給愛因斯坦寫信的年輕人，開創(chuàng)了量子力學(xué)的新方向

編者按

玻色出生于1894年1月1日，是20世紀(jì)物理學(xué)最杰出的人物之一。這篇文章由玻色以前的學(xué)生Partha Ghose教授撰寫，旨在向一位量子領(lǐng)域開拓者的一生致敬——他與愛因斯坦一起確立了量子力學(xué)的新方向?？梢灶A(yù)見，他的名字將一直在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的史冊(cè)上回響。今年正值玻色誕辰130周年，也是玻色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)提出100周年，特刊登此文，以饗讀者。

撰文 | Patha Ghose

翻譯 | 1/137

玻色（Satyendra Nath Bose，1894.1.1-1974.2.4）

薩延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）有著一頭濃密顯眼的白發(fā)，一雙大眼睛極具穿透力，臉上常常掛著燦爛的笑容，對(duì)科學(xué)、文學(xué)和藝術(shù)有著濃厚的興趣，他的名字與愛因斯坦聯(lián)系在一起——在其有生之年，他是一個(gè)傳奇人物。1924年，他在達(dá)卡寫了一篇精彩的論文，證實(shí)了愛因斯坦關(guān)于光子的有爭(zhēng)議的觀點(diǎn)[1]。達(dá)卡是孟加拉國的首都，但在科學(xué)的世界里它實(shí)際上岌岌無名。這篇論文表明光子不是普通的粒子，而是奇怪的實(shí)體，它們傾向于按照一種不同的粒子統(tǒng)計(jì)規(guī)律聚集在一起。愛因斯坦讀了這篇論文，他對(duì)自己的想法得到出乎意料的支持而感到振奮，于是將玻色的方法應(yīng)用于理想氣體，奠定了氣體的量子理論的基礎(chǔ)。這種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)被稱為玻色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)（Bose–Einstein statistics）。事實(shí)上，玻色并沒有意識(shí)到他的觀察結(jié)果是真正獨(dú)創(chuàng)性的。[2]物理學(xué)家、愛因斯坦的傳記作者派斯（Abraham Pais）指出，“自從普朗克在1900年引入量子以來，還沒有出現(xiàn)過如此成功的猜測(cè)（shot in the dark）?！盵3]玻色的論文是完成舊量子論并導(dǎo)致新量子力學(xué)的四篇革命性論文中的最后一篇，其他三篇分別是1900年普朗克、1905年愛因斯坦和1913年玻爾的論文[4]。

玻色于1894年1月1日出生在英屬印度的首都加爾各答。這里被視為大英帝國繼倫敦之后第二個(gè)日不落之城。當(dāng)時(shí)，正值孟加拉文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)，民族自豪感的覺醒是顯而易見的，該運(yùn)動(dòng)始于18世紀(jì)后期，由拉賈·拉姆·莫漢·羅伊（Raja Ram Mohan Roy）帶頭。一群才華橫溢而叛逆的人登上歷史舞臺(tái)，從本質(zhì)上講，他們從印度的立場(chǎng)接受西方的知識(shí)和科學(xué)。玻色的家族也參與了這一運(yùn)動(dòng)，他的父親蘇倫德拉納特（Surendranath）受到啟發(fā)，建立了自己的化學(xué)和制藥工業(yè)。它很快引發(fā)了隨之而來的政治運(yùn)動(dòng)。這場(chǎng)動(dòng)亂讓英國人感到不安。1905年，當(dāng)玻色只有11歲的時(shí)候，英國總督柯曾勛爵（Lord Curzon）把孟加拉一分為二。這一分治引發(fā)了廣泛的抗議，觸動(dòng)了許多年輕人的生活。玻色的父親教導(dǎo)他唯一的兒子不要參與政治運(yùn)動(dòng)，也不要參加任何音樂活動(dòng)。他服從了第一個(gè)命令，但暗中沒遵守第二個(gè)。

玻色的數(shù)學(xué)才能在他上高年級(jí)時(shí)開始顯露出來。他的數(shù)學(xué)老師曾經(jīng)在一次滿分為100分的課堂測(cè)驗(yàn)中給了他110分。他正確地回答了所有問題，在某些題目上，他演示了不止一種得到答案的方法。這位老師預(yù)言玻色有一天會(huì)成為偉大的數(shù)學(xué)家。

玻色隨后進(jìn)入著名的總統(tǒng)學(xué)院（Presidency College），在那里教他的教授包括物理學(xué)家兼植物學(xué)家賈格迪什·玻色（Jagadish Chandra Bose），他是微波的發(fā)現(xiàn)者和植物電生理學(xué)的先驅(qū)；化學(xué)家普拉富拉·雷（Prafulla Chandra Ray），他以對(duì)亞硝酸汞的研究，以及作為一位偉大的教師、歷史學(xué)家、實(shí)業(yè)家和慈善家而聞名。玻色的同學(xué)中有梅格納德·薩哈（Meghnad Saha），他來自東孟加拉邦（現(xiàn)在的孟加拉國）的一個(gè)貧困家庭，后來在天體物理學(xué)方面做了開創(chuàng)性工作。薩哈是第一個(gè)應(yīng)用玻爾原子理論，根據(jù)恒星表面附近原子的電離程度來計(jì)算恒星的溫度、壓強(qiáng)和化學(xué)成分的人。這項(xiàng)工作解釋了為什么恒星似乎具有完全不同的化學(xué)成分，具體取決于它們的大小和溫度。

玻色和薩哈成為了好朋友。他們一起學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，最終都被任命為加爾各答大學(xué)新成立的科技學(xué)院的物理學(xué)助理講師，該學(xué)院成立于1914年。兩人一起學(xué)習(xí)了德語、法語和英語，以便能夠研究普朗克、愛因斯坦和其他歐洲科學(xué)家撰寫的論文。

1919年5月29日的日全食之后，物理學(xué)界發(fā)生了一個(gè)重大事件，即愛丁頓（Arthur Eddington）觀察到星光在太陽附近發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。他的觀察結(jié)果證實(shí)了愛因斯坦對(duì)光的引力彎曲的預(yù)測(cè)。這之后，玻色和薩哈將愛因斯坦和閔可夫斯基（Hermann Minkowski）的所有論文從德語翻譯成英語。加爾各答大學(xué)于1920年出版了一本名為《相對(duì)論原理》（The Principle of Relativity）的書，并由玻色和薩哈的朋友馬哈拉諾比（Prasanta Chandra Mahalanobis）做了歷史回顧，他后來成為印度統(tǒng)計(jì)學(xué)的先驅(qū)。這是愛因斯坦論文的首個(gè)英譯本。

玻色和薩哈合作撰寫了他們的第一篇關(guān)于真實(shí)氣體狀態(tài)方程的研究論文。[5]薩哈隨后出國，在英國與福勒（Ralph Fowler）一起工作，在那里他進(jìn)一步發(fā)展了他的熱電離理論（theory of thermal ionization）。玻色則加入了新成立的達(dá)卡大學(xué)，擔(dān)任物理學(xué)高級(jí)講師（Reader in Physics）。在達(dá)卡教授量子理論時(shí)，他首先注意到普朗克黑體輻射定律的所有已知推導(dǎo)中存在的邏輯問題（編者注：參見《黑體輻射公式的多種推導(dǎo)及其在近代物理構(gòu)建中的意義(四) 》）。當(dāng)薩哈提請(qǐng)他注意泡利（Wolfgang Pauli）剛剛發(fā)表的關(guān)于黑體輻射定律的推導(dǎo)時(shí)，這個(gè)問題進(jìn)一步凸顯[6]。泡利提出了一個(gè)猜測(cè)性的電子—光子散射概率，它取決于始態(tài)和末態(tài)，這在當(dāng)時(shí)看起來很瘋狂。在1923年底到1924年初的某個(gè)時(shí)候，玻色在努力解決這個(gè)問題，然后突然想到了屬于他的偉大想法。通過使用新的統(tǒng)計(jì)，他將黑體輻射視為光子氣，從而成功地導(dǎo)出了普朗克公式，而沒有之前那種邏輯上的困難。由于無法在《哲學(xué)雜志》（Philosophical Magazine）上發(fā)表，他把論文寄給了愛因斯坦，并謙恭地請(qǐng)求將其譯成德語并發(fā)表在一家聲譽(yù)卓著的德國期刊上。當(dāng)然，愛因斯坦對(duì)他的光子思想得到意外證實(shí)感到高興，盡管玻色為得出正確的統(tǒng)計(jì)而對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整。愛因斯坦親自翻譯了這篇論文，并在Zeitschrift für Physik上發(fā)表，還附上譯者按：“在我看來，玻色的推導(dǎo)標(biāo)志著一個(gè)重要的進(jìn)展。這里使用的方法給出了理想氣體的量子理論，我將另行解決?！盵7]

