物理群星
萨特延德拉·纳特·玻色 肖像

图:佚名,1925 年于伦敦(公有领域)

萨特延德拉·纳特·玻色

Satyendra Nath Bose

1894–1974 · 生于英属印度加尔各答 · 印度

量子力学热学与统计

用一篇四页论文让光子重新排队、让「玻色子」有了名字的人

「只要你自己还不满意,就不要接受任何观念。」

—— S. N. 玻色语录,转引自《S. M. Bose: The Immortal Scientist》等传记

在物理学基本粒子的名单上,有一整类粒子用一个印度人的姓氏命名——玻色子。光子、W 和 Z 玻色子、希格斯玻色子,都「姓玻色」。这个姓氏的来源,是一位在达卡大学讲课时被普朗克定律困住、然后决定自己重新推导一遍的印度讲师。

一堂讲不通的课

1921 年,玻色在达卡大学讲授普朗克的黑体辐射定律。他发现教科书里的推导总带着一个令人不安的缺口:为了得到正确结果,人们似乎不得不悄悄假定光子彼此可以区分。可如果光量子真是能量的一份份,为什么还要把它们当可区分的粒子数?玻色没有放过这个别扭。他在 1924 年写下一篇只有四页的论文,提出一种新的计数方式:光子彼此不可区分,同一状态里可以放进任意多个光子。普朗克定律于是不再是被凑出来的结果,而是从统计规则里自然长出的结论。

寄给爱因斯坦的四页纸

论文投给英国的刊物,遭到退稿。玻色没有气馁,他把稿子寄给当时已经名满天下的爱因斯坦,并附信请求转投《物理学杂志》。爱因斯坦读后认定这是重要工作,亲自译成德文,还加了一行注:玻色的推导「同时包含量子理论中一个重要进展」。1925 年,爱因斯坦进一步把这种统计推广到有质量的原子,并预言:当温度足够低,大量玻色子会坠入同一个最低量子态——玻色-爱因斯坦凝聚。七十多年后,实验物理学家真的在碱金属原子气体中造出了这种「第五态」,诺贝尔奖随之而来。

玻色的这篇四页论文没有推翻任何旧理论,却改变了物理学家数粒子的方式。整数自旋的粒子服从玻色统计,半整数自旋的粒子服从费米统计,成为现代物理的基本语法。1946 年,为了给量子场论一个中立而精确的称呼,人们正式把前者称为玻色子。

回到加尔各答

与许多被欧洲科学中心吸纳的天才不同,玻色在欧洲访问后回到了印度。他继续在达卡和加尔各答教书,推动孟加拉语的科学写作,也写过「那些说孟加拉语不能研究科学的人,要么不懂孟加拉语,要么不懂科学」这样的话。他终身未曾获得诺贝尔奖,但物理学里为他保留了一个比奖章更持久的纪念碑:只要宇宙里还有一个光子,玻色子这个名字就仍然活着。

代表方程

玻色-爱因斯坦分布

ni=1e(εi−μ)/kBT−1n_i = \frac{1}{e^{(\varepsilon_i - \mu)/k_B T} - 1}

与费米子不同,同一量子态里可以同时容纳任意多个玻色子。光子、原子等整数自旋粒子都按这条分布排队——它是玻色-爱因斯坦凝聚与激光理论共同的统计学底座。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.玻色《普朗克定律与光量子假说》,《物理学杂志》第 26 卷(1924)——爱因斯坦亲自译成德文投出