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难倒爱因斯坦的问题,被一个自学成才物理学家解决了

科技资讯  2018年10月30日 10:00  来源:新浪科技
摘要:尽管大多数时候,激光处于人们的视线之外,它却是信息经济的支柱。作为光纤电缆中的光,激光使互联网成为可能;激光从CD、DVD中读写数据;激光帮助飞机导航,与卫星通话;甚至书籍也不能幸免:大多数书籍都是激光打印的。○现代望远镜使用激光来补偿大气对光的散射。

  来源:公众号“原理”(ID: principia1687)

  如果没有激光,你就无法读到这些文字。

  尽管大多数时候,激光处于人们的视线之外,它却是信息经济的支柱。作为光纤电缆中的光,激光使互联网成为可能;激光从 CD、DVD 中读写数据;激光帮助飞机导航,与卫星通话;甚至书籍也不能幸免:大多数书籍都是激光打印的。

○ 现代望远镜使用激光来补偿大气对光的散射。○ 现代望远镜使用激光来补偿大气对光的散射。

  激光的起源可以追溯到 1917 年,爱因斯坦发现“受激辐射”的时候。受激辐射是指,一个处于高能量激发态的原子,与一个具有特定能量的光子相互作用,发射出与入射光子完全相同的一个光子,并跃迁到较低能量状态的过程。

  从受激辐射理论发展到“受激辐射的光放大”,也就是激光(LASER),经过了几十年的时间。在这个过程中,数十位科学家、工程师参与了这场史诗般的探索,迎来了量子化学和固体物理学等领域的曙光。

  自学成才的奠基人

  但一开始奠定这一切的理论基础的,是一位和蔼可亲、谦逊有礼的物理学家,他的名字叫做萨蒂扬德拉·纳斯·玻色(Satyendra Nath Bose)。1894 年,玻色出生于印度加尔各答,他是一个神童,在大学里学习数学,并最终获得硕士学位。

○ 玻色和加尔各答大学的科学家们。○ 玻色和加尔各答大学的科学家们。

  然而,与大多数改变世界的科学家不同,他没有继续攻读博士学位。相反,他开始自学物理。他借来关于当时最新理论的教科书,但是这些书都是用德语写的,于是他又自学德语,以便学习这些理论。

  玻色从 1917 年开始研究物理学。这个时候的物理学是个激动人心的领域。1900 年,德国科学家马克斯·普朗克发现,电磁能量只能以离散的形式被发射或吸收,这就是所谓的量子。这是一个改变物理学的时刻,是量子时代的开始。

  然而,普朗克的发现有一些不那么令人满意的地方。甚至普朗克自己自己也承认,他引入著名的普朗克公式,但是是为了让理论与数据符合。包括爱因斯坦在内的许多物理学家都试图从第一原理推导普朗克公式,但他们都失败了。玻色兴高采烈地面对这个问题,似乎没有意识到这个问题已经让那个时代众多最优秀的头脑铩羽而归。令人惊异的是,他解决了这个问题。

  玻色洞察到,关键问题是引入一种全新的统计。在通常的统计学中,如果抛掷两枚硬币,对于正面朝上还是反面朝上,会出现四种可能的结果:正-正,正-反,反-正,反-反。出现两个硬币同时正面朝上的概率是 1/4。

  玻色提出,因为无法区分一个光子和另一个光子,因此对于全同的光子而言,“正-反”、“反-正”是无法分辨的,事实上这是同一种可能性。如果硬币按照光子的方式运作,那么,抛掷两枚硬币出现正面朝上的概率将会是 1/3。

 ○ 抛掷两枚硬币,会出现几种可能性?它们的概率是多少?| 图片来源:Pany@NPI ○ 抛掷两枚硬币,会出现几种可能性?它们的概率是多少?| 图片来源:Pany@NPI