愛因斯坦關(guān)于新的統(tǒng)計(jì)的開創(chuàng)性工作就這樣開始了。在1924年7月10日、1925年1月8日和1925年1月29日與柏林普魯士科學(xué)院（Prussian Academy）的通信中，他將玻色的方法推廣到理想氣體，并預(yù)言了玻色—愛因斯坦凝聚體（Bose–Einstein condensates），這是一種直到70年后才被觀察到的超冷物質(zhì)形態(tài)。[8]

這一發(fā)現(xiàn)值得更詳細(xì)地介紹。

玻色統(tǒng)計(jì)的故事

1900年10月7日，星期日下午，魯本斯（Heinrich Rubens）與普朗克一起喝茶，并告訴后者他和庫爾鮑姆（Ferdinand Kurlbaum）獲得的黑體譜的最新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。魯本斯離開后，普朗克開始尋找一個(gè)能夠擬合黑體譜數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)公式。他的公式成功了，

納入了新的帶有作用量量綱的基本常數(shù)h。它與經(jīng)典的瑞利—金斯定律（Rayleigh–Jeans law）和經(jīng)驗(yàn)建立的維恩定律（Wien’s law）一致，但僅限于低頻和高頻極限，而中間區(qū)域則不符。很明顯，能準(zhǔn)確擬合整個(gè)頻譜數(shù)據(jù)的插值公式無法從經(jīng)典理論中推導(dǎo)出來。這顯然需要一些理論上的理由。普朗克非常努力地嘗試，最后，作為“絕望的行為......無論如何，不惜一切代價(jià)獲得預(yù)期的結(jié)果”，他為腔壁上的作用，而不是輻射本身，引入了能量不可約化波包（irreducible packet），或者說量子（quanta）的概念[9]。1900年12月中旬，他提出了一個(gè)統(tǒng)計(jì)推導(dǎo)，涉及假設(shè)的腔壁振子中能量量子的分布W。它沒有更多的理由，只是給出了預(yù)期的結(jié)果。1907年，他寫道：

我不是在尋求真空中作用量量子[光量子]的意義，而是在發(fā)生吸收和發(fā)射的地方，[我]假設(shè)真空中發(fā)生的事情可以用麥克斯韋方程組嚴(yán)格描述。[10]

愛因斯坦于1905年登上舞臺(tái)。憑借他在熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的背景，并考慮到玻爾茲曼的熵的方程 S = k lnW，他意識(shí)到普朗克推導(dǎo)其定律的基礎(chǔ)并不穩(wěn)固。他懷疑該定律暗示了輻射本身的非經(jīng)典的、微粒性的性質(zhì)，于是他使用維恩（Wilhelm Wien）關(guān)于輻射熵的結(jié)果來計(jì)算熱輻射熵的體積依賴性。愛因斯坦得出了革命性的結(jié)論，即低密度的單色（monochromatic）輻射（在維恩輻射公式的有效范圍內(nèi)）在熱力學(xué)上表現(xiàn)得好像它由大小為R?ν / N等份的相互獨(dú)立的能量量子組成。[11]因子R?ν/ N等于hν。于是光量子的概念誕生了，現(xiàn)在稱為光子。愛因斯坦將這一原理應(yīng)用于三個(gè)經(jīng)驗(yàn)上已知的現(xiàn)象：光致發(fā)光（photoluminescence）中的斯托克斯定律（Stokes rule）、光電效應(yīng)（photoelectric effect）和紫外線對(duì)氣體的電離。其中，對(duì)光電效應(yīng)的應(yīng)用引起了公眾最多的關(guān)注，因?yàn)樗罱K使愛因斯坦獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

但愛因斯坦關(guān)于相互獨(dú)立的能量量子的想法有其自身的問題。納坦森（W?adys?aw Natanson），以及埃倫費(fèi)斯特（Paul Ehrenfest）和昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）表明，它與普朗克定律相沖突，因此與普朗克分布W相沖突，后者需要不可區(qū)分和關(guān)聯(lián)的（indistinguishable and correlated）量子，而不是相互獨(dú)立的量子。[12]

大多數(shù)物理學(xué)家對(duì)光量子假說持懷疑態(tài)度，即使在密立根（Robert Millikan）對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致的研究工作，驗(yàn)證了愛因斯坦的簡(jiǎn)單的方程之后。密立根本人在他1916年的論文中評(píng)論說：“然而，愛因斯坦得出這個(gè)方程式的半微粒理論目前似乎是完全站不住腳的?！盵13]主要問題是如何用光量子來解釋確立已久的輻射的波動(dòng)特性。這種偏見是如此強(qiáng)烈，以至于即使是熱衷于將愛因斯坦帶到柏林的普朗克、魯本斯、能斯特（Walther Nernst）和瓦爾伯格（Emil Warburg）也不得不寫信給普魯士教育部：

他的推測(cè)可能有時(shí)偏離了目標(biāo)，例如在他的光量子理論中，這并不是他的缺點(diǎn)。因?yàn)樵谧罹_的自然科學(xué)中，每一項(xiàng)創(chuàng)新都伴隨著風(fēng)險(xiǎn)。[14]

玻爾也反對(duì)光量子的想法，并在他1913年關(guān)于原子模型的論文中避免使用這一術(shù)語[15]。緊隨普朗克之后，他引入了原子定態(tài)之間的躍遷，從而產(chǎn)生經(jīng)典輻射的吸收或發(fā)射，其頻率由關(guān)系ν=(E1-E2)/h決定。與教科書中通常所說的相反，他根本沒有提到光量子。

最終在1923年，康普頓效應(yīng)（Compton effect）給出了支持光量子的強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。經(jīng)典的輻射波動(dòng)理論無法解釋觀察到的被散射的X射線波長的變化。觀測(cè)清楚地指出了光量子和原子中電子之間能量轉(zhuǎn)移的基本過程。

盡管支持光量子假說的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)越來越多，但其理論基礎(chǔ)在三個(gè)方面仍然不令人滿意。首先，愛因斯坦光量子的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性與普朗克定律之間存在根本沖突。其次，即使包括普朗克本人以及愛因斯坦、埃倫費(fèi)斯特、泡利和德拜（Peter Debye）在內(nèi)的著名物理學(xué)家進(jìn)行了多次嘗試，但普朗克定律在邏輯上并沒有令人滿意的推導(dǎo)。[16]所有這些嘗試雖然巧妙，但都有一個(gè)缺點(diǎn)。在所有推導(dǎo)中，普朗克定律的第一個(gè)因子，8πν2dν/c3，總是按經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)取為單位體積內(nèi)的輻射振動(dòng)模數(shù)。這些作者通過為不同的基本過程假設(shè)特定（ad hoc）規(guī)則，以不同的方式導(dǎo)出第二個(gè)因子。第三，除了德拜的之外，所有這些嘗試都使用了普朗克的假設(shè)，即量子化僅限于輻射和物質(zhì)之間的能量交換，但康普頓效應(yīng)表明輻射本身由能量量子組成。

