von Band 1 von S. Weinbergs „Quantum Field Theory“. Eine einfache Erklärung basierend auf physikalischer Intuition: Bei masselosen Teilchen (wie Photonen) ist eine longitudinale Polarisation unmöglich. 】

Ihr Experiment bewies endgültig und schlüssig, dass Boses Ideen richtig waren, und ermöglichte die erste experimentelle Messung des Spins eines Photons. Diese Tatsache ist Wissenschaftlern und Wissenschaftshistorikern nahezu unbekannt.

Ich bin begeistert! Doch gleichzeitig bin ich verwirrt über Boses Zurückhaltung, diese Geschichte zu erzählen. Immerhin hatte Raman es 1931 veröffentlicht. Hat Bose Ramans Artikel vergessen? Natürlich nicht – wer könnte es vergessen, seine revolutionären Ideen so überzeugend zu vertreten? Und Bose hatte ein erstaunliches Gedächtnis. Hat Raman Bose nichts von seinen Ergebnissen erzählt? Auch dies erscheint unwahrscheinlich. Wie dem auch sei, von diesem Zeitpunkt an brach ich mein Versprechen, diese Geschichte nicht preiszugeben. Ich fühle mich deswegen nicht schuldig; Es ist wichtig, dass die Geschichte der Wissenschaft gut bekannt ist.

Übrigens habe ich mich sehr bemüht, eine Kopie der englischen Originalversion des Papiers zu bekommen, das Bose an Einstein schickte. Ich möchte bestätigen, was der Faktor 2 ist. In den Einstein-Archiven gibt es kein solches Dokument, allerdings sind dort das Anschreiben und Einsteins Antwort zu finden, in der er das Rätsel erwähnt. Und Bose selbst hat nie eine Kopie behalten.

Dennoch war es damals schwer vorherzusehen, dass ein kurzer Aufsatz von nur etwa vier Seiten ohne Referenzen letztendlich tiefgreifende Auswirkungen auf das breite Gebiet der Physik haben würde.

Bosonen in der Teilchenphysik

Eine der ersten Auswirkungen von Boses Arbeit bestand darin, dass der britische Physiker Paul Dirac das Wort Boson prägte, um Quantenteilchen zu bezeichnen, die der Bose-Einstein-Statistik gehorchen. Neben Bosonen gibt es nur eine weitere Klasse von Quantenteilchen: Fermionen, die von Dirac unabhängig von Enrico Fermi entdeckt wurden. Bosonen und Fermionen gehorchen zwei Arten der Quantenstatistik: der Bose-Einstein-Statistik und der Fermi-Dirac-Statistik. Da die ursprüngliche Idee der Quantenstatistik von Bose stammte, entschied sich Dirac, die Teilchen, die der früheren Statistik gehorchten, als Bosonen zu bezeichnen; Aus Bescheidenheit nannte er den anderen Typ Fermionen. Diese Namen tauchten erstmals in Diracs klassischer Monographie „The Principles of Quantum Mechanics“ auf. [einundzwanzig]

Es stellt sich heraus, dass der intrinsische Spin eines Bosons nℏ ist, n = 0, 1, 2, …; und der Spin eines Fermions ist (n+1/2) ℏ, was als Spin-Statistik-Theorem bezeichnet wird. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen besteht darin, dass eine beliebige Anzahl identischer Bosonen denselben Quantenzustand einnehmen kann, während zwei oder mehr identische Fermionen nicht denselben Quantenzustand einnehmen können. Das Klumpenverhalten von Bosonen führt zur Bose-Einstein-Kondensation; während die Indifferenz der Fermionen durch das Pauli-Prinzip zum Ausdruck kommt – dies ist der Grund, warum wir nicht einen Finger durch einen anderen stecken können, nämlich die Starrheit der Materie.

Die Grundbausteine ​​des Universums können nur Bosonen und Fermionen sein. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik sind Leptonen – darunter Elektronen, Myonen (μ), Tauonen (τ), Neutrinos und ihre Antiteilchen sowie Quarks und ihre Antiteilchen – allesamt Fermionen. Die Quantenanregungen, die die zwischen ihnen wechselwirkenden Felder übertragen, sind allesamt Bosonen, einschließlich Photonen, die elektromagnetische Wechselwirkungen übertragen; W± und Z, die schwache Wechselwirkungen wie Radioaktivität übertragen; und Gluonen, die Quarks zu Hadronen wie Neutronen, Protonen und Pionen verbinden.

Das Standardmodell erfordert außerdem ein Elementarteilchen, um die Masse der Leptonen zu erzeugen. Andernfalls wären Leptonen wie Photonen masselos und würden mit Lichtgeschwindigkeit davonfliegen, und es könnten sich im Universum keine Atome bilden. Dieses Teilchen ist ein Boson mit Spin 0. Es ist nach Peter Higgs von der Universität Edinburgh Higgs-Boson genannt, obwohl mehrere andere Physiker das Teilchen etwa zeitgleich mit Higgs im Jahr 1964 vorgeschlagen haben. Es dauerte fast ein halbes Jahrhundert, bis der Large Hadron Collider, ein mehrere Milliarden Dollar teurer Teilchenbeschleuniger am CERN, es fand.

