Satyendra Nath Bose Kimdir?

Tanım

S. N. Bose, 1924 yılında Planck’ın radyasyon yasasını geliştirmenin bir yolunu bulduğunda kuantum istatistiğini kurdu.

Bose’un yöntemi aynı renkteki farklı ışınların fotonlarının birbirinden ayırt edilememesinden yola çıkıyordu, bu da parçacıkları saymak için farklı bir yola ihtiyaç duyulduğu anlamına geliyordu, ki bu yol da Bose’un istatistikleriydi.

Albert Einstein, Bose’un argümanını daha geniş bir fenomen haline getirdi. Günümüzde Bose istatistiklerine göre davranış gösteren herhangi bir parçacık, Bose’nin hatırasına verilen isim olan “bozon” sınıfında yer alıyor.

Hayat Başlangıcı

Satyendra Nath Bose, 1 Ocak 1894 tarihinde orta sınıf bir ailenin çocuğu olarak Hindistan’ın başkenti Calcutta’da dünyaya geldi.  Bugün bu şehir Kolkata olarak anılıp Hindistan’ın Batı Bengal eyaletinde bulunmaktadır.

Satyendra’nın babası Surendra Nath Bose, Doğu Hindistan Demiryolu Şirekti’nin muhasebecisiydi. Surendranath matematik ve bilime oldukça ilgili olmakla birlikte 1903 yılında kurduğu küçük bir farmokoloji ve kimya şirketine sahipti. Satyendra’nın annesi Amodini Devi, bir avukatın kızıydı. Satyendra anne babasının en büyük çocuğu ve onların tek oğluydu. Satyendra’nın doğumunu takip eden birkaç yılda, ebeveynlerinin altı kız çocuğu daha oldu.

Satyendra beş yaşındayen yereol ilkokuluna kaydldu. Daha sonra ailesi Kalküta’nın Goabagan mahallesine taşındıktan sonra New Indian School’a girdi.

Muhteşem Bir Öğrenciyi Teşvik Etmek

Babası, Satyendra’nın matematiksel becerilerinin farkındaydı, bu nedenle onu daima teşvik edip destekledi. Her sabah işe gitmeden önce oğlunun çözmesi için aritmetik problemler yazardı. Satyendra bu soruları her zaman vaktinde, babası eve dönmeden önce çözerdi.

1907 yılında 13 yaşındayken, Satyendra, liseye başladı, üstelik meşhur Hint Okulu’nda. Kısa sürede başta fen bilimleri ve matemtik olmak üzere derslerinde başarılı bir öğrenci haline geldi. Matematik öğretmeni, Pierre-Simon Laplace gibi büyük bir matematikçi olacağına inanıyordu.

Lisans ve Yüksek Lisans Dereceleri

Satyendra Bose 1909 yılında 15 yaşındayken liseyi bitirdi. Hindu Okulu’nun yanında bulunan Kalküta’nın Başkanlık Koleji’nde Fen bilimleri lisansına başladı. Uygulamalı matematik alanında okudu ve yine seçkin bir öğrenci olduğunu kanıtladı, 1913’te onur derecesiyle sınıfının birincisi olarak mezun oldu.

Bose, kariyerine akademik olarak devam etmek istediğine karar verdi. Kalküta Üniversitesi’nde Uygualamalı Matematik yüksek lisans programına başladı ve 1915’te 21 yaşındayken sınıf birincisi olarak mezun oldu. Ayrıca bu dillerde yayınlanan eserleri okuyabileck kadar bilimsel düzeyde Almanca ve Fransızca öğrendi.