1924年，玻色從量子理論中推導(dǎo)出包括第一因子的完整的普朗克定律，一舉解決了所有這些問題。他通過將普朗克的物質(zhì)振子量子化方法推廣到輻射本身，從而實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。除了一個(gè)2倍的因子之外，第一個(gè)因子最終表現(xiàn)為光子相空間中不可約相格的數(shù)量——即光子的量子態(tài)數(shù)，因此也是光子的可能排列數(shù)。所以，光子的量子態(tài)僅通過每種態(tài)中的光子數(shù)來區(qū)分。這一事實(shí)直接意味著光子，不僅僅是腔壁內(nèi)假設(shè)的振子，而且是無法區(qū)分的。整個(gè)物理學(xué)由此變得通透。

1924年6月4日，玻色致信愛因斯坦：

我斗膽將我的論文寄給您，希望您能審閱并給出意見。我非常急切地想知道您對(duì)論文的看法。您會(huì)看到，我在沒有使用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的情況下推導(dǎo)出普朗克定律中的系數(shù)8πv^2/c^3，僅假設(shè)相空間應(yīng)該被分成很多小格，每格大小是h^3 [17]。【譯者注：玻色原始信件中緊接著表達(dá)了請(qǐng)求愛因斯坦幫助發(fā)表它的愿望，“我的德文不夠好，無法將論文翻譯成德文。如果您覺得這個(gè)文章值得發(fā)表，請(qǐng)您幫忙安排它在Zeitschrift für Physik發(fā)表。盡管對(duì)您來說，我是一個(gè)完全的陌生人，我還是毫不猶豫地向您致以請(qǐng)求。因?yàn)槲覀兌际悄膶W(xué)生，盡管只能通過閱讀您的論文而聆聽教誨?！薄?/p>

原文: I have ventured to send you the accompanying article for your perusal and opinion. I am anxious to know what you think of it. You will see that I have tried to deduce the coefficient (8πv^2/c^3) in Planck’s law independent of the classical electrodynamics, only assuming that the ultimate elementary regions in Phase space have the content h^3.

愛因斯坦在同年7月12日致埃倫費(fèi)斯特（P. Ehrenfest）的信中寫道：“印度人玻色給出了包含常數(shù)(8πv^2/c^3）的普朗克定律一個(gè)漂亮的推導(dǎo)?！?strong>[18]

不過，由于光的兩種偏振態(tài)并不完全是量子力學(xué)的，他對(duì)第一個(gè)因子的推導(dǎo)必須輔以因子2。愛因斯坦在7月2日給玻色的明信片中寫到：

親愛的同行，

我已經(jīng)翻譯了您的論文，并將其傳達(dá)給Zeitschrift für Physik雜志發(fā)表。這標(biāo)志著向前邁出了重要的一步，我非常喜歡它。事實(shí)上，我認(rèn)為你對(duì)我的工作的反對(duì)是不正確的。因?yàn)榫S恩位移定律沒有假設(shè)波動(dòng)的（漲落）理論，并且玻爾的對(duì)應(yīng)原理（correspondence principle）是完全不適用的。然而，這無關(guān)緊要。你是第一個(gè)從量子理論上推導(dǎo)出該因子的人，即便偏振因子2并不是完全嚴(yán)格的。這是向前邁出的漂亮一步。

此致

問候，

您的，

愛因斯坦[19]

在這次信件往來的多年以后，我同玻色就他推導(dǎo)中的因子2進(jìn)行了交流。一天下午我去見他，發(fā)現(xiàn)他在沉思。他回憶起1925年在柏林與愛因斯坦的會(huì)面和談話。突然他對(duì)我說，他想告訴我一件機(jī)密的事，我絕對(duì)不能透露給任何人。他起身關(guān)上門窗。我滿腹狐疑。他坐下來給我講了下面的故事。

“你知道，”他說，“我對(duì)普朗克定律的推導(dǎo)缺個(gè)因子2。所以我提出，它來自光子有自旋的事實(shí)，光子自旋可以與運(yùn)動(dòng)方向平行或反平行。這就得到了額外的因子2。但是老先生（指愛因斯坦）把它劃掉了，說沒有必要討論自旋，因子2來自于光的兩種偏振態(tài)?！?/p>

然后他調(diào)皮地笑了笑，用婉轉(zhuǎn)的口吻對(duì)我說：“我能理解旋轉(zhuǎn)的粒子，但粒子的偏振是什么意思呢？”

我十分震驚！立即對(duì)他說：

“先生，當(dāng)光子自旋最終被發(fā)現(xiàn)時(shí)，你為什么不告訴愛因斯坦你早在1924年就發(fā)現(xiàn)了？毫無疑問，像愛因斯坦這樣的人會(huì)支持你，你肯定會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)！ ”

他平靜地看著我說：“誰發(fā)現(xiàn)它有什么關(guān)系？”然后帶著一種勝利的喜悅說道：“總之它被發(fā)現(xiàn)了，不是嗎！”

這就是玻色。

很久以后，大約是1993年，我們?cè)跒椴Ｉ倌暾Q辰紀(jì)念做準(zhǔn)備，當(dāng)我在印度科學(xué)培養(yǎng)協(xié)會(huì)（Indian Association for the Cultivation of Science）圖書館瀏覽過刊時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了拉曼（Chandrasekhara Venkata Raman）和巴伽萬塔（Suri Bhagavantam）1931年在《印度物理學(xué)雜志》（Indian Journal of Physics）上發(fā)表的一篇論文，題目是《光子自旋的實(shí)驗(yàn)證明》（Experimental Proof of the Spin of the Photon）。我很感興趣，于是讀了起來。我立即被里面的內(nèi)容驚呆了:

在他著名的從量子統(tǒng)計(jì)推導(dǎo)普朗克輻射公式的過程中，玻色教授得到了輻射在相空間中占據(jù)的單元（相）格數(shù)的表達(dá)式，并且他發(fā)現(xiàn)必須將其乘以一個(gè)數(shù)值因子2，才能從中得出單位體積中量子可能排列的正確數(shù)量。公開發(fā)表的論文并沒有詳細(xì)討論引入這一因子的必要性，但我們和他的私人通信中了解到，他曾設(shè)想量子除了具有能量hν和線性動(dòng)量hν/c之外，還具有圍繞平行于其運(yùn)動(dòng)方向的軸的內(nèi)稟自旋（intrinsic spin）或角動(dòng)量±h/2π的可能性。因此，權(quán)重因子2產(chǎn)生于量子自旋為右旋或左旋的可能性，對(duì)應(yīng)于角動(dòng)量的兩個(gè)可選符號(hào)。這一觀點(diǎn)與著名的經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)結(jié)果有著根本的區(qū)別。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中，眾所周知的結(jié)果是由[約翰·亨利]·坡印廷（John Henry Poynting）得出，并由[馬克斯]·亞伯拉罕（Max Abraham）更充分地發(fā)展，即光束在特定情況下可能具有角動(dòng)量……因此，根據(jù)經(jīng)典場(chǎng)論，與能量量子相關(guān)的角動(dòng)量并不是唯一定義的，而根據(jù)我們?cè)诒疚闹兴P(guān)注的觀點(diǎn)，光子的角動(dòng)量總是具有一個(gè)玻爾單位的確定數(shù)值，取兩個(gè)可能的互不相容的符號(hào)中的一個(gè)或另一個(gè)。[20]