Dieses mit großer Spannung erwartete Ergebnis wurde schließlich am 4. Juli 2012 von CERN-Direktor Rolf-Dieter Heuer bekannt gegeben. Zu einer großen Menschenmenge, die sich in der Halle versammelt hatte, in der Higgs und François Englert saßen, die sich für ihre Arbeit den Nobelpreis 2013 teilten, und von denen viele die ganze Nacht in der Schlange gestanden hatten, sagte er einfach: „Ich glaube, wir haben es gefunden.“

Bosonen in der Kosmologie

Das Higgs-Boson ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis, wie die Masse der Leptonen beim Urknall entstand. Im Jahr 1964 entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson mithilfe der Holmdel-Hornantenne in den Bell Labs in Princeton zufällig die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, ein starker Beweis für ein heißes frühes Universum, wie es die Urknalltheorie impliziert und der konkurrierenden Steady-State-Theorien widerspricht. Für diese bahnbrechende Entdeckung erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik. Es stellt sich heraus, dass die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ein reines Planck-Spektrum aufweist. Dies deutet darauf hin, dass es sich um Schwarzkörperstrahlung im thermischen Gleichgewicht bei einer Temperatur von 2,7 K handelt. Dies geht aus präzisen Beobachtungen hervor, die 1994 mit dem Far Infrared Absolute Spectrophotometer auf dem Satelliten Cosmic Background Explorer durchgeführt wurden.

Es war die experimentelle Messung des Spektrums der Schwarzkörperstrahlung in den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts, die im Jahr 1900 zu Plancks Entdeckung der Quantentheorie führte. Dieses Planck-Spektrum ermöglichte es Bose im Jahr 1924, neue statistische Erkenntnisse zu gewinnen.

Bose-Einstein-Kondensat

Zunächst fand jeder diese neue Statistik seltsam, außer Einstein, der ihre Bedeutung sofort verstand. Boses Methode zur Berechnung der Quantenzustände von Strahlung zeigte, dass Photonen einer bestimmten Frequenz nicht zu unterscheiden waren. Dies bedeutet, dass die Photonen nicht kontinuierlich verfolgt werden können, was auf einen diffusen, wellenförmigen Charakter hindeutet. Einstein erkannte sofort, dass eine solch grundlegende Eigenschaft nicht auf Strahlung beschränkt sein konnte, sondern auch für gewöhnliche Materie gelten musste. Er berechnete die Schwankungen der Teilchenanzahldichte in einem sehr kleinen Volumen Bose-Gas. Er fand zwei: eines, das aus der Teilchennatur der Materie entstand, und eines, das überraschend war – es deutete auf eine wellenartige Eigenschaft der Materie hin. Er erinnerte sich sofort an die Doktorarbeit eines jungen französischen Gelehrten namens Louis de Broglie, in der er die Möglichkeit von Materiewellen vorschlug, die der dualen Natur der Strahlung ähnelten. Einstein schien zunächst Vorbehalte gegenüber de Broglies Ideen zu haben, doch durch seine eigenen Berechnungen auf der Grundlage von Bose-Gasen wurde ihm klar, dass die wellenartigen Eigenschaften des Gases mehr als nur Analogien waren. [22] Anschließend begann er mit dem Verfassen einer Reihe von Artikeln, in denen er Boses Zählmethode und ihre Auswirkungen auf materielle Gase erläuterte. Einstein beschrieb die Bedeutung der Verknüpfung von De-Broglie-Wellen mit Materiegasen mithilfe der Formel für die Wellenlänge von Materiewellen, λ = h/mv, und schlug Molekularstrahlexperimente zur Prüfung der wellenartigen Eigenschaften von Materie vor. Er kam außerdem zu dem Schluss, dass bei extrem niedrigen Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes alle Teilchen in den Grundzustand des Systems kondensieren, wenn keine Anziehungskräfte vorhanden sind, und zwar einfach aufgrund ihrer statistischen Eigenschaften[23].

Diese Wellenlängen überlappten sich so stark, dass sie ihre getrennten Identitäten verloren und eine massive wellenartige Einheit bildeten, die mit nichts vergleichbar war, was man damals kannte – ein exotischer Quantenzustand der Materie, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt wurde.

