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2019-06-26
更新時(shí)間:2022-11-18 14:17作者:網(wǎng)友發(fā)布
武漢理工大學(xué)、西交利物浦大學(xué)。
達(dá)卡在世界排名在801-1000名以內(nèi),中國的這兩所大學(xué)也在這個(gè)排名范圍內(nèi)。
印度有一個(gè)物理學(xué)家波色,研究量子力學(xué)的人必然知道他的名字,因?yàn)榱W颖环譃閮纱箢?,期中一類就被命名為玻色子,而另一類叫費(fèi)米子。他的研究為玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)及玻色-愛因斯坦凝聚理論提供了基礎(chǔ)。后來三個(gè)物理學(xué)家僅僅通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了波色-愛因斯坦凝聚態(tài)就獲得了2001年諾貝爾物理獎(jiǎng)。所以他沒有得到諾貝爾獎(jiǎng)確實(shí)有點(diǎn)冤枉。
薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose,1894年1月1日—1974年2月4日) ,印度物理學(xué)家,專門研究數(shù)學(xué)物理。
薩特延德拉·納特·玻色最著名的研究是1920年代早期的量子物理研究,該研究為玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)及玻色-愛因斯坦凝聚理論提供了基礎(chǔ)。玻色子就是以他的名字命名的。
著名物理學(xué)家賈因特·納里卡(Jayant Narlikar)在他的《科學(xué)邊緣》一書中寫道達(dá)卡大學(xué)畢業(yè):“S·N·玻色的粒子物理研究(約1922年),其中闡明了光子的表現(xiàn),并為統(tǒng)計(jì)遵從量子規(guī)則的微系統(tǒng)提供了機(jī)會,是二十世紀(jì)印度科學(xué)貢獻(xiàn)的前十名之一,是可被視為諾貝爾獎(jiǎng)級別的研究?!?/p>
生平情況
早年玻色生于印度西孟加拉邦的加爾各答,是七名孩子中的長子。他的父親蘇倫特拉納特·玻色(Surendranath Bose)曾任職于東印度鐵路工程部。
玻色就讀于加爾各答印度教學(xué)校(Hindu School),后就讀于也位于加爾各答的院長學(xué)院(Presidency College),他在這兩所當(dāng)?shù)刂麑W(xué)府時(shí)都獲得了最高分。他接觸了一些優(yōu)秀的老師,如賈加迪什·錢德拉·玻色(Jagdish Chandra Bose,無血緣關(guān)系)及普拉富爾拉·錢德拉·羅伊(Prafulla Chandra Roy),他們都鼓舞了玻色要立好遠(yuǎn)大志向。他于1911年至1921年任加爾各答大學(xué)物理學(xué)系講師。他于1921年轉(zhuǎn)到了當(dāng)時(shí)成立不久的達(dá)卡大學(xué)物理學(xué)系(現(xiàn)位于孟加拉境內(nèi)),也是任職講師。
玻色寫給愛因斯坦的信
玻色于1924年寫了一篇推導(dǎo)普朗克量子輻射定律的論文,當(dāng)中并沒有提到任何古典物理。在開始時(shí)未能發(fā)表的挫折下,他把論文直接寄給身在德國的艾爾伯特·愛因斯坦。愛因斯坦意識到這篇論文的重要性,不但親自把它翻譯成德語,還以玻色的名義把論文遞予名望頗高的《德國物理學(xué)刊》("Zeitschrift für Physik")發(fā)表。就是因?yàn)榇舜钨p識,玻色能夠第一次離開印度,前往歐洲并逗留兩年,期間與路易·德布羅伊、居里夫人及愛因斯坦工作過。
玻色于1926年回到達(dá)卡,任教授兼物理學(xué)系主任,并繼續(xù)留在達(dá)卡大學(xué)教學(xué)至1945年。那時(shí)候他回到了加爾各答,在加爾各答大學(xué)教學(xué)至1956年,他退休時(shí)被授予名譽(yù)教授頭銜。
以后的研究
在這以后玻色的概念在物理學(xué)界廣受好評,達(dá)卡大學(xué)于1924年允許他休假到歐洲去。他在法國度過了一年,跟居里夫人共事,也跟多位知名科學(xué)家見過面。之后他又多游學(xué)一年,在柏林跟愛因斯坦共事。在1926年他回到達(dá)卡大學(xué)之后,就立即于被擢升為教授。他并沒有博士學(xué)位,一般來說他是不夠資格當(dāng)教授的,但是愛因斯坦還是推薦了他。他的研究范圍很廣,從X射線晶體學(xué)到統(tǒng)一場理論都有涉獵。他還跟梅格·納德·薩哈(Megn Nad Saha)一起發(fā)表了真實(shí)氣體用的一條狀態(tài)方程。