【譯者注：目前一般認(rèn)為，關(guān)于光子“自旋因子2”的嚴(yán)格證明基于構(gòu)建龐加萊群的幺正表示，細(xì)節(jié)請(qǐng)參見S. 溫伯格《量子場(chǎng)論》卷一第五章。物理直觀的簡(jiǎn)單解釋：對(duì)于無質(zhì)量粒子（如光子），縱向極化是不可能的?！?/p>

他們的實(shí)驗(yàn)最終決定性地證明了玻色的觀點(diǎn)是正確的，并提供了光子自旋的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量?？茖W(xué)家和科學(xué)史家?guī)缀醪⒉恢肋@個(gè)事實(shí)。

我欣喜若狂！但與此同時(shí)，我也對(duì)玻色吐露這一故事的諱莫如深感到困惑。畢竟，拉曼早在1931年就已經(jīng)發(fā)表了它。難道玻色忘記了拉曼的論文嗎？當(dāng)然不可能——誰會(huì)忘記為自己的革命性思想作這樣引人注目的證明呢？并且玻色具有驚人的記憶力。是拉曼沒有告訴玻色他的結(jié)果嗎？這似乎也不太可能。無論如何，從那時(shí)起，我打破了不泄露這個(gè)故事的承諾。我并沒有感到內(nèi)疚，對(duì)于科學(xué)史來說，廣為人知是很重要的。

順便說，我曾很努力地想弄到一份玻色寄給愛因斯坦的英文原版論文的副本。我想確證一下因子2那里到底是怎么寫的。愛因斯坦檔案（Einstein archives）中無此論文，盡管說明信（cover letter）和愛因斯坦提到這個(gè)謎題的回復(fù)都在。而玻色本人也從來沒有留過一份副本。

盡管如此，當(dāng)時(shí)很難預(yù)見到，一篇只有四頁左右，沒有任何參考文獻(xiàn)的短論文，最終會(huì)在廣泛的物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

粒子物理中的玻色子

玻色論文發(fā)表后的首批影響之一是，英國物理學(xué)家狄拉克（Paul Dirac）創(chuàng)造了玻色子（Boson）這個(gè)詞，用來指代遵循玻色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的量子粒子。除了玻色子，只有另一類量子粒子：費(fèi)米子（Fermion），它是狄拉克獨(dú)立于費(fèi)米（Enrico Fermi）發(fā)現(xiàn)的。玻色子和費(fèi)米子遵循兩種類型的量子統(tǒng)計(jì)：分別是玻色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)（Fermi–Dirac statistics）。由于量子統(tǒng)計(jì)的最初想法來自于玻色，狄拉克選擇將遵循前者統(tǒng)計(jì)的粒子命名為玻色子；出于謙虛，他將另一種類型命名為費(fèi)米子。這些名稱第一次出現(xiàn)在狄拉克的經(jīng)典專著《量子力學(xué)原理》（The Principles of Quantum Mechanics）中。[21]

事實(shí)證明玻色子的內(nèi)稟自旋是n?, n = 0, 1, 2, …；費(fèi)米子的自旋是(n+1/2) ?，這被稱為自旋統(tǒng)計(jì)定理（spin-statistics theorem）。玻色子和費(fèi)米子之間的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是，任意數(shù)量的相同玻色子可以占據(jù)相同的量子態(tài)，而兩個(gè)或兩個(gè)以上相同的費(fèi)米子不能占據(jù)相同的量子態(tài)。玻色子的抱團(tuán)行為導(dǎo)致了玻色—愛因斯坦凝聚；而費(fèi)米子的冷漠行為，通過泡利不相容原理表達(dá)出來（Pauli exclusion principle）——這就是我們不能用一個(gè)手指穿過另一個(gè)手指的原因，即物質(zhì)的剛性。

宇宙的基本組成部分只能是玻色子和費(fèi)米子。根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，輕子（lepton）——包括電子、繆子（muon，μ）、陶子（tauon，τ）、中微子和它們的反粒子，以及夸克和它們的反粒子都是費(fèi)米子。傳遞它們之間相互作用的場(chǎng)的量子激發(fā)都是玻色子，包括光子，它傳遞電磁相互作用；W±和Z傳遞弱相互作用，如放射性；還有膠子，它結(jié)合夸克形成強(qiáng)子（hadron），比如中子、質(zhì)子和π介子（pion）。

標(biāo)準(zhǔn)模型還需要一種基本粒子來產(chǎn)生輕子的質(zhì)量，否則輕子就會(huì)像光子一樣沒有質(zhì)量，以光速飛走，原子便不可能在宇宙中形成。這個(gè)粒子就是自旋為0的玻色子。它以愛丁堡大學(xué)的彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名，稱為希格斯玻色子，盡管其他幾位物理學(xué)家在1964年幾乎與希格斯同時(shí)提出了這種粒子。歐洲核子研究中心（CERN）耗資數(shù)十億美元的粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider）花了近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間才找到了它。

這個(gè)被大肆宣傳的結(jié)果最終在2012年7月4日，由歐洲核子研究中心主任休爾（Rolf-Dieter Heuer）宣布。一大群觀眾聚集在希格斯和恩格勒特（Fran?ois Englert）所在的大廳，很多人整晚都在排隊(duì)，而他只是簡(jiǎn)單地對(duì)觀眾說：“我想我們找到了。”希格斯和恩格勒特因此共同獲得了2013年諾貝爾獎(jiǎng)。

宇宙學(xué)中的玻色子

希格斯玻色子是理解宇宙大爆炸中輕子質(zhì)量如何產(chǎn)生的內(nèi)在因素。1964年，阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在普林斯頓貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）使用霍姆德爾號(hào)角天線（Holmdel Horn Antenna）時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation），這是支持大爆炸理論所暗示的早期熱宇宙的有力證據(jù)，違背與之競(jìng)爭(zhēng)的穩(wěn)恒態(tài)（steady-state）理論。由于這一具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，彭齊亞斯和威爾遜被授予1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。事實(shí)證明，根據(jù)1994年宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星（Cosmic Background Explorer satellite）上的遠(yuǎn)紅外絕對(duì)分光光度計(jì)（Far Infrared Absolute Spectrophotometer）進(jìn)行的精確觀測(cè)，宇宙微波背景輻射具有純普朗克光譜，表明它是2.7K溫度下熱平衡的黑體輻射。

正是19世紀(jì)最后幾年實(shí)驗(yàn)測(cè)量的黑體輻射光譜，使普朗克在1900年發(fā)現(xiàn)了量子理論。正是這一普朗克譜讓玻色在1924年發(fā)現(xiàn)了新的統(tǒng)計(jì)。

玻色—愛因斯坦凝聚體

起初，每個(gè)人都覺得這個(gè)新的統(tǒng)計(jì)很奇怪，除了愛因斯坦，他立刻明白了它的重要性。玻色計(jì)算輻射量子態(tài)的方法表明，給定頻率的光子是無法區(qū)分的。這意味著光子不能被連續(xù)地跟蹤，這暗示了一種彌散的類波（wavelike）特征。愛因斯坦馬上意識(shí)到，這樣一個(gè)基本特征不可能僅限于輻射，通常的物質(zhì)也一定是這樣。他計(jì)算了極小體積的玻色氣體中粒子數(shù)密度的漲落。他發(fā)現(xiàn)有兩項(xiàng)：一項(xiàng)來自物質(zhì)的粒子性質(zhì)，而另一項(xiàng)令人驚訝——暗示了物質(zhì)的類波特性。他立刻想起曾見過一位名叫路易斯·德·布羅意（Louis de Broglie）的年輕法國學(xué)者撰寫的博士論文，其中提出物質(zhì)波的可能性與輻射的對(duì)偶性【譯者注：原文為dual nature，傳統(tǒng)上一般譯為二象性】類似。愛因斯坦最初似乎對(duì)德·布羅意的想法持保留態(tài)度，但是現(xiàn)在，通過他自己基于玻色氣體的計(jì)算，他意識(shí)到該氣體的類波特性不僅僅是類比。[22]然后，他開始撰寫一系列的論文，在這些論文中，他解釋了玻色的計(jì)數(shù)方法及其對(duì)物質(zhì)氣體的含義。愛因斯坦使用物質(zhì)波波長的公式λ=h/mv，描述了將德布羅意波與物質(zhì)氣體聯(lián)系起來的重要性，并提出了分子束實(shí)驗(yàn)來測(cè)試物質(zhì)的類波性質(zhì)。他還得出結(jié)論，在低于臨界點(diǎn)的極低溫度下，所有粒子都將在沒有任何吸引作用的情況下，僅憑借其統(tǒng)計(jì)特性，凝結(jié)在系統(tǒng)的基態(tài)上[23]。