Erst 70 Jahre später gelang es Menschen, Bose-Einstein-Kondensate im Labor herzustellen. Die Physiker mussten auf die Entwicklung äußerst ausgefeilter Laserkühlungs- und Verdampfungskühlungstechniken warten, bevor sie Atome erzeugen konnten, die so kalt waren, dass sie fast den absoluten Nullpunkt erreichten. Schließlich produzierten Eric Cornell und Carl Wieman von der University of Colorado Boulder am 5. Juni 1995 im NIST-JILA-Labor das erste gasförmige Kondensat. Es wird in einem Gas aus Rubidiumatomen erzeugt, das auf 170 Nanokelvin, knapp über dem absoluten Nullpunkt, gekühlt wird. Kurz darauf erzeugten Wolfgang Ketterle und sein Team am MIT ebenfalls ein Bose-Einstein-Kondensat in einem Gas aus Natriumatomen. Alle drei Forscher erhielten für ihre Entdeckungen 2001 den Nobelpreis für Physik. Dem Nobelkomitee zufolge brachten die drei Wissenschaftler die Atome dazu, „im Einklang zu singen“. [vierundzwanzig]

Die neueste Arbeit zum Thema Bose-Einstein-Kondensat [Anmerkung des Übersetzers: Dies bezieht sich auf den Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels] wurde im Juni 2020 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Sie trug den Titel „Observation of Bose–Einstein Condensates in an Earth-Orbiting Research Lab“[25]. Das Ziel dieser Forschung besteht darin, die Auswirkungen der Schwerkraft auf eine große Anzahl von Atomen zu überwinden, indem man sie in eine Umgebung mit Mikrogravitation versetzt. Dies kann auf einem Satelliten im freien Fall erreicht werden, der die Erde umkreist. Dadurch wird die freie Fallzeit der Atome verlängert, sobald sie aus der „Falle“ entlassen werden, und ihre Beschränkungen auf der Erde werden überwunden.

Suprafluidität und Supraleitung

Obwohl das Bose-Einstein-Kondensat erstmals 1995 direkt beobachtet wurde, häuften sich seit seiner Entdeckung indirekte Hinweise auf Suprafluidität und Supraleitung. Ein Suprafluid ist eine Flüssigkeit mit Nullviskosität, die durch enge Röhren fließen kann, ohne kinetische Energie zu verlieren. Im Jahr 1938 entdeckten Pjotr ​​Kapiza und John Allen dieses Phänomen: Wenn zwei Isotope von Helium, Helium-3 und Helium-4, auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, verflüssigen sie sich und weisen Suprafluidität auf. Suprafluidität kann zu einer Vielzahl exotischer Materiezustände führen, von denen angenommen wird, dass sie in der Astrophysik, der Hochenergiephysik und einigen Theorien der Quantengravitation auftreten.

Suprafluidität ist eine Manifestation der Bose-Einstein-Kondensation. Es kommt in Helium-4 vor, dessen Atome einen ganzzahligen Spin haben und daher bosonisch sind und unterhalb einer kritischen Temperatur kondensieren können. Die Temperatur, bei der Helium-3-Suprafluidität auftritt, ist viel niedriger als die von Helium-4, da Helium-3-Atome Fermionen sind und eine Kondensation nur auftreten kann, wenn sich zwei Helium-3-Atome zu zusammengesetzten Bosonen paaren. David Lee, Douglas Osheroff und Robert Richardson erhielten 1996 den Nobelpreis für ihre Entdeckung der Helium-3-Suprafluidität. Im Jahr 2003 erhielt Anthony Leggett den Nobelpreis für seine Arbeit an einer quantenmechanischen Theorie der Helium-3-Suprafluidität, die auf den Eigenschaften gepaarter Bosonen basiert.

Bestimmte Materialien werden unterhalb einer kritischen Temperatur supraleitend. Bei dieser Temperatur verlieren sie plötzlich jeglichen Widerstand und verdrängen den magnetischen Fluss, was als Meissner-Effekt bezeichnet wird. Wie Onnes 1911 entdeckte, kann elektrischer Strom ohne Stromquelle endlos durch eine supraleitende Spule fließen. Es handelt sich nicht um eine perfekte Leitfähigkeit, wie man vielleicht denken könnte, und sie kann nicht mit der klassischen Physik erklärt werden. Die erste mikroskopische quantenmechanische Theorie der Supraleitung wurde 1957 von John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer vorgeschlagen. In dieser BCS-Theorie (Bardeen-Cooper-Schrieffer) genannt, entsteht Supraleitung durch die Kondensation eines Elektronenpaars mit entgegengesetztem Impuls, die durch den Austausch von Phononen interagieren und so zusammengesetzte Bosonen mit ganzzahligem Spin bilden. Dieser Prozess ähnelt der Suprafluidität in Helium-3. Für diese Arbeit erhielten Bardeen, Cooper und Schrieffer 1972 den Nobelpreis für Physik. [26]

Bosonen, Fermionen und Supersymmetrie

Die Tatsache, dass Partikel in zwei grundlegenden Typen, Bosonen und Fermionen und nicht nur einer, die Physiker dazu veranlasst haben, nach einer einheitlichen Partikeltheorie zu suchen, die eine Beziehung zwischen den beiden vorschlägt - etwas, das als Supersymmetrie bezeichnet wird. Wenn diese Symmetrie existiert, würde sie die apathischen Fermionen und die klumpenden Bosonen in eine einzige große Familie zusammenbringen und die Existenz vieler unentdeckter Partikel implizieren. Letzteres könnte elegante Lösungen für viele schwierige Bereiche des Standardmodells liefern. In der Supersymmetrie hat jeder Boson und Fermion ein assoziiertes Teilchen seines entgegengesetzten Typs, der als Superpartner bezeichnet wird. Zum Beispiel ist das Elektron ein Fermion und verfügt über einen supersymmetrischen Partner namens Selectron, ein Boson. In einer vollständig supersymmetrischen Theorie weist jedes Paar supersymmetrischer Partner die gleiche Massen- und interne Quantenzahlen auf, mit Ausnahme ihrer unterschiedlichen Spins.

