Човекът, който покори половината частици във Вселената

Ваня Милева Последна промяна на 01 януари 2024 в 00:00 9651 0

"Не знаеш кой е той? Половината частици във Вселената му се подчиняват!" - това е отговорът на професор по физика, когато студент го е попитал кой е Бозе.

Сатиендра Нат Бозе е роден точно преди 130 години на 1 януари 1894 г. Този индийски физик и математик разработва заедно с Алберт Айнщайн теорията на статистическата квантова механика, сега наричана статистика на Бозе-Айнщайн. Той е един от създателите на теорията на Бозе-Айнщайновия кондензат - странно състояние на материята, в което могат да се наблюдават квантови ефекти в макромащаб.

И в негова чест е наречен един от двата класа елементарни частици - бозоните.

Ранни години

Младият Сатиендра Нат Бозе. Кредит: Wonders of physics

Сатиендра Нат Бозе е роден в семейство от средната класа на 1 януари 1894 г. в столицата на Британска Индия, Калкута, Бенгал. Баща му, Сурендранат Бозе,  е счетоводител в Източноиндийската железопътна компания. Сурендранат се интересува много от математиката и наука и през 1903 г. основава малка фармацевтична и химическа компания. Майката на Сатиендра е Амодини Деви, дъщеря на адвокат. Сатиендра е най-голямото дете на двойката и единственият им син, родителите му имат още шест дъщери. На пет години Сатиендра се записва в местното начално училище.

 

През 1907 г., на 13 години, Сатиендра започва гимназия в елитното тогава "Ново индийско училище" в Калкута. Бързо е признат за изключителен ученик, особено по математика и природни науки. Според неговият учител по математика Сатиендра има потенциала да стане велик математик, равен на  Лаплас. До 1909 г., на 15-годишна възраст, Сатиендра Бозе завършва гимназия. Започва бакалавърска степен по наука в Президентския колеж на Калкута. Специализира приложна математика и отново се доказва като изключителен студент, завършвайки през 1913 г. като най-добрият в класа си, с отличие. Бозе записва магистърска степен по приложна математика в Университета на Калкута.

Президентският колеж на Калкута. Кредит: Wikimedia Commons

През 1915 г., на 21-годишна възраст, Бозе става магистър по приложна математика от Университета в Калкута с абсолютен среден резултат - 92%.

Бозе избира преподаването пред докторска дисертация. От 1916 до 1921 г. изнася лекции на студенти във Физическия факултет на Университета в Калкута.

Приблизително по това време наскоро публикуваната Обща теория на относителността попада в ръцете на Бозе. Работата на Айнщайн очарова Бозе толкова много, че с помощта на свой приятел той незабавно превежда научните трудове на Айнщайн и Херман Минковски от немски на английски и публикува сборник с тях. Между другото научава достатъчно добър научен немски и френски, за да чете научни статии, публикувани на тези езици. Всъщност Бозе е полиглот, знаел е добре много езици - бенгалски, английски, френски, немски и санскрит.

В Дака. Кредит: Wonders of physics

Пробив

По време на една от лекциите си Бозе разбира, че съществуващите изводи от закона на Планк (описващ разпределението на енергията, излъчвана от абсолютно черно тяло - равновесно излъчване - по дължини на вълните в спектъра) са непълни. След дълги размисли и консултации с колеги, Бозе публикува две статии през 1924 г., докато работи в Дака. Най-важната е озаглавена "Законът на Планк и хипотезата за светлинните кванти", статия, обясняваща извеждането на формулата на Планк за разпределението на енергията, излъчвана от абсолютно черно тяло, използвайки изцяло нов метод за изчисляване на състоянията на частиците, без да използва класическата физика, въз основа на предположението, че две състояния на системата, които се различават по пренареждането на еднакви кванти във фазовото пространство, се считат за идентични.

Това е истински пробив. Първоначално изведената от него формула е отхвърлена от учените като радикална и противоречаща на консервативните научни възгледи.

Статията не е публикувана от Кралското общество. Но Бозе е толкова уверен, че я изпраща с лично, написано на ръка писмо до Алберт Айнщайн.

Това е писмото от 1924 г., написано от С.Н. Бозе до Алберт Айнщайн, което довежда до тяхното сътрудничество и статистиката на Бозе-Айнщайн. Кредит: Wonders of physics

Нужна е била гениалността и проницателността на Айнщайн, за да се оцени значението на тази работа. Тя става основата на статистиката на Бозе.