這些波長會(huì)相互重疊到一定程度，以至于它們會(huì)失去單獨(dú)的“身份”，形成一個(gè)巨大的、與當(dāng)時(shí)已知的任何東西都不同的類波實(shí)體——一種奇異的物質(zhì)量子態(tài)，后來被稱為玻色—愛因斯坦凝聚體。

直到70年后，人們才在實(shí)驗(yàn)室中制造出了玻色—愛因斯坦凝聚體。物理學(xué)家不得不等待極其精密的激光冷卻（laser cooling）和蒸發(fā)冷卻（evaporative cooling）技術(shù)的發(fā)展，才能制造出接近絕對(duì)零度的冷原子。最終，在1995年6月5日，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的埃里克·康奈爾（Eric Cornell）和卡爾·維曼（Carl Wieman）在NIST-JILA實(shí)驗(yàn)室【譯者注：美國標(biāo)準(zhǔn)局下屬的JILA實(shí)驗(yàn)室】中制備出了第一個(gè)氣態(tài)凝聚體。它是在冷卻到170納開【譯者注：nanokelvin，1 nK=10^（-9）K】的銣原子氣體中產(chǎn)生的，僅僅比絕對(duì)零度稍高一點(diǎn)。稍后不久，沃爾夫?qū)P特勒（Wolfgang Ketterle）和他在MIT的團(tuán)隊(duì)在鈉原子氣體中也制備出了玻色—愛因斯坦凝聚體。這三位研究人員都因他們的發(fā)現(xiàn)獲得了2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。根據(jù)諾貝爾委員會(huì)的說法，這三位科學(xué)家“使原子‘齊聲歌唱’”。[24]

關(guān)于玻色—愛因斯坦凝聚體的最新論文【譯者注：此處指截至本文的寫作時(shí)間】發(fā)表在2020年6月的《自然》雜志上。它的題目是“在地球軌道研究實(shí)驗(yàn)室中對(duì)愛因斯坦凝聚體的觀測(cè)”（Observation of Bose–Einstein Condensates in an Earth-Orbiting Research Lab）[25]。這項(xiàng)研究的目的是通過將大量原子置于微重力環(huán)境中來克服重力對(duì)它們的影響。這種情況可在自由落體的繞地衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)。這延長了原子從“陷阱”中釋放出來的自由落體時(shí)間，克服了地面上的限制。

超流和超導(dǎo)

盡管玻色—愛因斯坦凝聚在1995年才首次被直接觀測(cè)到，但自發(fā)現(xiàn)超流動(dòng)性和超導(dǎo)性以來，關(guān)于它們的間接證據(jù)就一直在積累。超流體是一種粘度為零的流體，它可以流過狹窄的管道而不損失任何動(dòng)能。1938年，卡皮查（Pyotr Kapitsa）和艾倫（John Allen）發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象：當(dāng)氦的兩種同位素——氦-3和氦-4，被冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，它們發(fā)生液化，并顯示出超流性。超流性可以產(chǎn)生各種奇異的物質(zhì)狀態(tài)，這些狀態(tài)被認(rèn)為發(fā)生在天體物理學(xué)、高能物理學(xué)和一些量子引力理論中。

超流性是玻色—愛因斯坦凝聚的一種表現(xiàn)。它發(fā)生在氦-4中，其原子具有整數(shù)自旋，因此是玻色子，可以在低于臨界溫度時(shí)凝聚。氦-3超流發(fā)生的溫度比氦-4低得多，因?yàn)楹?3原子是費(fèi)米子，必須有兩個(gè)氦-3原子配對(duì)形成復(fù)合玻色子后才能產(chǎn)生凝聚。大衛(wèi)·李（David Lee）、道格拉斯·奧舍羅夫（Douglas Osheroff）和羅伯特·理查森（Robert Richardson）因發(fā)現(xiàn)氦-3超流而獲得1996年諾貝爾獎(jiǎng)。2003年，安東尼·萊格特（Anthony Leggett）基于配對(duì)后的玻色子特性，提出了氦-3超流的量子力學(xué)理論，他也因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

某些物質(zhì)在低于臨界溫度時(shí)發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。在此溫度下，它們突然失去了所有的電阻，并排出磁通量，這就是所謂的邁斯納效應(yīng)（Meissner effect）。正如昂尼斯在1911年發(fā)現(xiàn)的那樣，電流可以在沒有電源的情況下無休止地流過超導(dǎo)線圈。它不是人們可能認(rèn)為的完美導(dǎo)電性，而且無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋。超導(dǎo)電性的第一個(gè)微觀量子力學(xué)理論是由約翰·巴?。↗ohn Bardeen）、利昂·庫珀（Leon Cooper）和羅伯特·施里弗（Robert Schrieffer）在1957年提出的。在這一被稱為BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）的理論中，超導(dǎo)性是通過一對(duì)相反動(dòng)量的電子通過交換聲子相互作用，形成整數(shù)自旋的復(fù)合玻色子的凝聚而發(fā)生的。這個(gè)過程類似于氦-3中的超流動(dòng)性。1972年，巴丁、庫珀和施里弗因這項(xiàng)工作被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。[26]

玻色子、費(fèi)米子和超對(duì)稱

粒子存在玻色子和費(fèi)米子這兩類基本類型，而不是一類，這一事實(shí)促使物理學(xué)家尋找粒子的統(tǒng)一理論，提出兩者之間的關(guān)系——這就是所謂的超對(duì)稱（supersymmetry）。如果這種對(duì)稱存在，它將把冷漠的費(fèi)米子和抱團(tuán)的玻色子聚集在一個(gè)單一大家庭中，并意味著存在許多未被發(fā)現(xiàn)的粒子。后者可以為標(biāo)準(zhǔn)模型中的許多疑難領(lǐng)域提供優(yōu)雅的解決方案。在超對(duì)稱中，每個(gè)玻色子和費(fèi)米子都有一個(gè)與其相對(duì)類型的關(guān)聯(lián)的粒子，稱為超對(duì)稱伙伴（superpartner）。例如，電子是費(fèi)米子，它會(huì)有一個(gè)叫超電子（selectron）的超對(duì)稱伙伴，它是玻色子。在完全超對(duì)稱理論中，除了自旋不同，每一對(duì)超對(duì)稱伙伴都有相同的質(zhì)量和內(nèi)部量子數(shù)。

但如果存在這樣的“超級(jí)伴星”，它們應(yīng)該早就被發(fā)現(xiàn)了。因此，人們推測(cè)，也許超對(duì)稱是軟破缺的（softly broken），從而允許超對(duì)稱伙伴在質(zhì)量上有所不同。如果這種理論是正確的，它將會(huì)解決一些重要的問題，諸如為希格斯玻色子的質(zhì)量設(shè)定一個(gè)上限，并緩解因理論中不同尺度的巨大差異而產(chǎn)生的等級(jí)問題。物理學(xué)家抱有希望，他們之所以在標(biāo)準(zhǔn)模型中仍然面臨這些問題，也許是因?yàn)槠駷橹梗麄冎豢吹搅藞D景的一半。