1949
除物理以外,他還研究過生物化學(xué)及文學(xué)(孟加拉語及英語)。他還深入地學(xué)習(xí)過化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、動物學(xué)、人類學(xué)、工程學(xué)及其他科學(xué)。作為一個(gè)有孟加拉背景的人,他花了不少時(shí)間把孟加拉語推廣為教學(xué)語言,把科學(xué)論文翻成孟加拉語,以及推廣該地區(qū)的發(fā)展。
玻色于1944年被選為印度科學(xué)代表大會主席。
他于1958年獲選為英國皇家學(xué)會會員。
沒錯(cuò)的錯(cuò)誤
有一次玻色在達(dá)卡大學(xué)講課,課題是光電效應(yīng)及紫外災(zāi)難,玻色打算向?qū)W生展示當(dāng)時(shí)理論的不適之處,因?yàn)槔碚擃A(yù)測的結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)不符。在講課期間,玻色在應(yīng)用理論時(shí)犯了錯(cuò),意想不到的是居然得出一個(gè)跟實(shí)驗(yàn)一致的預(yù)測。(他后來將講課內(nèi)容改寫成了一篇短文,叫《普朗克定律與光量子假說》。)
那錯(cuò)誤是一個(gè)很簡單的錯(cuò)──跟認(rèn)為擲兩枚硬幣得兩正面的概率是三分之一是一樣的──任何對統(tǒng)計(jì)學(xué)有一點(diǎn)基礎(chǔ)理解的人都知道有問題。然而,預(yù)測結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)吻合,且玻色意識到這畢竟有可能不是錯(cuò)誤。他首次提出麥克斯韋-玻爾茲曼分布對微觀粒子不會成立,這是因?yàn)橛珊Iy不準(zhǔn)原理所導(dǎo)致的變動此時(shí)會大得足夠構(gòu)成影響。故此他強(qiáng)調(diào)在每個(gè)體積為h的位相空間中找到粒子的概率而舍棄粒子不同的位置和動量。
好幾份物理學(xué)刊都沒有為玻色發(fā)表論文。他們認(rèn)為他所展現(xiàn)的是一個(gè)簡單錯(cuò)誤,而且玻色的發(fā)現(xiàn)被忽略了?;倚牡乃麑懥朔庑沤o愛因斯坦,愛因斯坦馬上就同意他的觀點(diǎn)。愛因斯坦寫了一篇支持玻色理論的論文,遞予《德國物理學(xué)刊》發(fā)表,并要求把這兩篇論文一同發(fā)表,這時(shí)候玻色的理論終于受到推崇。這是1924年的事。玻色早前曾經(jīng)把愛因斯坦的廣義相對論論文從德語翻譯成英語。有人說玻色把愛因斯坦當(dāng)成他的“祖師”。
玻色的“錯(cuò)誤”能得出正確結(jié)果,這是因?yàn)楣庾觽兪遣荒鼙环直娉鰜淼模簿褪遣荒馨讶魏蝺蓚€(gè)同能量的光子當(dāng)作兩個(gè)能被明確識別的光子。比方說,如果在另一個(gè)宇宙里,硬幣表現(xiàn)得像光子及其他玻色子一樣,擲出兩正的概率會的而且確是三分之一(正反=反正)。玻色的“錯(cuò)誤”現(xiàn)在被稱為玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)。
愛因斯坦采取了這個(gè)概念,并把它延伸到原子去。這為預(yù)測某個(gè)現(xiàn)象的存在鋪好了路,這個(gè)現(xiàn)象就是現(xiàn)在的玻色-愛因斯坦凝聚,在這現(xiàn)象中一組高密度的玻色子(自旋為整數(shù)的粒子,以玻色命名)在超低溫狀態(tài)中會成為玻色-愛因斯坦凝聚體,于1995年被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
軼事
1.有一次大科學(xué)家尼爾斯·玻爾正在講課。玻色列席。講課者講著講著,中途在解釋某一點(diǎn)時(shí)有難處。他一直都在黑板上寫著達(dá)卡大學(xué)畢業(yè);他停下來,轉(zhuǎn)向玻色,問道,“玻色教授能幫達(dá)卡大學(xué)畢業(yè)我個(gè)忙嗎?”講課期間薩特延德拉都在閉著眼坐著。聽眾們都忍不住向玻爾教授的話報(bào)以微笑。令他們驚奇的是,玻色張開了眼睛;一下子就把講課者的難題給解決了。之后他坐下來又把眼睛閉上了達(dá)卡大學(xué)畢業(yè)!