В известен смисъл Бозе помага на Айнщайн да възроди научната си кариера. По ирония на съдбата пионерът на квантовата революция активно ѝ се противопоставя в началото на 20-те години. Писмото на Бозе се оказва глътка свеж въздух и приковава вниманието на великия учен.

Айнщайн веднага осъзнава значението на писмото от младия индийски физик. С негови усилия статията на Бозе е преведена на немски и публикувана в Zeitschrift für Physik, популярно немско научно издание. Така се ражда статистиката на Бозе-Айнщайн.

Айнщайн е изключително впечатлен, че неизвестен млад учен от Индия решава да му изпрати своята спорна статия. По-късно той пише на Bose: "Вашата статия е важна стъпка напред. И тя много ми харесва!"

Работата на Бозе дава точни резултати, защото фотоните са неразличими един от друг, всеки два фотона с еднаква енергия не могат да бъдат третирани като два различни фотона.

Това е доста лесна за разбиране идея. Нека разгледаме един пример. Едновременно хвърляте две различни монети във въздуха. Има 4 възможни резултата:

Кредит: Wonders of physics

Вероятността да получите две монети с "ези" е само 1/4. Но всичко се променя, ако направите монетите неразличими една от друга. В тази ситуация вече има три възможни изхода: две "ези" едновременно, две "тура" едновременно и "ези" + "тура". Така шансът да получите две "ези" се увеличава до 1/3. В света на статистиката на Бозе вероятността за настъпване на определени събития може да се различава от нашите очаквания.

Айнщайн осъзнава важността на това предположение дори по-рано от самия Бозе. Той взема идеята на индийския учен и я разширява до атомите. Това позволява на Айнщайн да предскаже съществуването на феномен, който познаваме като Бозе-Айнщайнов кондензат.

Кредит: gfycat

Бозе-Айнщайновият кондензат е така нареченото пето състояние на материята. При него всеки атом става неразличим от останалите и се образува гигантски суператом. В обикновен газ атомите са в произволно движение с много висока скорост, докато в случая на Бозе-Айнщайновия кондензат те остават неподвижно в състояние на перфектна хармония.

Едва през 1995 г., 70 години след тази прогноза, учените получават Бозе-Айнщайнов кондензат.

Кредит: Wonders of physics

Работа в Париж и Германия

Тази работа дава възможност на Бозе да си сътрудничи с най-известните учени в Европа от онези години. За да направи това, той подава молба за двугодишен отпуск. Университетът освобождава Бозе едва след като той показва на заместник-ректора на Университета благодарствено писмо от Айнщайн.

При пристигането си в Париж Бозе пише на своя идол:

"Университетът ми даде две години отпуск. Само преди седмица пристигнах в Париж за първи път. Не знам дали ще мога да продължа работата си под ваше ръководство в Германия. Въпреки това, ако се съгласите да станете мой ръководител, моята стара мечта ще се сбъдне.

Бозе изчаква нетърпеливо Айнщайн да отговори на молбата му. В същото време той има късмета да се срещне с Мария Кюри и да й помогне да извърши някои измервания на пиезоелектричния ефект. След това Морис дьо Бройл лично въвежда Бозе в рентгеновата дифракция и спектроскопия. Най-сетне идва отговорът от Айнщайн:

"Искрено съм ви благодарен за вашето писмо. Радвам се, че скоро ще имам възможността да се запозная лично с вас."

Бозе отива в Берлин. Той не успява да работи със самия Айнщайн, но при срещата с него Айнщайн му написва препоръчително писмо за Бозе. Това му позволява да се срещне с най-добрите немски учени: Фриц Хабер, Лизе Майтнер и Макс Борн.

През 1926 г. Бозе се завръща в Дака. Той е на 32 години, но без докторска степен не може да кандидатства за професор. Ситуацията е спасена от същото писмо от Айнщайн: Бозе е назначен за ръководител на катедрата по физика на Университета в Дака.

Знанията, придобити в Европа, помага на Бозе да реформира университета. Той самостоятелно разработва оборудване за лабораторията по рентгенова кристалография, изгражда много други лаборатории и притиска ръководството за бюджет за библиотека. Под негово ръководство е открит и център за изследвания в областта на теорията на полето. До 1945 г. Бозе продължава активна работа във факултета.

Когато разделянето на Индия става неизбежно, той е принуден да се върне в Калкута. Преживява тежко отделянето на Пакистан. Поради депресия Бозе не успява да се концентрира върху научни изследвания.