到目前為止，還沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明超對(duì)稱存在，也沒有證據(jù)表明當(dāng)前模型的其他擴(kuò)展也許更為適用。研究超出標(biāo)準(zhǔn)模型物理（beyond the Standard Model），需要專門設(shè)計(jì)粒子加速器。升級(jí)后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的最新發(fā)展趨勢(shì)讓某些超對(duì)稱研究陣營感到相當(dāng)沮喪。[27]

玻色在歐洲

援用愛因斯坦1924年7月2日寄來的致謝明信片，玻色向達(dá)卡大學(xué)申請(qǐng)了兩年的學(xué)習(xí)假期，去考察歐洲的實(shí)驗(yàn)室。他的請(qǐng)求立即得到了批準(zhǔn)。他的第一站是巴黎，于10月18日抵達(dá)那里。他暫住在拉丁區(qū)的索梅拉街（rue du Sommerard）17號(hào)，那里是印度學(xué)者的天堂。他的主要興趣是訪問歐洲頂尖的實(shí)驗(yàn)室，親身學(xué)習(xí)最新技術(shù)，特別是放射化學(xué)和X射線晶體學(xué)，這些實(shí)驗(yàn)工作與他在量子理論方面的理論研究相去甚遠(yuǎn)。他在到巴黎之前就已出名，所以訪問從來都不是問題。但他與居里夫人第一次見面時(shí)發(fā)生的事情多少有些出人意料。帶著熟悉他的工作的朗之萬（Paul Langevin）的推薦信，他去見了居里，打算學(xué)習(xí)放射性方面的工作。用他自己的話來說，

我被允許進(jìn)入她的小房間。那位偉大的老婦人坐在那里，一襲黑衣。我能從她的照片上認(rèn)出她來。我把推薦信遞給她。她親切地跟我打招呼，說她不可能無視這樣一個(gè)人的推薦信。她說，你肯定會(huì)有機(jī)會(huì)和我一起工作，但不是現(xiàn)在，而是三四個(gè)月后。要學(xué)會(huì)法語，否則你會(huì)發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室工作很困難。我想你不著急吧。

她用純正的英語從容地講了大約十分鐘。我沒有機(jī)會(huì)告訴她我已經(jīng)懂一點(diǎn)法語了。在過去的十年里，我一直在家里學(xué)法語。我告辭時(shí)表示會(huì)遵照她的指示去做。[28]

接下來的六個(gè)月里，玻色在路易斯·德·布羅意的哥哥莫里斯·德·布羅意（Maurice de Broglie）的實(shí)驗(yàn)室里學(xué)習(xí)X射線晶體學(xué)和光譜學(xué)。然后他回到居里的鐳研究所，在那里工作了幾個(gè)月。

他的下一個(gè)目的地是柏林，于1925年10月抵達(dá)。10月8日，他給愛因斯坦發(fā)了一封郵件，希望能約見他，但愛因斯坦當(dāng)時(shí)不在柏林，所以直到他回來后他們才見面。此后，兩人經(jīng)常見面，就物理學(xué)和其他當(dāng)時(shí)感興趣的問題進(jìn)行了廣泛的討論。他們對(duì)物質(zhì)和輻射之間相互作用的概率有不同的看法，愛因斯坦認(rèn)為自發(fā)輻射（spontaneous emission of radiation）是原子的內(nèi)在屬性，而玻色則認(rèn)為這是新的統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。

愛因斯坦給了玻色一封介紹信，這封信幫助他獲得了從大學(xué)圖書館借書和參加物理報(bào)告會(huì)的必要特權(quán)。他也有機(jī)會(huì)見到重要的科學(xué)人物，如弗里茨·哈伯（Fritz Haber）、奧托·哈恩（Otto Hahn）、赫爾曼·馬克（Herman Mark）、莉澤·邁特納（Lise Meitner）、邁克爾·波蘭尼（Michael Polanyi）、理查德·馮·米塞斯（Richard von Mises）和尤金·維格納（Eugene Wigner）等。

玻色描述了當(dāng)時(shí)在柏林令人激動(dòng)的事。在給巴黎的一位物理學(xué)家扎多克-卡恩（Jacqueline Zadoc-Kahn）的信中，他寫道:

柏林的每個(gè)人（每個(gè)物理學(xué)家）似乎都對(duì)物理學(xué)的進(jìn)展感到非常興奮，首先是去年（ [10月]28日），海森堡在研討會(huì)上講了他的理論，然后在最后一次研討會(huì)上，有一個(gè)關(guān)于最近的自旋電子假設(shè)的長篇講座（也許你聽說過）。每個(gè)人都很困惑，很快就會(huì)有關(guān)于薛定諤論文的討論。愛因斯坦似乎對(duì)此很興奮。前幾天，我們從討論會(huì)回來，突然發(fā)現(xiàn)他跳了起來，就在我們坐的那個(gè)車廂里，愛因斯坦激動(dòng)地談起我們剛才聽到的報(bào)告。他不得不承認(rèn)，考慮到這些新理論所關(guān)聯(lián)和解釋的許多事情，這似乎是一件了不起的事情，但他對(duì)這一切的不合理性感到非常困擾。我們都沉默了，但他幾乎一直在說，沒有意識(shí)到他在其他乘客心中引起的興趣和疑惑。[29]

回到達(dá)卡

回到達(dá)卡大學(xué)后不久，玻色被任命為教授、物理系主任和理學(xué)院院長。他開始利用他在歐洲獲得的實(shí)驗(yàn)科學(xué)知識(shí)來改善國家的高等教育和科學(xué)研究，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，并開始在X射線晶體學(xué)、光譜學(xué)和晶體磁學(xué)方面進(jìn)行研究。他還在化學(xué)領(lǐng)域做了大量工作，并指導(dǎo)他的朋友高什（Jnan Chandra Ghosh）的博士生。高什研究強(qiáng)電解質(zhì)，經(jīng)常不在學(xué)校。他并沒有投身于理論化學(xué)，而是更喜歡親自動(dòng)手，合成和分析在當(dāng)時(shí)具有實(shí)際意義的化學(xué)物質(zhì)。這種理念可能來自他父親的小型化工廠和他的老師，印度化學(xué)工業(yè)的奠基人普拉富拉·雷。玻色建立了一個(gè)小型化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生合成吐根堿（emetine，艾美?。?、磺胺類藥物（sulfa drugs）和其他藥品。他的這些成果大部分從未發(fā)表，少數(shù)發(fā)表的論文也幾乎沒有他的名字。[30]

玻色博學(xué)多才，他在達(dá)卡大學(xué)的辦公室變成了一個(gè)自由交流討論的中心，話題從物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)到文學(xué)、歷史、語言學(xué)等等。在業(yè)余時(shí)間，他會(huì)解決困難的數(shù)學(xué)問題?？死锸材希↘ariamanikkam Srinivasa Krishnan）曾與拉曼一起發(fā)現(xiàn)了拉曼效應(yīng)（Raman effect），后來加入了達(dá)卡大學(xué)，他說：“玻色博士能從復(fù)雜的問題中找到樂趣。一旦他解決了問題，他的熱情就會(huì)消失。他把校樣扔進(jìn)廢紙簍，根本懶得把它們寄給任何雜志。”[31]傳說，博士生們會(huì)趁玻色不在的時(shí)候來收集這些被丟棄的證明，用在自己的博士論文中。

