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断章师爷 诺奖遗珠,南亚巨星---------- 物理学家S.N.Bose其人其事（四）

作者：light12  于 2010-5-27 22:59 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：

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 时间: 2010-5-27 周四, 上午7:12
作者：断章师爷

诺奖遗珠,南亚巨星---------- 物理学家S.N.Bose其人其事（四）
断章师爷

终其一生，S.N.Bose始终无缘问鼎诺贝尔物理学奖。生前有不少人问起他对此的感受，他乐呵呵地回答：“I have got my due.” S.N.Bose年轻时的肖像已由若迷先生贴在拙文第（三）部分的跟帖中，谢谢。

只要人类需要物理学，他们就不会忘记S.N.Bose。翻开任何一本现代物理学著作都会赫然发现S.N.Bose的姓名，例如Bose-Einstein统计、bosons（波色子）和Bose-Einstein凝聚等 。

Bose-Einstein统计已经在第（二）部分中介绍过了。所谓boson (波色子) 是指遵循Bose-Einstein统计，其自旋量子数为整数的粒子。按照Pauli不相容原理，每一个轨道中只能容纳自旋方向相反的两个电子。换句话说波色子是不符合Pauli不相容原理的。符合Pauli不相容原理的粒子是费米子(fermion)，它们遵照Fermi-Dirac 统计。一般说来，所有的物质粒子都是费米子，例如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子等；而传递作用力的粒子例如光子、介子、胶子、W和Z玻色子等均为波色子。

15年前美国MIT的Wolfgang Ketterle 和Colorado 大学的Eric Cornell 以及Carl Wieman使用气态的Rb原子在170个nanokelvin （即1.7乘以10的负7次K）的低温下首次获得了Bose-Einstein凝聚（BEC）。整个物理学世界再一次掀起了BEC热潮。媒体上甚至把这种状态称之为第5种物质状态。Eric Cornell、 Wolfgang Ketterle和Carl Wieman也荣膺了2001年度的物理学诺奖。他们三位的尊容和法相请看稀副统帅在拙文第（一）部分的跟帖。

下面再花些篇幅介绍一下Bose-Einstein凝聚。在这种凝聚状态下，几乎全部的原子都聚集在最低能量的量子态，可以说是形成了一个宏观的量子态。早在1924年，A.Einstein收到S.N.Bose万里之外万里之外寄来的那四页论文，就预见到这种特殊的状态。然而，真正用实验手段观察到这种现象却是整整71年之后的事了。

根据量子力学中的波粒二象性学说物质粒子也能像波一样进行传播，也能观察到干涉和衍射的行为。这种波称为物质波或者以提出这一理论的Louis de Broglie的姓名命名为de Broglie波。对于结构简单的微小粒子，例如电子和中子的干涉现象和衍射图谱早就被观察到了，现在广泛使用的电子显微镜(SEM 和TEM)以及已经进入实验室的中子干涉仪都是基于这一理论。

既然我们日常生活中的宏观物质都是由这些遵循量子力学原理的微观粒子组成的，那麽我们能不能观测到具有量子力学特征的宏观物理学现象，譬如原子和分子集团的量子效应呢？要在实验上观测到这种效应必须选择一种合适的体系，使得粒子的de Broglie波长大于粒子之间的平均距离。但是物质波的波长实在是太短了，因此宏观量子效应很难观察到。我们可以很方便地根据de Broglie第二方程来估算物质波的波长：波长与动量之乘积等于Planck常数。所以温度越低，分子运动速度越低，分子的动量越低，反之波长越长。因此只有在温度极低的Bose-Einstein凝聚状态，才能观察到原子这一尺度的波动行为。据新闻图片介绍MIT的Wolfgang Ketterle小组得到的处于Bose-Einstein凝聚的Na原子的干涉图形的条纹间距为15微米，可见对应的物质波长应该是非常大的，而常温下Na原子的de Broglie波长只有0.05 nanometre 。

根据Bose-Einstein统计理论，当温度足够低时，几乎所有的原子都会突然聚集到一种能级为零的状态，这种状态就是Bose-Einstein凝聚状态。通过理论计算（懒得引用，有兴趣的读者可以参看A.Einstein的《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上），可以得知这种“相变”发生在化学势趋近于零时。我这儿在相变上打一引号，是因为相变这个概念是发生在粒子无穷多（Avogadro数量级）的系统，然而目前能用实验手段捕获的Bose-Einstein凝聚状态的粒子数目已达数千万了，所以借用“相变”这个字眼来描述应该不会太不靠谱。在这种状态下，个体原子很难独立存在，只有许许多多原子的聚集宏观行为才是重要的。

现在人们已经观测到了在单一的量子状态上具有宏观意义的原子群体，并且能对其微观和宏观动力学行为（例如Feshbach效应）进行有效的控制。这不仅会促使我们对于物理学的某些重大的基本问题进行重新思索，而且必然会导致更多的重要物理现象甚至全新的应用前景的发现。有关的内容在网络上铺天盖地，我就不再赘言了。

看到自己当初4页薄薄的演算手稿开拓出如此蓬勃发展的科学前景，远在天国的S.N.Bose会一边热泪盈眶地为他心目中的偶像A.Einstein演奏Esraj，一边乐呵呵地说着“I have got my due.”。

（全文完）
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