Aber wenn solche "Superbegleiter" existieren, hätten sie vor langer Zeit entdeckt werden sollen. Daher spekulierten die Menschen, dass die Supersymmetrie möglicherweise sanft gebrochen ist, sodass sich die supersymmetrischen Partner in der Masse unterscheiden können. Wenn die Theorie korrekt ist, würde sie wichtige Probleme lösen, z. Physiker sind zuversichtlich, dass sie vielleicht immer noch diese Probleme im Standardmodell haben, dass sie bisher nur die Hälfte des Bildes gesehen haben.

Bisher gibt es keine experimentellen Beweise dafür, dass die Supersymmetrie existiert, und es gibt auch keine Hinweise darauf, dass andere Erweiterungen des aktuellen Modells eher anwendbar sein können. Das Studium über die Standardmodellphysik hinaus erfordert eine besondere Gestaltung von Partikelbeschleunigern. Die neuesten Entwicklungen im verbesserten großen Hadron -Collider haben in einigen supersymmetrischen Forschungslagern ziemlich frustriert. [27]

Bose in Europa

Unter Verwendung der von Einstein am 2. Juli 1924 gesendeten Dankkarte beantragte Bose einen zweijährigen Studienurlaub an der Dhaka University, um die Labors in Europa zu inspizieren. Sein Antrag wurde sofort genehmigt. Sein erster Stopp war Paris, wo er am 18. Oktober ankam. Er lebt vorübergehend in der Rue du Sommerard 17 im lateinischen Viertel, wo es ein Paradies für indische Gelehrte ist. Sein Hauptinteresse besteht darin, die europäischen Labors zu besuchen, um die neuesten Technologien zu lernen, insbesondere die Radiochemie und die Röntgenkristallographie, die weit von seiner theoretischen Forschung in der Quantentheorie entfernt sind. Er war berühmt, bevor er in Paris ankam, also war der Besuch nie ein Problem. Aber was geschah, als er Madame Curie zum ersten Mal traf, war etwas unerwartet. Mit einem Empfehlungsschreiben von Paul Langevin, der mit seiner Arbeit vertraut ist, ging er nach Curie, um Radioaktivität zu studieren. In seinen eigenen Worten,

Ich durfte in ihr kleines Zimmer. Die große alte Frau saß da, gekleidet in Schwarz. Ich kann sie von ihren Fotos erkennen. Ich gab ihr den Empfehlungsschreiben. Sie begrüßte mich herzlich und sagte, sie könne den Empfehlungsschreiben einer solchen Person nicht ignorieren. Sie sagte, Sie werden definitiv die Möglichkeit haben, mit mir zusammenzuarbeiten, aber nicht jetzt, sondern drei oder vier Monate später. Lernen Sie Französisch oder Sie werden es schwierig finden, im Labor zu arbeiten. Ich glaube nicht, dass Sie es eilig haben.

Sie sprach ungefähr zehn Minuten ruhig in reinem Englisch. Ich hatte nicht die Gelegenheit, ihr zu sagen, dass ich bereits ein wenig Französisch kannte. Ich habe seit zehn Jahren zu Hause Französisch zu Hause gelernt. Als ich mich verabschiedete, sagte ich, dass ich ihren Anweisungen befolgen würde, um es zu tun. [28]

In den nächsten sechs Monaten untersuchte Bose Röntgenkristallographie und Spektroskopie im Labor von Maurice de Broglie, Louis de Broglies Bruder. Anschließend kehrte er zum Radium Institute in Curie zurück, wo er mehrere Monate lang arbeitete.

Sein nächstes Ziel war Berlin, das im Oktober 1925 ankam. Am 8. Oktober schickte er Einstein eine E -Mail in der Hoffnung, ihn zu treffen, aber Einstein war zu der Zeit nicht in Berlin, also trafen sie sich erst, nachdem er zurückgekommen war. Seitdem trafen sich die beiden häufig und diskutierten zu diesem Zeitpunkt umfangreiche Diskussionen über Physik und andere Interessenfragen. Sie haben unterschiedliche Ansichten zur Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlung. Einstein glaubt, dass spontane Strahlung eine inhärente Eigenschaft eines Atoms ist, während Bose der Ansicht ist, dass dies das Ergebnis einer neuen Statistik ist.

Einstein gab Bose einen Einführungsschreiben, der ihm half, die notwendigen Privilegien zu erhalten, Bücher aus der Universitätsbibliothek auszuleihen und an physischen Vorlesungen teilzunehmen. Er hatte auch die Gelegenheit, wichtige wissenschaftliche Persönlichkeiten wie Fritz Haber, Otto Hahn, Herman Mark, Lise Meitner, Michael Polanyi, Richard von Mises und Eugene Wigner zu treffen.