返回加爾各答

20世紀(jì)40年代印度獨(dú)立運(yùn)動(dòng)風(fēng)潮正盛。孟加拉的分治迫在眉睫，它被劃分為西孟加拉邦和東孟加拉邦，達(dá)卡為首都。1945年，玻色帶著沉重的心情離開達(dá)卡，成為加爾各答大學(xué)科學(xué)學(xué)院的凱拉（Khaira）物理學(xué)教授。他在那里一直工作到1956年退休。

在加爾各答，玻色也把他的工作時(shí)間花在實(shí)驗(yàn)科學(xué)，而不是理論物理上。他建立了一個(gè)X射線實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)有機(jī)化學(xué)家通過X射線分析來確定分子結(jié)構(gòu)。他還從事熱致發(fā)光（thermoluminescence）研究，并開發(fā)了一種新的快速掃描技術(shù)來研究熱致發(fā)光光譜的變化。這為快速連續(xù)掃描的研究開辟了新的途徑。1954年，他在巴黎舉行的第三屆國際晶體學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)（General Assembly of the International Union of Crystallography）上報(bào)告了這些研究結(jié)果。

玻色還設(shè)計(jì)了一種特殊的粉末相機(jī)和差熱分析儀（differential thermal analyzer），用于分析從印度不同地區(qū)收集的粘土礦物的結(jié)構(gòu)。他的學(xué)生A. K. 玻色和森古普塔（Purnima Sengupta）于1954年在《自然》雜志上發(fā)表了這些成果 [32]。這些努力可能不能打上他天才的印記，但是表明了他致力于為國家建立健全的科學(xué)文化。

他的同胞們一直在哀嘆，像他這樣天才的人本可以為科學(xué)做出更大的貢獻(xiàn)；還有一些因?yàn)樗传@得諾貝爾獎(jiǎng)而殘存的不滿情緒——許多人僅僅因?yàn)樽C明了玻色是正確的而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。杰出的蘇聯(lián)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主朗道（Lev Landau）提出了一個(gè)天才量表，對(duì)20世紀(jì)截至1968年最聰明的物理學(xué)家進(jìn)行排名：按對(duì)數(shù)尺度劃分，共五個(gè)等級(jí)。據(jù)他估計(jì)，一流（0.5級(jí)）物理學(xué)家的貢獻(xiàn)是二流的10倍；他把愛因斯坦理所當(dāng)然地放在了一流的首位，那些發(fā)展了量子力學(xué)的人在同一級(jí)，玻色也位列其中。朗道把自己安排在了下一級(jí)。[33]

在20世紀(jì)50年代初，玻色突然帶著極大的熱情回到了理論物理，特別是愛因斯坦的統(tǒng)一場(chǎng)論。他在不到兩年的時(shí)間里寫了五篇論文，其中四篇是用法語寫的，解決了一些困難的數(shù)學(xué)問題[34]。這些是他最后的科學(xué)論文。雖然他們都發(fā)表在國際知名期刊上，但這些文章都沒有出現(xiàn)在2014年的一篇統(tǒng)一場(chǎng)論綜述中[35]。1955年，玻色期待在伯爾尼舉行的慶祝相對(duì)論誕生50周年的國際會(huì)議上再次見到愛因斯坦，并與他討論一些新的想法。會(huì)議原定于7月舉行，但愛因斯坦于4月去世。愛因斯坦去世的消息傳來時(shí)，他正在寫一篇新的論文。據(jù)目擊者說，他沉默了一會(huì)兒，然后把紙撕了，扔進(jìn)了廢紙簍。

1913年，泰戈?duì)柍蔀榈谝晃猾@得諾貝爾獎(jiǎng)的非歐洲人。受到泰戈?duì)柕膯l(fā)，他花了相當(dāng)多的時(shí)間用母語推廣科學(xué)。1948年，他成立了一個(gè)名為Bangiya Bijnan Parishad（孟加拉科學(xué)委員會(huì)）的科學(xué)知識(shí)普及機(jī)構(gòu)。

1956年從理學(xué)院退休后，玻色被任命為維斯瓦·巴拉蒂大學(xué)（Visva-Bharati University）的副校長，該大學(xué)是泰戈?duì)栍?921年創(chuàng)建的。他在那里只工作了三年，之后在1959年被任命為國家物理學(xué)教授。1954年，他還被授予印度政府第二高平民獎(jiǎng)——帕德瑪·維布尚（Padma Vibhushan）獎(jiǎng)，并宣誓就職為上院（Rajya Sabha）的國會(huì)提名議員。

1954年，狄拉克碰巧訪問加爾各答，發(fā)現(xiàn)玻色尚未當(dāng)選皇家學(xué)會(huì)（Royal Society）的會(huì)員，狄拉克回到英國，繼續(xù)促成此事。直到1958年，國外的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)才正式承認(rèn)了他對(duì)量子理論的貢獻(xiàn)。

關(guān)于狄拉克訪問加爾各答有一個(gè)有趣的故事。他和妻子一起來到這里，玻色和他的一些學(xué)生去火車站接他們。下了火車后，他們被帶上玻色的小轎車，并被安排到后排座位上，而玻色和他的學(xué)生們則擠在前排座位。當(dāng)費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)的創(chuàng)建者之一的狄拉克禮貌地邀請(qǐng)一些學(xué)生坐到后排座位上時(shí)，玻色詼諧地說：“我們相信玻色統(tǒng)計(jì)?！?/p>

1974年2月4日玻色去世了。為了永久地紀(jì)念他，印度政府于1986年在加爾各答建立了玻色國家基礎(chǔ)科學(xué)中心（S. N. Bose National Centre for Basic Sciences）。中心的資深物理學(xué)家馬爾卡（Binay Malkar）曾經(jīng)說：“只要宇宙中有光，玻色子就會(huì)無處不在?！盵36]

參考文獻(xiàn)

[1] Satyendra Nath Bose, “Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese,” Zeitschrift für Physik 26 (1924): 178–81, doi:10.1007/BF01327326. The article was translated into English in Satyendranath Bose, “Planck’s Law and the Light Quantum Hypothesis,” Journal of Astrophysics and Astronomy 15 (1924): 3–7, doi:10.1007/BF03010400.

[2] Bose is quoted to this effect in Giuseppe Bruzzaniti, Enrico Fermi: The Obedient Genius (New York: Springer, 2010), 82.

[3] Abraham Pais, Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 2005), 428.

[4] Max Planck, “Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum,” Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2 (1900): 146–151, doi:10.1002/phbl.19480040404; Niels Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I,” Philosophical Magazine 26, no. 151 (1913): 1–24, doi:10.1080/14786441308634955; Niels Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II,” Philosophical Magazine 26, no. 153 (1913): 476–502, doi:10.1080/14786441308634993; Niels Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part III,” Philosophical Magazine 26, no. 155 (1913): 857–75, doi:10.1080/14786441308635031.

[5] Meghnad Saha and Satyendra Nath Basu, “On the Influence of the Finite Volume of Molecules on the Equation of State (with S. N. Bose),” Philosophical Magazine Sr. VI, 36, no. 212 (1918): 199–202, doi:10.1080/14786440808635814.

[6] Wolfgang Pauli, “über das thermische Gleichgewicht zwischen Strahlung und freien Elektronen,” Zeitschrift für Physik 18 (1923): 272–86, doi:10.1007/BF01327708.

[7] Bose, “Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese”; “Planck’s Law and Light Quantum Hypothesis,” Observations on Quantum Computing & Physics, June 10, 2012.