Akademiye Doğru

Kariyerinin bu aşamasındaki herhangi bir modern bilim insanı, muhtemelen yoluna doktora programına kaydolarak devam edecektir. Ancak Bose için bu pek kolay değildi. Bunun nedenlerin başını 1. Dünya Savaşı 1914’te başlamış olması ve Avrupa’nın bilimsel dergileri artık çok daha nadiren Hindistan’a geliyor olması çekiyordu. Bu durum oldukça zorlayıcıydı çünkü Avrupa’daki fizik kuantum teorilerinde, atom teorilerinde ve görelilikteki yeni olasılıklar heyecan vericiydi. Tüm bunlara ek olarak Ph. D. Lisans programları Kalküta Üniversitesi için yeniydi.

Bunlarla birlikte Bose ve Kalküta’daki fen bilimleri lisansüstü öğrencisi olarak okumak isteyen diğer genç Hintliler için işler kolaylaşmaya ve yoluna girmeye başlamıştı.Matematikçi ve Kalküta Üniversitesi Rektör Yardımcısı Sir Asutosh Mookerji’ye iki Kalküta avukatı tarafından Hintlilerin ileri düzey eğitimini teşvik etmek için büyük miktarda para bağışlamıştı. 1914’te Sir Asutosh, yeni profesörlükler ve araştırma programları kurarak parayı harcamaya başladı.

Bose ve diğer yeni mezun gençler Sir Asutosh’tan matematik ve fizik alanlarında lisansüstü ders verebilmek için izin istedi. Sir Asutosh, bunun ancak mezunlar araştırma çalışmalarını tamamladıktan sonra gerçekleşebileceğini söyledi. Onlara 1916 yılı itibariyle yüksek lisans çalışmaları için burs temin etti ve en faydalı akademik yayınları onlar için sipariş etti. Lisansüstü öğrencilerine kendi özel matematik ve fizik kütüphanesini kullanım izni verdi, buradaki kitaplar halka açık kitaplardan daha ileri düzeydeydİ.

Bose ve önemli bir astrofizikçi olan arkadaşı Meghnad Saha, Bengal Mühendislik Koleji’nde fizik dersi veren Avusturyalı Paul Brühl’den yeni ders kitaplaırnı almayı başardılar. Çok çalıştılar ve bu onların bilgi düzeylerini elektromanyetizma, görelilik, spektroskopi, istatistiksel mekanik ve termodinamik alanlarında lisansüstü noktaya getirmelerini sağladı. 1916’nın sonunda Bose uygulamalı matematik, 1917’de ise matematiksel fizik dersleri vermeye başladı.

1917 yılında, üniversiteü C. V. Raman’ı Palit Fizik Kürsüsü’ne atadı.

1919 yılında Bose ve Saha, Albert Einstein’ın özel ve genel görelilik belgelerinin İngilizce çevirilerini yayınladılar.

1921 yılında Bose, günümüzde Bangladeş’te yer alan Dakka Üniversitesi’nde Fizikte Okuyucu pozisyonuna atandı.

S. N. Bose ve Kuantum İstatistikleri

Bose’un öğretmeye olan bağlılığı, kendisinin en büyük bilimsel keşfini sağlamıştı. Yüksek lisans öğrencilerine verdiği derslere oldukça özenerek hazırlanıyor ve öğrettiği şeyleri her detayıyla bilmiyor olmanın düşüncesinden dahi nefret ediyordu.

Karşılaştığı sorunlardan biri Planck’ın radyasyon formülüydü. Bu formül Max Planck’ın klasik fiziğin sıcak bir cisim tarafından yayılan emlektromanyetik radyasyon frekansları aralığını hesaba katmadaki başarısızlığına yönelik bir çözümdü.

1900 yılında, Max Planck, kuantum teorisini kurdu ve enerji nicelleştirilirse- bir diğer deyişle yalnızca belirli sabit katlar halinde biçimlenirse- ciddi bir sorun yaşayan fizik biliminin yeniden çalışmaya başlayacağını öne sürdü.

Nicelleştirme Nedir?