Bose beschrieb die aufregenden Dinge zu dieser Zeit in Berlin. In einem Brief an Jacqueline Zadoc-Kahn, einen Physiker in Paris, schrieb er:

Jeder in Berlin (jeder Physiker) scheint sehr aufgeregt über den Fortschritt der Physik zu sein, vor allem im letzten Jahr ([28. Oktober]) hielt Heisenberg seine Theorie in einem Workshop, und dann gab es im letzten Workshop einen langen Vortrag über die jüngste spintronische Hypothese (vielleicht haben Sie davon gehört). Jeder ist verwirrt und es wird bald eine Diskussion über Schrödingers Papier geben. Einstein schien darüber aufgeregt zu sein. Vor ein paar Tagen, als wir aus der Diskussion zurückkamen, fanden wir ihn plötzlich aufstiegen. In dem Wagen, in dem wir saßen, sprach Einstein aufgeregt über den Bericht, den wir gerade gehört hatten. Er musste zugeben, dass es eine großartige Sache schien, die vielen Dinge zu berücksichtigen, auf die sich diese neuen Theorien beziehen und erklären, aber er war sehr beunruhigt über die Irrationalität all dessen. Wir schwiegen alle, aber er sagte fast immer wieder und war sich des Interesses und der Zweifel nicht bewusst, die er in den Herzen anderer Passagiere verursacht hat. [29]

Zurück zum Dacard

Kurz nach seiner Rückkehr zur Dhaka University wurde Bose zum Professor, Vorsitzender der Abteilung für Physik und Dekanin der School of Science. Er begann, das experimentelle wissenschaftliche Wissen zu nutzen, das er in Europa erlangte, um die Hochschulbildung und die wissenschaftlichen Forschung des Landes zu verbessern, das Labor neu zu gestalten und mit der Erforschung von Röntgenkristallographie, Spektroskopie und Kristallmagnetismus zu forschen. Er arbeitete auch viel im Bereich der Chemie und trainierte Doktoranden seines Freundes Jnan Chandra Ghosh. Gao Shi untersucht starke Elektrolyte und ist oft nicht in der Schule. Anstatt sich der theoretischen Chemie zu widmen, zieht er es vor, chemische Substanzen zu synthetisieren und zu analysieren, die zu dieser Zeit von praktischer Bedeutung waren. Diese Idee stammt vielleicht aus der kleinen chemischen Pflanze seines Vaters und seinem Lehrer Purafura Ray, Gründer der indischen Chemieindustrie. Bose hat ein kleines Labor für Chemie eingerichtet, um die Schüler zu ermutigen, Emetin, Sulfa -Medikamente und andere Medikamente zu synthetisieren. Die meisten seiner Erfolge wurden noch nie veröffentlicht, und die wenigen veröffentlichten Artikel haben fast keinen Namen. [30]

Bose war sachkundig und talentiert, und sein Büro an der Dhaka University wurde zu einem Zentrum für freie Austauschdiskussionen mit Themen, die von Physik, Chemie, Mathematik, Statistik, Geschichte, Linguistik und mehr reichen. In seiner Freizeit wird er schwierige mathematische Probleme lösen. Krianikkam Srinivasa Krishnan, der den Raman -Effekt mit Raman entdeckte und später zu der Dhaka University kam, sagte: "Dr. Bose kann Spaß bei komplexen Problemen finden. Sobald er das Problem löst, wird seine Begeisterung verschwinden. [31] Legende besagt, dass Doktoranden diese weggeworfenen Beweise sammeln würden, während die Bose weg ist, und sie in ihrer Doktorarbeit einsetzen.

Kehre nach Kolkata zurück

Die indische Unabhängigkeitsbewegung war in den 1940er Jahren in vollem Gange. Die Aufteilung Bangladeschs steht unmittelbar bevor und wird mit Dhaka als Hauptstadt in Westbengalen und Ostbengalen unterteilt. 1945 verließ Bose Dhaka mit schwerem Herzen und wurde Professor für Physik an der School of Science der Universität von Kolkata. Er arbeitete dort bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1956.

In Kolkata verbrachte Bose auch seine Arbeitszeit für experimentelle Wissenschaft und nicht mit der theoretischen Physik. Er gründete ein Röntgenlabor, um organische Chemiker zu ermutigen, die molekulare Struktur durch Röntgenanalyse zu bestimmen. Er beschäftigte sich auch mit Thermolumineszenzforschung und entwickelte eine neue schnelle Scan -Technik, um Veränderungen des Thermolumineszenzspektrums zu untersuchen. Dies eröffnet neue Wege für die Untersuchung eines schnellen kontinuierlichen Scannens. 1954 berichtete er diese Ergebnisse bei der 3. Generalversammlung der Internationalen Union of Crystalography in Paris.

Bose hat auch eine spezielle Pulverkamera und einen differentiellen thermischen Analysator entwickelt, um die Struktur von Tonmineralien zu analysieren, die aus verschiedenen Teilen Indiens gesammelt wurden. Seine Schüler AK Bose und Purnima Sengupta veröffentlichten diese Ergebnisse 1954 in der Zeitschrift Nature [32]. Diese Bemühungen sind vielleicht nicht das Zeichen seines Genies, aber sie demonstrieren sein Engagement für den Aufbau einer soliden wissenschaftlichen Kultur für das Land.

Seine Landsleute haben beklagt, dass Menschen, die so talentiert wie er, mehr Beiträge zur Wissenschaft hätten leisten können. Und einige Rest -Unzufriedenheit, weil er den Nobelpreis nicht gewonnen hat - viele haben den Nobelpreis gewonnen, nur weil er Bose richtig beweist. Lev Landau, ein herausragender sowjetischer Physiker und Nobelpreisträger, schlug eine geniale Skala vor, die im 20. Jahrhundert ab 1968 die klügsten Physiker eingestuft hat: geteilt durch die logarithmische Skala mit insgesamt fünf Ebenen. Nach seinen Schätzungen beträgt der Beitrag der erstklassigen (0,5-Level-) Physiker das 10-fache der Zweitklasse; Er hielt Einstein für selbstverständlich, und diejenigen, die die Quantenmechanik entwickelten, waren auf dem gleichen Niveau, und die Bose war unter ihnen. Landau arrangierte sich auf der nächsten Ebene. [33]

In den frühen 1950er Jahren kehrte Bose plötzlich mit großer Begeisterung zur theoretischen Physik zurück, insbesondere Einsteins Einheitstheorie. Er schrieb fünf Papiere in weniger als zwei Jahren, von denen vier in Französisch geschrieben wurden und einige schwierige mathematische Probleme lösen [34]. Dies sind seine letzten wissenschaftlichen Papiere. Obwohl sie alle in international renommierten Zeitschriften veröffentlicht werden, erschien keiner dieser Artikel in einem Überblick über die einheitliche Theorie von 2014 [35]. 1955 freute sich Bose darauf, Einstein auf einer internationalen Konferenz in Bern erneut zu treffen, um den 50. Jahrestag der Geburt der Relativitätstheorie zu feiern und einige neue Ideen mit ihm zu diskutieren. Das Treffen sollte ursprünglich im Juli stattfinden, aber Einstein starb im April. Als die Nachricht von Einsteins Tod kam, schrieb er eine neue Zeitung. Laut Zeugen schwieg er eine Weile, riss dann das Papier und warf es in den Abwärtskabbasket.

1913 war Tagore der erste Nicht-Europäische, der den Nobelpreis gewann. Inspiriert von Tagore verbrachte er viel Zeit damit, die Wissenschaft in seiner Muttersprache zu fördern. 1948 gründete er eine populärisierte Institution für wissenschaftliche Erkenntnisse namens Bangiya Bijnan Parishad (Bangladesch Science Commission).

Nach dem Ruhestand von der School of Science im Jahr 1956 wurde Bose zum Vizepräsidenten der Visva-Bharati-Universität ernannt, das 1921 von Tagore gegründet wurde. Er arbeitete dort nur drei Jahre, bevor er 1959 zum Nationalprofessor für Physik ernannt wurde Abha.

1954 besuchte Dirac zufällig Kolkata und stellte fest, dass Bose noch nicht als Mitglied der Royal Society gewählt worden war. Dirac kehrte nach England zurück, um weiterhin in die Angelegenheit beizutragen. Erst 1958 erkannten ausländische akademische Institutionen seinen Beitrag zur Quantentheorie offiziell an.

Es gibt eine interessante Geschichte über Dirac, die Kolkata besucht. Er kam mit seiner Frau und Bose hierher und einige seiner Schüler gingen zum Bahnhof, um sie abzuholen. Nachdem sie aus dem Zug ausgestiegen waren, wurden sie zu Bose's Limousine gebracht und an den Rücksitzen arrangiert, während Bose und seine Schüler vor den Sitzplätzen drückten. Als Dirac, einer der Schöpfer von Fermi-Dirac-Statistiken, einige Studenten höflich einlud, auf den Rücksitzen zu sitzen, sagte Bose witzig: "Wir glauben an Bose-Statistiken."

Bose starb am 4. Februar 1974. Um ihn dauerhaft zu erinnern, gründete die indische Regierung 1986 das SN Bose National Center for Basic Sciences in Kolkata. Binay Malkar, ein hochrangiger Physiker im Zentrum, sagte einmal:

Verweise

[1] Satyendra Nath Bose, "Plananks Geetz und Lichtquantenhypothese", Zeitschrift für Physik 26 (1924): 178–81, doi: 10.1007/bf01327326. Der Artikel wurde in Satyendranath Bose ins Englische übersetzt, "Plancks Gesetz und die helle Quantenhypothese", Journal of Astrophysics and Astronomy 15 (1924): 3–7, doi: 10.1007/bf03010400.

[2] Bose wird in diesem Effekt in Giuseppe Bruzzaniti, Enrico Fermi: Das gehorsame Genie (New York: Springer, 2010), 82 zitiert.

[3] Abraham Pais, subtil ist der Herr: Die Wissenschaft und das Leben von Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 2005), 428.