[8] Albert Einstein, “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases [Quantum Theory of the Monatomic Ideal Gas],” K?nigliche Preu?ische Akademie der Wissenschaften: Sitzungsberichte (1924): 261–67; Albert Einstein, “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases. Zweite Ab-handlung, Sitzungsberichte der Preu?ischen Akademie der Wissenschaften (Berlin),” Physikalisch-mathematische Klasse (1925): 3–14; Albert Einstein, “Zur Quantentheorie des idealen Gases [On the Quantum Theory of the Ideal Gas], Sitzungsberichte der Preu?ischen Akademie der Wissenschaften (Berlin),” Physikalisch-mathematische Klasse (1925): 18–25.

[9] Planck quoted in Abraham Pais, Niels Bohr’s Times: In Physics, Philosophy, and Polity (Oxford: Clarendon Press, 1991), 86.

[10] Planck quoted in Pais, Subtle Is the Lord, 384.

[11] Albert Einstein, Doc. 14, “On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transmission of Light (über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gisichtspunkt), Annalen der Physik 17 (1905),” in The Collected Papers of Albert Einstein: Vol. 2 The Swiss Years: Writings, 1900–1909, trans. Anna Beck (Princeton: Princeton University Press, 1989), 97.

[12] W?adys?aw Natanson, “über die statistische Theorie der Strahlung [About the Statistical Theory of Radiation],” Physikalische Zeitschrift 12 (1911): 659–66; Paul Ehrenfest and Heike Kamerlingh Onnes, “Simplified Deduction of the Formula from the Theory of Combinations which Planck Uses as the Basis of his Radiation Theory,” Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 17 (1914): 870–73.

[13] Robert Millikan, “A Direct Photoelectric Determination of Planck’s ‘h’,” Physical Review 7, no. 3 (1916): 383, doi:10.1103/physrev.7.355.

[14] Quoted in Kameshwar Wali, ed., Satyendra Nath Bose—His Life and Times: Selected Works (With Commentary) (Singapore: World Scientific Publishing, 2009), 303.

[15] Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I.”

[16] Max Planck, “Zür Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum [On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum],” Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2 (1900): 237–45; Max Planck, “Zur Theorie der W?rmestrahlung [On the Theory of Thermal Radiation],” Annalen der Physik 4, no. 31 (1910): 758–68, doi:10.1002/andp.19103360406; Peter Debye, “Der Wahrscheinlichkeitsbegriff in der Theorie der Strahlung [The Concept of Probability in the Theory of Radiation],” Annalen der Physik 338, no. 16 (1910): 1,427–34, doi:10.1002/andp.19103381617; Peter Debye, “Zerstreuung von R?ntgenstrahlen und Quantentheorie [Scattering of X-rays and Quantum Theory],” Physikalische Zeitschrift 24 (1923): 161–66; Albert Einstein, “Zur Quantentheorie der Strahlung [On the Quantum Theory of Radiation],” Physikalische Zeitschrift 18 (1917): 121–28; Wolfgang Pauli, “über das thermische Gleichgewicht zwischen Strahlung und freien Elektronen [About the Thermal Equilibrium between Radiation and Free Electrons],” Zeitschrift für Physik 18 (1923): 272–86, doi:10.1007/bf01327708; Albert Einstein and Paul Ehrenfest, “Zur Quantentheorie des Strahlungsgleichgewichts [On the Quantum Theory of Radiation Equilibrium],” Zeitschrift für Physik 19 (1923): 301–306, doi:10.1007/bf01327565.

[17] A facsimile of the letter is available in Somaditya Banerjee, “Bhadralok Physics and the Making of Modern Science in Colonial India” (PhD thesis, University of British Columbia, 2018), Appendix C.

[18] Banerjee, “Bhadralok Physics,” 93.

[19] A facsimile of the German original is available in Banerjee, “Bhadralok Physics,” Appendix D.

[20] Chandrasekhara Venkata Raman and Suri Bhagavantam, “Experimental Proof of the Spin of the Photon,” Indian Journal of Physics 6 (1931): 353.

[21] Paul Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, 3rd edn. (Oxford: Clarendon Press, 1947).

[22] See Pais, Subtle Is the Lord, 436–37.

[23] He presented his results at the K?nigliche Preu?ische Akademie der Wissenschaften meetings on July 10, 1924; January 8, 1925; and January 29, 1925.

[24] “Press Release: The Nobel Prize in Physics 2001,” NobelPrize.org.

[25] David Aveline et al., “Observation of 玻色–Einstein Condensates in an Earth-Orbiting Research Lab,” Nature 582, no. 7,811 (2020): 193–97,
doi:10.1038/s41586-020-2346-1.

[26] Bardeen, Cooper, and Schrieffer were awarded the Nobel Prize in Physics for this work in 1972.

[27] Paul Sutter, “From Squarks to Gluinos: It’s Not Looking Good for Supersymmetry,” Space.com, January 7, 2021; and Scott Hershberger, “The Status of Supersymmetry,” Supersymmetry: Dimensions of Particle Physics, January 12, 2021.

[28] Wali, Satyendra Nath Bose, 279–80.

[29] Wali, Satyendra Nath Bose, 453.

[30] This fact can be gleaned from memoirs by chemists who worked under Bose’s guidance such as Pratul Chandra Rakshit, Periye Elam (1995), and Asima Chatterjee, “Contributions of Professor S N Bose, FRS in Chemistry,” Science and Culture 40, no. 7 (1974): 295–97. See also A. K. Bose and Purnima Sengupta, “X-Ray and Differential Thermal Studies of Some Indian Montmorillonites,” Nature 174 (1954): 40–41, doi:10.1038/174040a0.

[31] Chanchal Kumar Majumdar et al., eds., S. N. Bose: The Man and His Work, Part II: Life, Lectures and Addresses, Miscellaneous Pieces (Calcutta: S. N. Bose National Centre for Basic Sciences, 1994), 63.

[32] Bose and Sengupta, “X-Ray and Differential Thermal Studies of Some Indian Montmorillonites.”

[33] See Paul Ratner, “Landau Genius Scale Ranking of the Smartest Physicists Ever,” Big Think: Hard Science, September 28, 2020. ?

[34] See Santimay Chatterjee and Chanchal Kumar Majumdar, eds., S. N. Bose: The Man and His Work, Part I: Collected Scientific Papers (Calcutta: S. N. Bose National Centre for Basic Sciences, 1994), 274–95. ?

[35] Hubert Goenner, “On the History of Unified Field Theories,” Living Reviews in Relativity 7, no. 2 (2004): 1–153, doi:10.12942/lrr-2004-2. ?

[36] Binay Malkar, “The Forgotten Quantum Indian,” The Statesman, December 19, 2018. For further reading, see Chatterjee and Majumdar, eds., S. N. Bose: The Man and His Work, Parts I and II; the Prof. S. N. Bose Archive at the S. N. Bose National Centre for Basic Sciences; Jagdish Mehra, “Satyendra Nath Bose,” Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society 21 (1975): 116–54, doi:10.1098/rsbm.1975.0002; Wali, Satyendra Nath Bose.

作者簡(jiǎn)介：Patha Ghose是加爾各答泰戈?duì)栕匀豢茖W(xué)與哲學(xué)中心的杰出研究員，也是印度國家科學(xué)院和西孟加拉邦科學(xué)技術(shù)學(xué)院的研究員。他于1999年退休，擔(dān)任加爾各答玻色國家國家基礎(chǔ)科學(xué)中心的教授和學(xué)術(shù)項(xiàng)目協(xié)調(diào)員。他在玻色的指導(dǎo)下完成了博士論文，專門研究量子力學(xué)和經(jīng)典偏振光學(xué)的基礎(chǔ)。

本文經(jīng)作者授權(quán)翻譯發(fā)表于《返樸》，譯自Partha Ghose, Satyendra Nath Bose: Counting in the Dark, 原文鏈接：

https://inference-review.com/article/counting-in-the-dark#footnote-17。

出品：科普中國

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