Üçün çarpım tablosunu düşünün; yalnızca üçe bölünebilen sayılar bu tabloda bulunabilir ve diğer tüm sayılar yasaklıdır. Planck, elektromanyetik radyasyon tarafından taşınan enerji için aynı fikri öne sürdü, ancak enerjinin 3’ün katları değildi, günümüzde Planck sabiti olarak bilinen miktarın katları halindeydi. Dört önemli sayıya çevrilince Planck sabiti 6,626×10^-34 Jxs’dir. Bu oldukça küçük bir nicelik olmasına rağmen fizik üzerindeki etkisi şaşırtıcı derecede büyüktü.

Böylelikle 20. Yüzyıl, klasik fiziğin sonu ve kuantum fiziğinin başlangıcı ile başladı, ancak başlarda kimse bunun farkında değildi.

1905 yılında Albert Einstein, Planck’ın kuantize enerjisi önerisini aldı ve klasik Boltzmann istatistiklerini uyguladı-bunlar çok sayıda gaz parçacığının davranışını açıklayabiliyordu. Bu açıklama kabiliyeti Einstein’ın fotonu, yani ışık parçacığını ilk kez tanımlamasına izin verdi. Bu çalışma kelimenin tam anlamıyla mükemmeldi, ancak pek çok fizikçi foton fikrini reddetti. Işığın bir dalga olduğunun deneylerle kanıtlanmış olduğuna inanıyorlardı.

Elbette bu aşmada kimse dalga-parçacık ikileminin bilincinde değildi. Elektronlar bazen dalga özellikleri gösterirken, bazı zamanlarda da parçacık özelliği gösteriyorlardı.

Planck’ın ilk kuantum makalesinden neredeyse çeyrek yüzyıl sonra; Bose, Planck’ın radyasyon yasasını öğrencilerine öğretmeye hazırlanıyordu. Bu durumdan memnun değildi çünkü teori hakkında bazı şeyler ona yanlış geliyordu.

Böylece Boltzmann’ın klasik istatistiğini kendi istatistiğiyle değiştirdi. Boltzmann’ın parçacıkları sayma yönteminin her bir parçacığın diğer tüm parçacıklardan ayırt edilebilir olduğunu öne sürdüğü noktada Bose aksini öne sürdü. Bose’un istatistikleri, parçacıkların birbirinden ayırt edilemez olduğunu söylüyordu. Bu adımıyla Planck’ın radyasyon yasasını onu memnun edecek biçimde ortaya koyabilmişti.

Bose, çalışmalarının ne denli çığır açıcı olduğunun farkında değildi, ancak ilginç olduklarının farkındaydı. “Planck’ın Kanunu ve Işık Yoğunluğu Hipotezi” adlı makalesini, halihazırda bir dizi makalesini yayınlamış bir dergi olan The Philosophical Magazine’e gönderdi.Ne yazık ki derginin editörleri de Bose gibi bu makalenin ne kadar çığır açıcı olduğunun farkında değilllerdi. Aslında bunun önemini hiçbir zaman da anlayamadılar, hatta reddettiler.

Haliyle, 4 Haziran 1924’te, Bose makalesini doğrudan Einstein’a ileterek şunları ekledi:

“İncelemeniz ve fikir beyan etmeniz amacıyla makalemi sizinle paylaşıyorum. Hakkında ne düşündüğünüzü merak etmekle birlikte, Planck kanunundaki 8πV^2/c^3 katsayısını klasik elektrodinamikten bağımsız olarak çıkarmaya gayret ettiğimi bilmenizi isterim.” S. N. Bose, 1924.

Einstein, Bose’un çalışmasının önemini başta yeterince kavrayamamış olsa da çalışma üzerine çalışarak geçirdiği birkaç günün sonunda bunu anladı.

Klasik ve kuantum fiziğin bazı teorilerinin 8πV^2/c^3 denkleminde karıştırılması, bu alanda çalışan fizikçiler için rahatsız ediciydi. Bose, klasik fiziği kullanmadan 8πV^2/c^3 denklemini oluşturmayı başarmıştı. Bunun yerine denklem, eşit enerjiye sahip fotonların birbirinden ayırt edilemez olduğu argümanından, kendiliğinden ortaya çıktı.