2.1927年在意大利科莫舉行了科莫會議,除了愛因斯坦、薛定諤和狄拉克以外,當(dāng)代最著名了物理學(xué)家,包括玻爾、海森堡、普朗克、洛倫茲、德布羅意等都出席了。但是玻色卻沒有能夠出席,原因很離奇。因?yàn)楫?dāng)時(shí)大會向遠(yuǎn)在印度的玻色教授發(fā)出了邀請函,寄往了加爾各答大學(xué),署名“寄給加爾各答大學(xué)的玻色教授”。但是當(dāng)時(shí)玻色已經(jīng)離開加爾各答大學(xué)去了達(dá)卡大學(xué),而加爾各答大學(xué)還有一位姓玻色,全名叫做D.M.玻色的教授,而當(dāng)時(shí)的通訊并不如現(xiàn)在發(fā)達(dá),于是這位名不見經(jīng)傳的玻色就代替了當(dāng)時(shí)已經(jīng)很有名望的S.N.玻色,參加了眾星云集的科莫大會。
玻色–愛因斯坦凝聚 (Bose–Einstein condensate)是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)(物態(tài))。1995年,麻省理工學(xué)院的沃夫?qū)P特利與科羅拉多大學(xué)鮑爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態(tài)的銣原子在170 nK的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態(tài)下,幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài),形成一個(gè)宏觀的量子狀態(tài)。
理論
所有原子的量子態(tài)都束聚于一個(gè)單一的量子態(tài)的狀態(tài)被稱為玻色凝聚或玻色-愛因斯坦凝聚。1920年代,薩特延德拉·納特·玻色和阿爾伯特·愛因斯坦以玻色關(guān)于光子的統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究為基礎(chǔ),對這個(gè)狀態(tài)做了預(yù)言。
2005年7月22日,烏得勒支大學(xué)的學(xué)生羅迪·玻因克在保羅·埃倫費(fèi)斯特的個(gè)人檔案中發(fā)現(xiàn)了1924年12月愛因斯坦手寫的原文的草稿。玻色和愛因斯坦的研究的結(jié)果是遵守玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的玻色氣體。玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)是描寫玻色子的統(tǒng)計(jì)分布的理論。玻色子,其中包括光子和氦-4之類的原子,可以分享同一量子態(tài)。愛因斯坦推測將玻色子冷卻到非常低的溫度后它們會“落入”(“凝聚”)到能量最低的可能量子態(tài)中,導(dǎo)致一種全新的相態(tài)。
發(fā)現(xiàn)
1938年,彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納(Don Misener)發(fā)現(xiàn)氦-4在降溫到2.2 K時(shí)會成為一種叫做超流體的新的液體狀態(tài)。超流的氦有許多非常不尋常的特征,比如它的黏度為零,其漩渦是量子化的。很快人們就認(rèn)識到超液體的原因是玻色-愛因斯坦凝聚。事實(shí)上,康奈爾和威曼發(fā)現(xiàn)的氣態(tài)的玻色-愛因斯坦凝聚呈現(xiàn)出許多超流體的特性。
“真正”的玻色-愛因斯坦凝聚最早是由康奈爾和威曼及其助手在天體物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究所于1995年6月5日制造成功的。他們使用激光冷卻和磁阱中的蒸發(fā)冷卻將約2000個(gè)稀薄的氣態(tài)的銣-87原子的溫度降低到170 nK后獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。四個(gè)月后,麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)た颂乩帐褂免c-23獨(dú)立地獲得了玻色-愛因斯坦凝聚??颂乩盏哪圯^康奈爾和威曼的含有約100倍的原子,這樣他可以用他的凝聚獲得一些非常重要的結(jié)果,比如他可以觀測兩個(gè)不同凝聚之間的量子衍射。2001年康奈爾、威曼和克特勒為他們的研究結(jié)果共享諾貝爾物理獎(jiǎng)。