[4] Max Planck, „Zur Theorie des Getenetzes der Energieverteilung im Normalenspektrum“, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2 (1900): 146–151, doi: 10.1002/Phbl.19800404040404; Niels Bohr, "Über die Konstitution von Atomen und Molekülen, Teil I", Philosophical Magazine 26, Nr. 151 (1913): 1–24, doi: 10.1080/14786441308634955; Niels Bohr, "Über die Konstitution von Atomen und Molekülen, Teil II", Philosophical Magazine 26, Nr. 153 (1913): 476–502, doi: 10.1080/14786441308634993; Niels Bohr, „Über die Konstitution von Atomen und Molekülen, Teil III“, Philosophical Magazine 26, Nr. 155 (1913): 857–75, doi: 10.1080/14786441308635031.

[5] Meghnad Saha und Satyendra Nath Basu, "Auf den Einfluss des endlichen Molekülenvolumens auf die Zustandsgleichung (mit SN -Bose)", Philosophical Magazine Sr. VI, 36, Nr. 212 (1918): 199–202, doi: 10.1080/14786440808635814.

[6] Wolfgang Pauli, „über thermische Gleigewicht Zwische Strahlung und Freie Elektronen“, Zeitschrift für Physik 18 (1923): 272–86, doi: 10.1007/bf01327708.

[7] Bose, "planks geetz und lichtquantenhypothese"; "Planck's Law and Light Quantenhypothese", Beobachtungen zu Quantencomputer & Physik, 10. Juni 2012.

[8] Albert Einstein, „Quantentheorie des Einatomigen -Ideengases [Quantentheorie des monatomischen idealen Gass]“, Königliche Preußische Akademie der WISSSCHAFTEN: SITZungsberecht (1924): 261–67; SITZungsbericht der Präeu Ikalisch-mathematische Klasse (1925): 18–25.

[9] Planck zitiert in Abraham Pais, Niels Bohrs Zeiten: in Physik, Philosophie und Politik (Oxford: Clarendon Press, 1991), 86.

[10] Planck in Pais zitiert, subtil ist der Herr, 384.

[11] Albert Einstein, Doc. 14, „unter heuristischer Sicht über die Produktion und Übertragung von Licht (über Einen Erzugung und Verandlung des Lichtes Betreffenden Heuristische Giichtspunkt), Annalen der Physik 17 (1905)“, in den Kollisctected Papers von Albert Einstein: vol. 2 Die Schweizer Jahre: Schriften, 1900–1909, trans. Anna Beck (Princeton: Princeton University Press, 1989), 97.

[12] Władysław Natanson, „über statistische Theorie der Strahlung [über die statistische Strahlentheorie]“, Physikalische Zeitschrift 12 (1911): 659–66; Paul Ehrenfest und Heike Kamerlingh Onnes, „vereinfachte Abzug der Formel aus der Theorie der Kombinationen, die Planck als Grundlage seiner Strahlentheorie verwendet“, Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 17 (1914): 870–73.

[13] Robert Millikan, "Eine direkte photoelektrische Bestimmung von Plancks 'H'," Physical Review 7, Nr. 3 (1916): 383, doi: 10.1103/PhysRev.7.355.

[14] Zitiert in Kameshwar Wali, Hrsg., Satyendra Nath Bose - seine Leben und Zeiten: Ausgewählte Werke (mit Kommentar) (Singapur: World Scientific Publishing, 2009), 303.

[15] Bohr, "Über die Konstitution von Atomen und Molekülen, Teil I."

[16] Max Planck, „Zürie des Getenetzes der Energieverteilung im Normalenspektrum [zur Theorie des Energieverteilungsgesetzes des normalen Spektrums]“, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Geschaft 2 (1900): 237–45; Max Planck, "Zur Theorie der Wärmermestahlung [zur Theorie der thermischen Strahlung]", Annalen der Physik 4, Nr. 31 (1910): 758–68, doi: 10.1002/und P.19103360406; Peter Debye, "Der Eigscheinlichkepegriff in der Theorie der Strahlung [das Konzept der Wahrscheinlichkeit in der Strahlentheorie]", Annalen der Physik 338, Nr. 16 (1910): 1,427–34, doi: 10.1002/und P.19103381617; Peter Debye, „Zerstreuung von Röntgenstrahlen und Quantentheorie [Streuung von Röntgen- und Quantentheorie]“, Physikalische Zeitschrift 24 (1923): 161–66; Albert Einstein, „Zur Quantentheorie der Strahlung [zur Quantentheorie der Strahlung]“, Physikalische Zeitschrift 18 (1917): 121–28; Wolfgang Pauli, „über thermische Gleigewicht Zwische Strahlung und Freie Elektronen [Über das thermische Gleichgewicht zwischen Strahlung und freien Elektronen], Zeitschrift für Physik 18 (1923): 272–86, doi: 10.1007/bf013708; Albert Einstein und Paul Ehrenfest, „Zur Quantentheorie des Strahlungsgleichgewichts [zur Quantentheorie des Strahlungsgleichgewichts]“, Zeitschrift für Physik 1923 (1923): 301–306, DOI: 10.1007/BF01327565.