Einstein, Bose’un çalışmasını Almancaya çevirdi ve Zeitschrift für Physik dergisinde yayınlanmasını sağladı.

Einstein ayrıca Bose’un çalışması için ona yanıt mahiyetinde şunları da söylemişti:

“…bu çalışma kuantum fiziği için çok önemli bir adım ve çalışmayı oldukça beğendim.”

Tarihin Yargısı

Bose’un makalesi günümüzde kuantum teorisinin ortaya atılmasındaki en önemli makalelerden biri kabul edilmektedir. Yine de aslen, Bose tümüyle yeni bir alan açmıştı, ki bu da kuantum istatistikleriydi.

Bose’un İstatiklerinin Etkisi

Bose’un tanıttığı istatistikler, bilim-kurgu gibi görüünebilir. Ancak, kuantum dünyasında istatiskler yeterince gerçekçi. Şimid, Bose’un istatiklerinin çıplak gözle gördüğümüz dünyada geçerli olduğunu varsayalım.

 Birbirinden bağımsız, ayırt edilebilir iki madeni parayı attığınızı düşünün. Olması aynı şansta olan şu sonuçları yazabilirsiniz:

Olası Sonuçlar:

• İkisi de tura, ikisi de yazı, bir yazı bir tura, bir tura bir yazı. Örneğin iki tura gelmesinin olasılığı, 1/4’tür.

Ancak, iki madeni parayı birbirinden ayırt edemiyorsak, sonuçlar şuna dönüşür:

Olası Sonuçlar:

• İki tura, iki yazı, her ikisinden bir tane İki tura gelmesinin olasılığı artık 1/3.

Bose’un istatistiklerinin uygulandığı bir dünyada, olayların olasılığı bizim günlük beklentilerimizden çok farklıdır.

Bose-Einstein Yoğunlaşması (Madde İçin Yeni Bir Adım)

Einstein, Bose’un makalesi üzerine kafa yordukça makalenin derinliğinden o derece etkilendi. Sonuçta nelerin gözlemlenebileceğini ve bekleneileceğini anlamak için bu kuantum istatistiklerini kullanarak bir gaz üzerinde deneyini yapmaya karar verdi.

Bu, Bose-Einstein Yoğunlaşması (BEC)’nın en önemli tahminine zemin hazırladı.

Bir BEC’te, herhangi bir parçacık koleksiyonundaki her parçacık aynıdır ve özdeş kuantum durumundadır. Bu nedenle parçacıklar birbirinden ayırt edilemez.

Einsten’ın BEC çerçevesinde öne sürdüğü saf bir maddeye ait tek bir taneciğin tahmininin görünmesi tahminin üzerinden 70 yılı aşkın sürenin ardından gerçekleşti.

Bu, 1995’te rubidyum atomlarından oluşan gazın, mutlak sıfırın bir fraksiyonuna soğutulduğu sırada gerçekleşti: 1,7×10^-7 Kelvin, yaklaşık 2000 atomun aynı anda birleştirilmesiyle tek bir süper atomu 20’den daha az bir süre boyunca birarada tutabildi.

Bose-Einstein Yoğunlaşmasının Oluşumu Sırasındaki Atomik Davranış

Süper Akışkan Helyum

Kuantum dünyasında sürtünme yoktur; şayet olsaydı, atomlar bir noktada hareket etmeyi mutlaka bırakırdı. Sürtünme yalnızca daha büyük maddeler söz konusuyken açığa çıkar.

Saf bir BEC olmasa da, süperakışkan Helyum-4, BEC’lerin etkilerine rubidyum atomlarından oluşan bir gazdan daha tanıdık bir örnektir.