  无论对于物理学家还是数学家来说,这听起来都很荒谬。但重要的是,玻色(同时是物理学家和数学家)的新统计学是有效的。

  他写了一篇关于这个问题的论文,题为《普朗克定律和光量子假说》,但是寄去的期刊拒绝接收这篇论文。所以玻色又做了一件荒谬的事情:将这篇论文直接寄给爱因斯坦。

 ○ 玻色寄给爱因斯坦的信。 ○ 玻色寄给爱因斯坦的信。

  “害羞”的玻色

  这是 1924 年,爱因斯坦已经功成名就,他的信件如潮水般涌来。尽管如此,那篇论文还是引起了他的注意——大概是因为论文阐述的是他自己没能解决的问题。他将这篇论文翻译成德文,并安排将它发表在这个领域最好的期刊之一——“Zeitschrift für Physik”(《物理学期刊》)上面,并写道:“在我看来,这是向前迈出的重要一步。”

  玻色的发现是如此重要,以至于爱因斯坦开始写一系列论文,研究他称之为“玻色统计”的东西——因为爱因斯坦的贡献,如今,它被称为“玻色-爱因斯坦统计”。

  那些遵循玻色-爱因斯坦统计的粒子,也就是能够占据同一量子态、无法分辨出“正-反”和“反-正”的粒子,如今都被称为玻色子(boson)。结果证明,光子就是一种玻色子。

  光子是组成光的基本粒子。通常的一束光就像是波涛汹涌的大海——不同光子的量子波相互重叠、碰撞,并部分抵消。然而,对于一束激光,所有的波一起移动,形成一个浩大的波的序列,就像是海洋的所有能量都集中到一个波里。这种现象就是所谓的相干性(coherence)。相干性使得激光能够产生强大的冲击力,在信息传输中发挥巨大作用。

 ○ 激光的原理。(1)原子有一系列分立的能级,激发态原子跃迁到较高能级;(2)特定频率的光子和激发态原子相互作用;(3)激发态的原子跃迁到较低的能量状态,并发射出与入射光子完全相同的一个光子;(4)激光中的激发态原子被置于两面镜子之间,因为镜子的反射作用,之前发射的光子会导致“受激辐射”连续不断地发生;(5-6)最终,所有的光子都是完全相同的,它们能量相同因而颜色相同,并且指向同一个方向。| 图片来源:Jubobroff ○ 激光的原理。(1)原子有一系列分立的能级,激发态原子跃迁到较高能级;(2)特定频率的光子和激发态原子相互作用;(3)激发态的原子跃迁到较低的能量状态,并发射出与入射光子完全相同的一个光子;(4)激光中的激发态原子被置于两面镜子之间,因为镜子的反射作用,之前发射的光子会导致“受激辐射”连续不断地发生;(5-6)最终,所有的光子都是完全相同的,它们能量相同因而颜色相同,并且指向同一个方向。| 图片来源:Jubobroff

  相干性之所以可能实现,是因为许多光子可以同时占据一个量子态。没有玻色优良的洞察力和强大的新统计工具,物理学家就无法理解这一点,更不用说利用这一现象来创造新技术、新产业和新经济了。

  至于玻色本人,人们惋惜他是一个天才,却没有充分利用自己天赋。这或许是因为,他并不单单专注于物理学:他还研究矿物学、化学、地质学、人类学、动物学、工程学和文学(孟加拉语和英语)。

  或许是因为他说话轻声细语,当居里夫人告诉他,他得先学会法语才能跟随自己在镭学院(Radium Institute)工作时,他太过害羞,不敢告诉她,自己已经能够流利地说法语了。

  当其他印度科学家问他,为什么他这位量子力学的奠基人没有获得诺贝尔奖时,玻色提出异议:“我得到了我需要的所有认可。”

 ○ 害羞的玻色。 ○ 害羞的玻色。

  或许是这样的。毫无疑问,当他站在黑板前面,和一群学生在一起,或者和朋友们一起,边喝茶边聊天时,他最为快乐。他喜欢有人陪伴。

  当狄拉克(Paul Dirac)在印度拜访玻色时,狄拉克抱怨在一辆已经很拥挤的车上,还要再带上几个玻色的学生,玻色笑道:“哦,Paul,在这里,我们相信玻色统计!”

  1974 年,玻色去世。

  2012 年,科学家发现了一种新的玻色子——希格斯玻色子(用字母“H”表示)。媒体争相报道发现者彼得·希格斯(Peter Higgs)。然而在印度,人们还写了关于萨蒂扬德拉·纳斯·玻色的文章,当他们写到关于希格斯玻色子的时候,他们配备了代表玻色的字母“B”。