[17] Ein Faksimile des Briefes ist in Somaditya Banerjee, „Bhadralok Physics and the Making of Modern Science in Colonial India“ (PhD -These, University of British Columbia, 2018), Anhang C. erhältlich

[18] Banerjee, "Bhadralok Physics", 93.

[19] Ein Faksimile des deutschen Originals ist in Banerjee, „Bhadralok Physics“, Anhang D. erhältlich

[20] Chandrasekhara Venkata Raman und Suri Bhagavantam, "Experimenteller Beweis für den Spin des Photon", Indian Journal of Physics 6 (1931): 353.

[21] Paul Dirac, Die Prinzipien der Quantenmechanik, 3. Aufl. (Oxford: Clarendon Press, 1947).

[22] Siehe Pais, subtil ist der Herr, 436–37.

[23] Er präsentierte seine Ergebnisse bei den Königliche Preußischen Akademie der Wissenschaftsen am 10. Juli 1924; 8. Januar 1925; und 29. Januar 1925.

[24] „Pressemitteilung: Der Nobelpreis in Physik 2001“, nobelprize.org.

[25] David Aveline et al., "Beobachtung von Bose-Einstein-Kondensat in einem Erdorbing-Forschungslabor", Nature 582, Nr. 7,811 (2020): 193–97,,
doi: 10.1038/s41586-020-2346-1.

[26] Bardeen, Cooper und Schrieffer erhielten 1972 den Nobelpreis für diese Arbeit für diese Arbeit.

[27] Paul Sutter, "Von Squarks bis Gluinos: Es sieht nicht gut für Supersymmetrie", Space.com, 7. Januar 2021; und Scott Hershberger, "Der Status der Supersymmetrie", Supersymmetrie: Dimensionen der Partikelphysik, 12. Januar 2021.

[28] Wali, Satyendra Nath Bose, 279–80.

[29] Wali, Satyendra Nath Bose, 453.

[30] Diese Tatsache kann von Memoiren von Chemikern, die unter Boses Anleitung wie Pratul Chandra Rakshit, Periye Elam (1995) und Asima Chatterjee, aus Memoiren gearbeitet werden, und von Professor SN Bose, FRS in Chemie, Wissenschaft und Kultur 40, NO. 7 (1974): 295–97. Siehe auch AK Bose und Purnima Sengupta, „Röntgen- und Differentialstudienstudien einiger indischer Montmorilloniten“, Nature 174 (1954): 40–41, doi: 10.1038/174040a0.

[31] Chanchal Kumar Majumdar et al., Hrsg., Sn Bose: Der Mann und seine Arbeit, Teil II: Leben, Vorträge und Adressen, verschiedene Stücke (Kalkutta: SN Bose National Center for Basic Sciences, 1994), 63.

[32] Bose und Sengupta, "Röntgen- und Differentialstudien einiger indischer Montmorilloniten".

[33] Siehe Paul Ratner, "Landau Genius Scale Ranking der klügsten Physiker aller Zeiten", Big Think: Hard Science, 28. September 2020. ↩

[34] Siehe Santimay Chatterjee und Chanchal Kumar Majumdar, Hrsg., Sn Bose: Der Mann und seine Arbeit, Teil I: Erfassete wissenschaftliche Papiere (Kalkutta: SN Bose National Center for Basic Sciences, 1994), 274–95. ↩

[35] Hubert Goenner, „Über die Geschichte der einheitlichen Feldtheorien“, Living Reviews in Relativity 7, Nr. 2 (2004): 1–153, doi: 10.12942/LRR-2004-2. ↩

[36] Binay Malkar, „The Forgotten Quantum Indian“, The Statesman, 19. Dezember 2018. Weitere Lektüre finden Sie unter Chatterjee und Majumdar, Hrsg., Sn Bose: Der Mann und seine Arbeit, Teile I und II; das Prof. SN Bose -Archiv im SN Bose National Center for Basic Sciences; Jagdish Mehra, „Satyendra Nath Bose“, Biografische Memoiren der Stipendiaten der Royal Society 21 (1975): 116–54, doi: 10.1098/rsbm.1975.0002; Wali, Satyendra Nath Bose.

Autorprofil: Patha Ghose ist ein herausragender Forscher am Tagore -Zentrum für Naturwissenschaften und Philosophie von Kolkata und Stipendiat an der National Academy of Sciences und des West Bengal College of Science and Technology. Er ging 1999 als Professorin und akademische Programmkoordinatorin im National Basic Science Center des Bose National Center for Basics Sciences in Kolkata in den Ruhestand. Unter Boses Anleitung absolvierte er seine Doktorarbeit und spezialisierte sich auf die Grundlagen der Quantenmechanik und der klassischen Polarisationsoptik.

Dieser Artikel wird in "Bi Pu" mit Genehmigung von Partha Ghose, Satyendra Nath Bose: Zählen im dunklen, ursprünglichen Link übersetzt und veröffentlicht:

https://inference-review.com/article/counting-in-dark#footnote-17.

Produziert von: Science Popularization China

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