康奈爾、威曼和克特勒的結(jié)果引起了許多試驗(yàn)項(xiàng)目。比如2003年11月因斯布魯克大學(xué)的魯?shù)罓柗颉じ窭锬?、科羅拉多大學(xué)鮑爾德分校的德波拉·金和克特勒制造了第一個(gè)分子構(gòu)成的玻色-愛因斯坦凝聚。
與一般人們遇到的其它相態(tài)相比,玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩(wěn)定。玻色-愛因斯坦凝聚與外界世界的極其微小的相互作用足以使它們加熱到超出臨界溫度,分解為單一原子的狀態(tài),因此在短期內(nèi)不太有機(jī)會出現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。
2016年5月17日,來自澳大利亞新南威爾士大學(xué)和澳大利亞國立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次使用人工智能制造出了玻色-愛因斯坦凝聚。人工智能在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的作用是調(diào)節(jié)要求苛刻的溫度和防止原子逃逸的激光束。
我們知道,常溫下的氣體原子行為就象臺球一樣,原子之間以及與器壁之間互相碰撞,其相互作用遵從經(jīng)典力學(xué)定律;低溫的原子運(yùn)動,其相互作用則遵從量子力學(xué)定律,由德布羅意波來描述其運(yùn)動,此時(shí)的德布羅意波波長λ小于原子之間的距離d,其運(yùn)動由量子屬性自旋量子數(shù)來決定。我們知道,自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子為玻色子,而自旋量子數(shù)為半整數(shù)的粒子為費(fèi)米子。
玻色子具有整體特性,在低溫時(shí)集聚到能量最低的同一量子態(tài)(基態(tài));而費(fèi)米子具有互相排斥的特性,它們不能占據(jù)同一量子態(tài),因此其它的費(fèi)米子就得占據(jù)能量較高的量子態(tài),原子中的電子就是典型的費(fèi)米子。
早在1924年玻色和愛因斯坦就從理論上預(yù)言存在另外的一種物質(zhì)狀態(tài)——玻色愛因斯坦冷凝態(tài),即當(dāng)溫度足夠低、原子的運(yùn)動速度足夠慢時(shí),它們將集聚到能量最低的同一量子態(tài)。此時(shí),所有的原子就象一個(gè)原子一樣,具有完全相同的物理性質(zhì)。
根據(jù)量子力學(xué)中的德布洛意關(guān)系,λ=h/p。粒子的運(yùn)動速度越慢(溫度越低),其物質(zhì)波的波長就越長。當(dāng)溫度足夠低時(shí),原子的德布洛意波長與原子之間的距離在同一量級上,此時(shí),物質(zhì)波之間通過相互作用而達(dá)到完全相同的狀態(tài),其性質(zhì)由一個(gè)原子的波函數(shù)即可描述; 當(dāng)溫度為絕對零度時(shí),熱運(yùn)動現(xiàn)象就消失了,原子處于理想的玻色愛因斯坦冷凝態(tài)。
達(dá)卡大學(xué)
達(dá)卡大學(xué)是現(xiàn)代孟加拉國最古老的的大學(xué)達(dá)卡大學(xué)畢業(yè),由英屬印度政府于1921年創(chuàng)立。達(dá)卡大學(xué)以牛劍的教育模式為模板達(dá)卡大學(xué)畢業(yè),并一度被稱為“東方牛津”,其對孟加拉國的發(fā)展有著重要影響。
孟加拉國位于孟加拉灣之北,東南山區(qū)一小部分與緬甸為鄰,東、西、北三面與印度毗連,并在北方邊境尚有大量飛地,全國總面積為147570平方公里。2015年6月,印孟兩國達(dá)成新的邊界協(xié)議,孟加拉獲得111塊共計(jì)170平方公里的飛地,飛地范圍內(nèi)的居民已自由選擇國籍。