Helyum-4, mutlak sıfırın 2 derecesine kadar soğutulduğunda, bir BEC gibi davranır. Atomları aynı kuantum mekaniği durumunu paylaşır ve kuantum mekaniğinin özellikleri çıplak gözle de görülebilir hale gelir. 2,17 Kelvinde veya altında Hleyum-4, sürtünmesiz akar.

Bozon

1946 yılının aralık ayında Paul Dirac, atom altı dünyada var olan iki grup parçacığı kapsayacak şekilde iki yeni kelime icat etti: S. N. Bose’un onuruna verilen bozon ve Enrico Fermi’nin onuruna verilen fermiyon.

Bose istatistiklerine uyan herhangi bir parçacık, bir bozondur; Fermi-Dirac istatistiklerine uyan herhangi bir parçacık ise bir fermiyondur.

Bazı Kişisel Detaylar ve Son

Bose, 1914’te 20 yaşındayken, zengin bir doktorun kızı olan 11 yaşındaki Ushabala Ghosh ile evlendi. Bu evlilik Bose’un annesi tarafından teşvik edilmişti. Bose ilerleyen yıllarda evlenmeyi düşünüyordu ancak annesinin arzusuna da uyum sağlamıştı. Çeyiz almayı reddetti. Çiftin, yedisi yetişkin olmak üzere hayatta kalan dokuz çocuğu vardı-iki oğlu ve beş kızı.

Bose, bilimi gerçek anlamda yayan ve kamuya mal olmasına ön ayak olan bilim insanlarından biriydi. Yine de, Hindistan’ın bağımsızlığının güçlü bir destekçisiydi ve bağımsız bir Hindistan için refah seviyesi yüksek bir geleceği güvence altına almanın en iyi yollarından birinin iyi eğitimli, aydınlanmış bir nüfusa sahip olmak olduğuna inanıyordu.

Bilimi yaymanın en iyi yolu, daha geniş bir kitleye ulaşmasını sağlamaktan geçiyordu ki bu da Bengalce yazmakla olabilirdi. Bose bu sebeple akşamları işçilerin çocuklarına bu dilde dersler verdi.

Bose hiçbir zaman doktora programını tamamlayıp derecesini alamadı. Kuantum istatistiğini kurduğu için pek çok ödül alabilirdi ama oldukça mütevazı biriydi, keşif yapmaktan memnundu, “doktor” unvanına ihtiyacı yoktu.

Makalesi yayınlandıktan sonra Fransa ve Almanya’da çalışarak iki yıl geçirdi. 1927 yılında 33 yaşındayken fizik müdürü olduğu Dakka’ya döndü. Orada şunları yazmıştı:

Hindistan’a döndüğümde bazı makaleler yazmıştım, istatistik üzerine bir şeyler yaptım ve sonra yine görelilik teorisi üzerine, karmaşık birtakım kavramlarla uğraştım. Çok da önemli değillerdi, ama ben yine de bir kuyruklu yıldz gibi bir kez geliyor ve bir daha geri dönmüyordum.

Bose; Willard Gibbs, Oswald Avery, Lise Meitner ve Fred Hoyle gibi bilime yüksek katkılarda bulunmuş ve hiçbir zaman Nobel Ödülü kazanamamış bilim insanlarının arasında yerini aldı.

1945 yılında Kalküta Üniversitesi’ne döndü ve 1956 yılına kadar burada akademisyenlik yaptı. 1959 yılında 65 yaşındayken Hindistan Ulusal Profesörü onursal unvanını aldı. Daha sonra fahri profesör olarak nükleer fizik araştırması yapmaya başladı.

Bose, bilimin dışında şiiir, müzik, satranç gibi ilgi alanlarına sahipti.

Satyendra Nath Bose, 4 Şubat 1974’te Hindistan Kalküta’da bronşiyal pnömoniden dolayı hayatını kaybetti.

Kaynak: https://www.famousscientists.org/s-n-bose/

Görsel Kaynak: https://vimarsana.com/news/philosophical-magazine

Editör: İrem Ezgi Ustaoğlu