Отделянето на Пакистан се преживява тежко от Бозе. Кредит:Wonders of physics 

Преподава в родния си град до пенсионирането си. Новаторските идеи на Бозе му осигуряват място в пантеона на най-великите физици. Но малко хора знаят за човешките качества на Бозе. Той не е просто учен, а човек, който иска да разбере света около себе си в цялата му пълнота, в цялата му сложност. А самата научна работа е малка част от собствената му вселена.

Признание и непризнание

Освен това Бозе е бил страстен патриот. Той полага много усилия за приемането на бенгалския като език на обучение. Бозе лично превежда десетки статии на бенгалски. Смятал е за свой дълг да направи науката достъпна за своите сънародници на техния роден език.

През целия живот Бозе се стреми да използва родния си език като средство за обучение в науката, дори на следдипломно и изследователско ниво. Така той започва да издава научното списание "Jnan o Bijnan" (1948), може би първoтo на местен (бенгалски) език в Индия.

Бозе като музикант. Кредит:Wonders of physics

На 62 години Бозе напуска работата си и се пенсионира със статут на почетен професор. Но му липсва познатото удоволствие от постоянното търсене на нови знания и правенето на открития. Затова след кратко време се завръща в университета в Калкута и продължава изследванията си в областта на ядрената физика, органичната химия и единната теория на полето.

Стандартният модел включва:

Фермиони:

  • Кварки - горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк
  • Лептони - електронно неутрино, електрон, мюонно неутрино, мюон, тау-неутрино, тау-лептон

Бозони:

  • Калибровъчни бозони - глуони, W и Z бозони, фотон
  • Други бозони - бозон на Хигс, гравитон (извън Стандартния модел)

Частиците с полуцял спин са фермиони, а частиците с цял спин – бозони.

атоми ядра електрони кваркиИлюстрация:wikipedia

Точно по това време Пол Дирак, известният физик, посещава Калкута заедно със съпругата си. Историята на едно от съвместните пътувания на Бозе и Дирак е забележителна.

Дирак и съпругата му са настанени удобно на задната седалка в колата. По-едрият Бозе сяда отпред, до шофьора. Бозе взема двама от учениците си като спътници. Някак си всички успяват да се наместят до Бозе на предната седалка. В отговор на въпроса дали не им е твърде тясно, Бозе се разсмива и отговоря с обезоръжаващ тон: "Ние вярваме в статистиката на Бозе-Айнщайн". И както Дирак обяснява на изненаданата си съпруга, "в статистиката на Бозе-Айнщайн всичко е много претъпкано".

Дирак, който става близък приятел на Бозе, предлага термина "бозон" в памет на приноса на учения към теоретичната физика.

Дирак и Бозе. Кредит: Wonders of physics

През 1958 г. Бозе е избран за член на Лондонското кралско общество. Година по-късно правителството го назначава за национален професор. Бозе заема тази позиция до смъртта си.

Жалко е, че Бозе никога не получава Нобелова награда, въпреки че прави новаторски открития във физиката и печели възхищение от хора като Айнщайн и Дирак.

Раджиндер Сингх, физик и историк, пише, че Нобеловият комитет е поискал от своя експерт Оскар Клайн през 1956 г. да оцени работата на Бозе. Отбелязвайки номинацията на Бозе за работата му върху квантовата статистика и за приноса му към единната теория на полето на Айнщайн по-късно, Клайн оценява първия принос като важен, но "не толкова забележителен като работата на други физици", за да му се присъди награда. Нещо повече, той коментира, че работата на Бозе "дори не е много подходяща за Нобеловата награда по физика", тъй като "е върху математическия принос към дългогодишния опит на Айнщайн за универсална теория на полето ,  чийто физически смисъл, както и цялата програма на Айнщайн във всеки случай е все още доста неясна".

По онова време Нобеловият комитет не е особено благоразположен към теоретичната физика. Нищо чудно, че Айнщайн не получава наградата за най-важната си работа, теорията на относителността.

И така Бозе никога не е получавал Нобелова награда. Когато го запитват дали това го огорчава, Бозе скромно отговаря: "Получих цялото признание, което заслужавам."

И все пак половината частици във Вселената се подчиняват на статистиката на Бозе и това само по себе си е забележително постижение. Днес има институт в Калкута, кръстен на Бозе - Националният център за фундаментални науки "С. Н. Бозе". Бозе умира на 4 февруари 1974 г. Както пише С. Д. Чатърджи, "Със смъртта на професор Сатиендра Бозе приключи една ера – ера на велики хора, създали науката в Индия."

Източник:

Half The Particles In The Universe Obey Him, Wonders of physics

SN Bose — The Ignored Genius, Mayukh Mukhopadhyay, medium

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !