断章师爷 诺奖遗珠,南亚巨星---------- 物理学家S.N.Bose其人其事(一)(二)(三)

作者:light12  于 2010-5-26 09:58 发表于 最热闹的华人社交网络--贝壳村

通用分类:网络文摘

关键词:

时间: 24 5 2010 14:22
诺奖遗珠,南亚巨星---------- 物理学家S.N.Bose其人其事(一)
断章师爷

在开篇之前想稍微啰嗦几句。我上次介绍了一位犹太裔的女物理学家Lise Meitner 的故事,在题目里写了个其人其事。实际上我熟悉的只是其“事”,而不是其“人”,所以在详细介绍其事之前,引用了一些中文网上的资料,先介绍了一下其人。一位候守在山墙外的无“法”先生,自以为抓住了我“抄袭”的把柄,就在那儿欣喜若狂地大肆挞伐起来。这位无“法”先生拥有多个网名,前不久曾以“骑士”的身份,充当女权代言人,义愤填膺地斥责我是“小脚爱好者”。被芦笛先生黄牌警告后,他匍匐在墙外的那一隅,一遍又一遍地张贴着“认罪书”,我看了感到老大不忍,终觉得此事由我而起,因此转告芦笛先生是否放他一码。孰料其人此举实际上就象《碧血剑》中那个头下脚上倒立在地,身上插着九柄明晃晃的尖刀,口中念念有词地喊着“九刀穿洞,为奴尽忠”的锦衣毒丐齐云敖。这之后他顶着“看好牫”的网名,冒充数学高手,在芦区捣乱。甚至略去原作者的网名,掐头去尾地把一篇文字张贴到芦区,籍以攻击芦笛先生。在我查出该文作者是zltbaggio先生,原文张贴在《芦笛博客》后,他居然还厚着脸皮造谣说原作者不愿意暴露身份云云。关于这位无“法”先生的历史,芦区大部分网友比我更加清楚,恕我就不再一一列举了。

下面我想介绍的是一位印度物理学家S.N.Bose的生平和事迹。本来还想再“抄袭”几段中文资料来介绍其人的,可惜中文网络上关于S.N.Bose的介绍实在有限,我只得“抄袭”几段外文的,再译成诘屈聱牙的中文。倘若这位无“法”先生还有兴致挑食他喜爱的骨头,逐字逐句地搜查到原文,再给我戴上一顶“歪曲原作”的帽子,我也就没有法子可想了。下面转入正题。

众所周知,古代印度在科学发展上所做的巨大贡献。我们使用的阿拉伯数字其实是印度人发明,是经阿拉伯人流传到欧洲的。印度人还发明了零,不能不说这是一个划时代的概念。

我日常使用的一本《数学手册》后面附有最著名的数学家一览表,最早的是公元前300多年的希腊数学家Eculid of Alexandria ,最晚的是1964年去世的美国数学家 Norbert Wiener,共计34位。内中只有一位东方人,他就是上世纪初的印度数学天才S.Ramanujan(1887-1920),剑桥的数学大家G.H.Hardy(1877-1947)认为他是近1000年来印度最伟大的数学家。G.H.Hardy 设计了一种评价数学家的方法,他给自己评了25分;给 J.E.Littlewood (1885-1977) 30分;给David Hilbert (1862-1943) 80分;给S.Ramanujan100分!(华罗庚先生到剑桥访问时,东道主就是G.H.Hardy。却不知他给华先生打了几分?)

无独有偶,前苏联的物理学全才 L.D.Landau 也给出了一种评价物理学天才的评分方法,I.Newton 是0;A.Einstein 是0.5;属于1的有N.Bohr、M.Planck 、W.Heisenberg、P.Dirac 和E.Schrödinger 等。L.D.Landau 最初给自己打的分是2.5,完成了二类相变理论后才晋升到2。(李政道和杨振宁先生先于L.D.Landau 6年就荣膺诺奖,却与此表无缘。)但是有一位印度物理学家也跻身于1的层次,他就是Satyendra Nath Bose(1894 -1974)。

话说上世纪初量子力学的开山祖师爷之一M.Planck 发现了一个经验公式,与黑体辐射的实验结果符合得很好。这个经验式在低频区域与Rayleigh–Jeans 公式相符;在高频区域则与Wien公式相符。M.Planck的结果是对Rayleigh–Jeans 和Wien那两个公式使用一种熵列式进行内插得到的。但是M.Planck 本人却无法解释自己得到的这个经验式子的物理含义。为了得出了这个辐射公式的理论推论, 他大胆地作了如下两条假设:

(1) 黑体是由带电谐振子组成 (即把组成空腔壁的分子、原子的振动看做线性谐振子)。这些谐振子辐射电磁波,并和周围的电磁场交换能量。
(2) 这些谐振子的能量不能连续变化,只能取一些分立值,这些分立值是最小能量的整数倍,而且假设频率为v的谐振子的最小能量为E=hv,称之为能量子,h则称为Planck常数。

从而通过理论推导得出了这个表示式。该式通常用能量密度频谱表示,具有[exp(x)-1]倒数的形式,式中的x是(Planck常数与频率乘积)除以(Boltzmann常数与绝对温标乘积) ;[exp(x)-1]的倒数形式前面再乘上一个量值为(8倍的圆周率、Planck常数和频率3次方的乘积)除以(光速3次方)的系数。

这一理论成功地解释了黑体辐射的实验现象,也揭开了量子力学的序幕。M.Planck 本人因此荣获了1918年诺贝尔物理学奖。

尽管M.Planck给出了量子化的电磁波能量表达式,他却没有将电磁波量子化。从理论上提出光量子的第一人是于1905年成功解释光电效应的A.Einstein,他假设电磁波本身就带有量子化的能量,携带这些量子化的能量的最小单位叫光量子。然而,真正运用光子的统计力学从理论上推导出Planck定律却是上世纪20年代的事了。

话说1924年夏天,在柏林的A.Einstein收到了一封寄自印度达卡大学(现在孟加拉国境内)的信,寄信人署的是一个很陌生的名字 Satyendra Nath Bose ,随信附了一篇用英文撰写的论文《 Planck´s law and the hyperthesis of light quanta》 (Planck定律和光量子假说)。信很短,大意是说他试着演绎了Planck公式中的系数(圆周率和频率3次方的乘积)除以(光速3次方),没有用到古典的电动力学,仅仅是假设了位相空间的最基本单元具有的体积相当于Planck常数h的3次方。限于他的德语知识,无法把该篇论文翻译成德文,如果A.Einstein首肯的话,希望能发表在Zeitschrift für Physik(德国物理学会刊)上。后面是很礼貌的几句客气话,表示了他对于A.Einstein的由衷仰慕。
(师爷按:这封写于1924年6月4日的信已经成为科学史上的一份重要文献了)

很快,这篇只有4页的论文由A.Einstein亲自译成德文《 Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese》以S.N.Bose的名义寄交Zeitschrift für Physik 。A.Einstein还附上了自己的一封短简:“根据我的意见,S.N.Bose对于Planck公式的推导意味着一个重要的发展。这儿考虑的方法也可以得到理想气体的量子理论,有关内容我将另外撰文讨论。”不久,S.N.Bose的论文就发表在Zeitschrift für Physik 26:178-181 (1924).上了。

 
诺奖遗珠,南亚巨星 ---------- 物理学家S.N.Bose其人其事(二)

断章师爷

S.N.Bose的那篇英文稿件《 Planck´s law and the hyperthesis of light quanta》曾经投寄给好几家杂志,结果无一例外,全给退了回来。原因是S.N.Bose在文中提出了Maxwell–Boltzmann 统计对于微观粒子是不成立的。这是因为W.Heisenberg的测不准原理导致的变故足以影响分布结果。所以他在文中强调在每个基元体积为Planck常数h的3次方的位相空间中发现粒子的概率,而完全抛弃了通常考虑的处于不同位置和动量对于粒子产生的影响。这种情况可以用投掷2枚硬币的例子来说明。投掷的结果不外乎4种可能性:(硬币1正+硬币2正);(硬币1正+硬币2反);(硬币1反+硬币2正);(硬币1反+硬币2反),因此每一种情况出现的概率为1/4。假设这2枚硬币完全无法区别的话,那么投掷的结果只有3种可能:2枚硬币都为正;2枚硬币都为反;1枚硬币为正另1枚硬币为反。因此每一种情况出现的概率为1/3。根据S.N.Bose的观点,这些粒子完全无法识别!也就是说投掷2枚硬币的概率是1/3。各家杂志的审稿人均认为该文犯了个十分低级的错误,是以S.N.Bose遭到不断退稿的命运。唯有A.Einstein慧眼识英雄,一下子看出这个“错误”正是这篇文章具有不同凡响之处,所以大力推荐。

如今,凡是读过量子力学的人都知道Bose-Einstein 统计。这种统计就是源于上述S.N.Bose的那篇论文。顺便提一句,中文网上《百度百科》介绍Bose-Einstein 统计时,竟然说到“玻色爱因斯坦统计这个思想实际上是由玻色一个人提出来的,但是由于当时玻色的名气远远不够大,他把论文寄给了爱因斯坦,爱因斯坦对他的想法感到认同,签上自己名字寄给了杂志,编辑当然愿意发表带有爱翁签字的论文,于是乎,玻色理论变成了玻色-爱因斯坦理论。”我不知道这款条目是出于哪位高人之手?这完全是罔顾历史真实,任意发挥出来的想当然! (见键接http://baike.baidu.com/view/350358.htmlreforce=%B2%A3%C9%AB-%B0%AE%D2%F2%CB%B9%CC%B9%CD%B3%BC%C6&hold=synstd)

真实的情况,我在前面已经介绍过,A.Einstein把S.N.Bose的那篇论文译成德文,署上S.N.Bose一个人的姓名,再附上自己的推荐发表在德国物理学会刊上。随即A.Einstein将S.N.Bose论文中关于光子是严格等同的假设引入量子力学相干态的概念中,又把Bose表示式延伸到物质粒子(bosons,波色子),预测了当温度充分低时,它们会发生凝聚。他把这些内容写成《Quantentheorie des einatomigen idealen Gases》(单原子理想气体的量子理论)一文,发表在Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften, Physikalisch-mathematische Klasse, 1924, 261–267(普鲁士科学院会议报告集,物理数学类)上。后人遂把这种统计结果称之为Bose-Einstein统计。

这个结果表示处于第i能级的粒子数Ni可以用一个分式来估算:分母具有[exp(x)-1]的形式,式中的x是(处于第i状态的能量Ei减去化学势)除以(Boltzmann常数与绝对温标乘积) ;分子则是第i状态的简并(the degeneracy of the state i ) Gi。
下面我简单介绍一下,S.N.Bose是如何推导出这个统计结果的。

(1) 假设系统中有很多能级,分别用指标i 来加以区别,每个能级具有的能量为Ei,每个能级含有的粒子数为Ni。

(2) 假设每个能级含有亚能级Gi,这些亚能级具有相同的能量,并且彼此是可以区别的。(例如两个粒子具有相同的能量,却具有不同的动量。)

(3) 假设在某个能级的Gi个亚能级中的Ni个粒子的分布方式为W(Gi,Ni)。

(4) 我们可以很方便地计算出W(Gi,Ni) 等于一个分式:分子是(Ni+Gi-1)的阶乘(Ni+Gi-1)! ;分母则是(Ni)的阶乘和(Ni+Gi-1)的阶乘的乘积[(Ni)! (Ni+Gi-1)!] 。

(5) 根据概率论原则,所有粒子的分布方式等于i个W(Gi,Ni)的乘积。

(6) 假设Gi >>1, 就可以使用导出Maxwell–Boltzmann 统计结果的类似过程,再利用 Lagrange 乘数法形成的函数F(Ni)对所得的解进行限制。

(7) 然后利用Stirling近似公式即可解得Ni 的表示式等于一个分式:分子是Gi;分母具有[exp(y)-1]的形式,y是(A+BEi),其中的A和B分别是利用Stirling公式展开时,与粒子数和能量有关的两个项前面的系数。

(8) 再将A表示成为负的化学势除以(Boltzmann常数与绝对温标乘积);B表示成为(Boltzmann常数与绝对温标乘积)的倒数。然后代入Ni的表示式中,就得到了前面介绍的Bose-Einstein统计表示式。
 
诺奖遗珠,南亚巨星---------- 物理学家S.N.Bose其人其事(三)
断章师爷

那么这位为20世纪物理学界的众神之王A.Einstein相中的千里驹S.N.Bose究竟是何方神圣呢?

S.N.Bose出生于印度加尔各答一个两代接受过殖民地式英国教育的家庭,他的祖父曾在政府部门担任会计师,他的父亲曾在东印度铁路工程部当过工程审计人员,后来办了一个成功的化工和制药企业。S.N.Bose是家中7个孩子中的老大, 起初就读于加尔各答的印度教学校(Hindu School),然后进入加尔各答的院长学院(Presidency College),他在这两所学校念书时都获得了最高分。据加尔各答大学的S.Chatterjee撰文介绍S.N.Bose 在印度教学校念书时,数学老师 Bakshi 在他的试卷上批的分数是110分。校长询问他为何给出110分的成绩。Bakshi说这个孩子在限定的时间里,准确地解出了全部题目,而且还提供了各种不同的方法。校长是位虔诚的印度教徒,他谨慎的询问Bakshi 这样做是否会出格?这位S.N.Bose最早遇见的伯乐先生呵呵大笑说,将来出格的只能是这个孩子。果然如Bakshi 所预言的,如果没有S.N.Bose的话,世界上没有人会再记得这个已经关闭的学校了。

从1911年起S.N.Bose担任加尔各答大学物理学系讲师,1921年转到了当时成立不久的达卡大学物理学系(现位于孟加拉境内),职务也是讲师。S.N.Bose一生最崇拜的是A.Einstein。S.N.Bose比A.Einstein年轻15岁,当后者提出著名的狭义相对论和光子概念时,他才11岁。S.N.Bose在印度教学校念书时已经开始学习A.Einstein的专著了。S.N.Bose把A.Einstein当做自己一生的幸运之神。

由于1924年那篇论文的发表,S.N.Bose的名字一下子传遍了世界物理学界。然而在本国印度的物理学界却没有多少人知道他。S.N.Bose把A.Einstein寄给自己的明信片出示给他供职的达卡大学副校长看,后者大表惊奇,终于同意资助他去欧洲进修2年。

1924年10月S.N.Bose抵达巴黎。他原计划只在那儿耽搁几个星期,然后去柏林会晤A.Einstein。结果他在巴黎住了整整12个月。多年后S.N.Bose的传纪作者询问他为何在巴黎耽搁了那么长时间。S.N.Bose回答说,因为当时自己的德语不如法语,此外巴黎的一位著名的印度文化学者Sylvian Levi帮他给法国物理学界的领军人物Paul Langevin写了一封热情的推荐信。而且巴黎也有不少他的印度朋友,都希望他留在那儿。尽管S.N.Bose本人擅长的是理论物理,他考虑到达卡大学物理系的发展前景,决定在实验物理学方面下一番功夫。通过Paul Langevin的引荐,他去了大名鼎鼎的Marie Curie的镭学实验室。然而Marie Curie担心S.N.Bose的法语不够好,因为前些时有一个印度留学生给她留下了负面印象,所以希望他先下功夫学习法语。S.N.Bose是个性情随和,行事低调的人。于是他听从Marie Curie的嘱咐,学了几个月法语后,再去她的镭学实验室做压电效应方面的测试工作。尽管遭遇到不少困难,但他还是努力学习各种放射性技术。不久还是通过Paul Langevin的介绍,Maurice de Broglie(Louis de Broglie的大哥,也是法兰西学院的终身院士)接受S.N.Bose去他的实验室工作。S.N.Bose在那儿不仅掌握了多种晶体谱系的研究技术,还激起他对于晶体行为做理论研究的兴趣。此外他多次同Paul Langevin以及Louis de Broglie等就他们感兴趣的课题进行过长时间的讨论。

1925年10月S.N.Bose离开巴黎到达柏林,由于A.Einstein的介绍,他在那儿会晤了所有当时世界上最顶尖级的物理学家,包括Fritz Haber 、Lise Meitner 、Walter Bothe、 Hans Geiger、Peter Debye、 von Laue、 Wolfgang Pauli、 Werner Heisenberg 等。他们都对这位名不见经传的年轻人留下了深刻的印象。其中有几位还和他结下了终身的友谊。

1926年S.N.Bose回到达卡大学,由于他没有博士学位,因此无法晋升教授。在朋友和同事的怂恿下,他不得不再次向远在柏林的A.Einstein求助,后者无法想象在物理学领域中做出了如此辉煌工作的S.N.Bose在自己的本国印度竟然连个教授都评不上。于是A.Einstein亲自给达卡大学的校长写了一封竭诚的推荐信,S.N.Bose终于获得了教授的职称,不久又担任了该校理学院院长。由于S.N.Bose的努力,达卡大学物理系一度成为南亚最著名的教育和科学研究的前沿阵地。
印度独立以前,S.N.Bose回到加尔各答,出任那儿的物理学教授。1944年他被选为印度科学代表大会主席,1958年当选为英国皇家学会会员。1974年2月4日以80岁的高龄去世。

S.N.Bose是一个懒散的天才型人物,他一生很少努力工作,却把不少精力都耗化在一些琐事上面。终其一生,他一共才发表了25篇论文(想想我们国内那些专家一年都不止发表25篇论文!)。其中经典物理学方面5篇;量子力学和量子统计力学方面7篇;电离层的数学物理方面7篇;冶金萃取方面1篇;统一场论方面5篇。他的兴趣爱好十分广泛,遍涉化学、生物学、土壤科学、矿物学、动物学、哲学、考古学、美术、音乐和文学(孟加拉语和英语)。因为他的母语是孟加拉语,所以他大力推广孟加拉语的教育。S.N.Bose晚年致力于统一场论方面的工作。A.Einstein去世后,S.N.Bose不再从事物理学方面的任何研究了。

S.N.Bose每天起得很早,散步回来,就喝茶。接着开始工作,极大部分都是与物理学不太相干的事情。他很喜欢与朋友聊天,内容海阔天空。即使他担任了不少重要的行政职务以后,性格还是一样的随和开朗。晚间,他在一盏陶土制成的小灯下,安详地诵读用孟加拉文撰写的传统作品。他衣着随便,即使出席各种重要的国际会议,也都喜欢穿一袭白色的纱笼。任何人都可以随时敲开他办公室的大门。他时常一边弹奏Esraj(一种可以两面弹奏的弦乐器),一边垂泪。

他的传纪中记载了好几则逸事。大名鼎鼎的N.Bohr应邀去Saha核子物理研究所讲学,作为东道主的S.N.Bose简单地致辞后,就躲在角落里打瞌睡了。N.Bohr讲到一半突然挂黑板了,他只得问道“或许Bose教授能帮助我解决这个问题。” S.N.Bose张开了眼睛走到黑板前,随手就把这个数学难题解决了。然后又回到角落里继续合上眼睛。另一次在同一地点,邀请的演讲者是Frederic Joliot Curie ( Marie Curie女婿 )。同前一次一样,S.N.Bose做了介绍后,又坐在角落里打瞌睡了。当Frederic Joliot Curie用法语讲了一阵后发现下面的不少听众面现难色,于是他不得不停顿下来,询问S.N.Bose是否能帮助他翻译成英语。揉着眼睛的S.N.Bose站起身来,用文雅的英文把Frederic Joliot Curie刚才讲的内容逐句逐句地重新复述了一遍。50年代中期P.Dirac偕同他太太去加尔各答讲学,S.N.Bose邀请两位来自英伦的宾客坐在他那辆陈旧的车子后面,他自己坐在驾驶座里,又请另一个学生坐在自己旁边。一辆小小的车子塞满了4个人,P.Dirac略微惊奇地询问S.N.Bose是否坐得太拥挤了。S.N.Bose回过头去说了声“我们应当相信Bose统计!” P.Dirac不得不对他美丽的太太解释“按Bose统计,所有的事件都挤在一起出现。”

S.N.Bose毕生从未到过中国。1952年印度组成了一个教师代表团访问中国,S.N.Bose闻讯后要求参加。但是,不久他被告知这是一个为期7天的旋风式旅行。而且还有一个条件,所有的代表团成员回国后,要介绍自己在中国所获得的感受。S.N.Bose听后立刻拒绝了。他说我一不懂他们的语言,二不懂他们的习俗。唯一能做的事仅仅是出席会议,怎么能谈得出什么富有成效的感受呢?另一个未曾去过的国家是美国。美国驻印度的一位文化官员曾当面询问S.N.Bose是否有任何理由?S.N.Bose开玩笑地回答:“你们的参议员约瑟夫麦卡锡可能会反对,因为事实上,我已经先行访问了苏联。”


(未完待续)

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