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斷章師爺諾獎遺珠,南亞巨星---------- 物理學家S.N.Bose其人其事（四）

作者：light12 於 2010-5-27 22:59 發表於最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:網路文摘

關鍵詞：

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時間: 2010-5-27 周四, 上午7:12

作者：斷章師爺

諾獎遺珠,南亞巨星---------- 物理學家S.N.Bose其人其事（四）
斷章師爺

終其一生，S.N.Bose始終無緣問鼎諾貝爾物理學獎。生前有不少人問起他對此的感受，他樂呵呵地回答：「I have got my due.」 S.N.Bose年輕時的肖像已由若迷先生貼在拙文第（三）部分的跟帖中，謝謝。

只要人類需要物理學，他們就不會忘記S.N.Bose。翻開任何一本現代物理學著作都會赫然發現S.N.Bose的姓名，例如Bose-Einstein統計、bosons（波色子）和Bose-Einstein凝聚等。

Bose-Einstein統計已經在第（二）部分中介紹過了。所謂boson (波色子) 是指遵循Bose-Einstein統計，其自旋量子數為整數的粒子。按照Pauli不相容原理，每一個軌道中只能容納自旋方向相反的兩個電子。換句話說波色子是不符合Pauli不相容原理的。符合Pauli不相容原理的粒子是費米子(fermion)，它們遵照Fermi-Dirac 統計。一般說來，所有的物質粒子都是費米子，例如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子等；而傳遞作用力的粒子例如光子、介子、膠子、W和Z玻色子等均為波色子。

15年前美國MIT的Wolfgang Ketterle 和Colorado 大學的Eric Cornell 以及Carl Wieman使用氣態的Rb原子在170個nanokelvin （即1.7乘以10的負7次K）的低溫下首次獲得了Bose-Einstein凝聚（BEC）。整個物理學世界再一次掀起了BEC熱潮。媒體上甚至把這種狀態稱之為第5種物質狀態。Eric Cornell、 Wolfgang Ketterle和Carl Wieman也榮膺了2001年度的物理學諾獎。他們三位的尊容和法相請看稀副統帥在拙文第（一）部分的跟帖。

下面再花些篇幅介紹一下Bose-Einstein凝聚。在這種凝聚狀態下，幾乎全部的原子都聚集在最低能量的量子態，可以說是形成了一個宏觀的量子態。早在1924年，A.Einstein收到S.N.Bose萬里之外萬里之外寄來的那四頁論文，就預見到這種特殊的狀態。然而，真正用實驗手段觀察到這種現象卻是整整71年之後的事了。

根據量子力學中的波粒二象性學說物質粒子也能像波一樣進行傳播，也能觀察到干涉和衍射的行為。這種波稱為物質波或者以提出這一理論的Louis de Broglie的姓名命名為de Broglie波。對於結構簡單的微小粒子，例如電子和中子的干涉現象和衍射圖譜早就被觀察到了，現在廣泛使用的電子顯微鏡(SEM 和TEM)以及已經進入實驗室的中子干涉儀都是基於這一理論。

既然我們日常生活中的宏觀物質都是由這些遵循量子力學原理的微觀粒子組成的，那麽我們能不能觀測到具有量子力學特徵的宏觀物理學現象，譬如原子和分子集團的量子效應呢？要在實驗上觀測到這種效應必須選擇一種合適的體系，使得粒子的de Broglie波長大於粒子之間的平均距離。但是物質波的波長實在是太短了，因此宏觀量子效應很難觀察到。我們可以很方便地根據de Broglie第二方程來估算物質波的波長：波長與動量之乘積等於Planck常數。所以溫度越低，分子運動速度越低，分子的動量越低，反之波長越長。因此只有在溫度極低的Bose-Einstein凝聚狀態，才能觀察到原子這一尺度的波動行為。據新聞圖片介紹MIT的Wolfgang Ketterle小組得到的處於Bose-Einstein凝聚的Na原子的干涉圖形的條紋間距為15微米，可見對應的物質波長應該是非常大的，而常溫下Na原子的de Broglie波長只有0.05 nanometre 。

根據Bose-Einstein統計理論，當溫度足夠低時，幾乎所有的原子都會突然聚集到一種能級為零的狀態，這種狀態就是Bose-Einstein凝聚狀態。通過理論計算（懶得引用，有興趣的讀者可以參看A.Einstein的《Quantentheorie des einatomigen idealen Gases》（單原子理想氣體的量子理論）一文，發表在Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften, Physikalisch-mathematische Klasse, 1924, 261–267上），可以得知這種「相變」發生在化學勢趨近於零時。我這兒在相變上打一引號，是因為相變這個概念是發生在粒子無窮多（Avogadro數量級）的系統，然而目前能用實驗手段捕獲的Bose-Einstein凝聚狀態的粒子數目已達數千萬了，所以借用「相變」這個字眼來描述應該不會太不靠譜。在這種狀態下，個體原子很難獨立存在，只有許許多多原子的聚集宏觀行為才是重要的。

現在人們已經觀測到了在單一的量子狀態上具有宏觀意義的原子群體，並且能對其微觀和宏觀動力學行為（例如Feshbach效應）進行有效的控制。這不僅會促使我們對於物理學的某些重大的基本問題進行重新思索，而且必然會導致更多的重要物理現象甚至全新的應用前景的發現。有關的內容在網路上鋪天蓋地，我就不再贅言了。

看到自己當初4頁薄薄的演算手稿開拓出如此蓬勃發展的科學前景，遠在天國的S.N.Bose會一邊熱淚盈眶地為他心目中的偶像A.Einstein演奏Esraj，一邊樂呵呵地說著「I have got my due.」。

（全文完）

ZT

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