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难倒爱因斯坦的问题,被一个自学成才物理学家解决了

作者:admin 发布时间:2018-11-09

  假如没有激光,你就无法读到这些文字。

  虽然大多数时分,激光处于人们的视野之外,它却是信息经济的支柱。作为光纤电缆中的光,激光使互联网成为或许;激光从 CD、DVD 中读写数据;激光协助飞机导航,与卫星通话;乃至书本也不能逃过:大多数书本都是激光打印的。

○现代望远镜运用激光来补偿大气对光的散射。

○现代望远镜运用激光来补偿大气对光的散射。

  激光的来历可以追溯到 1917 年,爱因斯坦发现“受激辐射”的时分。受激辐射是指,一个处于高能量激发态的原子,与一个具有特定能量的光子彼此效果,发射出与入射光子完全相同的一个光子,并跃迁到较低能量状况的进程。

  从受激辐射理论发展到“受激辐射的光扩大”,也就是激光,经过了几十年的时间。在这个进程中,数十位科学家、工程师参加了这场史诗般的探究,迎来了量子化学和固体物理学等范畴的曙光。

  自学成才的奠基人

  但一开端奠定这一切的理论基础的,是一位和颜悦色、谦逊有礼的物理学家,他的姓名叫做萨蒂扬德拉?纳斯?玻色。1894 年,玻色出生于印度加尔各答,他是一个神童,在大学里学习数学,并终究取得硕士学位。

○玻色和加尔各答大学的科学家们。

○玻色和加尔各答大学的科学家们。

  可是,与大多数改动国际的科学家不同,他没有持续攻读博士学位。相反,他开端自学物理。他借来关于其时最新理论的教科书,可是这些书都是用德语写的,所以他又自学德语,以便学习这些理论。

  玻色从 1917 年开端研讨物理学。这个时分的物理学是个激动人心的范畴。1900 年,德国科学家马克斯?普朗克发现,电磁能量只能以离散的方法被发射或吸收,这就是所谓的量子。这是一个改动物理学的时间,是量子年代的开端。

  可是,普朗克的发现有一些不那么令人满意的当地。乃至普朗克自己自己也供认,他引进闻名的普朗克公式,不过是为了让理论与数据契合。包含爱因斯坦在内的许多物理学家都企图从榜首原理推导普朗克公式,但他们都失利了。玻色兴致勃勃地面临这个问题,好像没有意识到这个问题现已让那个年代很多最优异的脑筋铩羽而归。令人惊异的是,他处理了这个问题。

  玻色洞悉到,要害问题是引进一种全新的计算。在一般的计算学中,假如投掷两枚硬币,关于正面朝上仍是不和朝上,会呈现四种或许的成果:正-正,正-反,反-正,反-反。呈现两个硬币一同正面朝上的概率是 1/4。

  玻色提出,由于无法区别一个光子和另一个光子,因此关于全同的光子而言,“正-反”、“反-正”是无法分辩的,事实上这是同一种或许性。假如硬币依照光子的方法运作,那么,投掷两枚硬币呈现正面朝上的概率将会是 1/3。

 ○投掷两枚硬币,会呈现几种或许性?它们的概率是多少?| 图片来历:Pany@NPI

○投掷两枚硬币,会呈现几种或许性?它们的概率是多少?| 图片来历:Pany@NPI

  不管关于物理学家仍是数学家来说,这听起来都很荒唐。但重要的是,玻色的新计算学是有用的。

  他写了一篇关于这个问题的论文,题为《普朗克规律和光量子假说》,可是寄去的期刊回绝接纳这篇论文。所以玻色又做了一件荒唐的作业:将这篇论文直接寄给爱因斯坦。

 ○玻色寄给爱因斯坦的信。

○玻色寄给爱因斯坦的信。

  “害臊”的玻色

  这是 1924 年,爱因斯坦现已功成名就,他的函件如潮水般涌来。虽然如此,那篇论文仍是引起了他的留意??大约是由于论文论述的是他自己没能处理的问题。他将这篇论文翻译成德文,并组织将它宣布在这个范畴最好的期刊之一??“Zeitschrift für Physik”上面,并写道:“在我看来,这是向前迈出的重要一步。”

  玻色的发现是如此重要,以至于爱因斯坦开端写一系列论文,研讨他称之为“玻色计算”的东西??由于爱因斯坦的奉献,现在,它被称为“玻色-爱因斯坦计算”。

  那些遵从玻色-爱因斯坦计算的粒子,也就是可以占有同一量子态、无法分辩出“正-反”和“反-正”的粒子,现在都被称为玻色子。成果证明,光子就是一种玻色子。

  光子是组成光的基本粒子。一般的一束光就像是波涛汹涌的大海??不同光子的量子波彼此堆叠、磕碰,并部分抵消。可是,关于一束激光,一切的波一同移动,构成一个浩大的波的序列,就像是海洋的一切能量都会集到一个波里。这种现象就是所谓的相干性。相干性使得激光可以发作强壮的冲击力,在信息传输中发挥巨大效果。

 ○激光的原理。原子有一系列分立的能级,激发态原子跃迁到较高能级;特定频率的光子和激发态原子彼此效果;激发态的原子跃迁到较低的能量状况,并发射出与入射光子完全相同的一个光子;激光中的激发态原子被置于双面镜子之间,由于镜子的反射效果,之前发射的光子会导致“受激辐射”接连不断地发作;终究,一切的光子都是完全相同的,它们能量相同因此色彩相同,而且指向同一个方向。| 图片来历:Jubobroff

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  相干性之所以或许完成,是由于许多光子可以一同占有一个量子态。没有玻色超卓的洞悉力和强壮的新计算东西,物理学家就无法了解这一点,更不用说使用这一现象来发明新技术、新产业和新经济了。

  至于玻色自己,人们怅惘他是一个天才,却没有充分使用自己天分。这或许是由于,他并不单单专心于物理学:他还研讨矿物学、化学、地质学、人类学、动物学、工程学和文学。

  或许是由于他说话轻声细语,当居里夫人通知他,他得先学会法语才干跟从自己在镭学院作业时,他过分害臊,不敢通知她,自己现已可以流利地说法语了。

  当其他印度科学家问他,为什么他这位量子力学的奠基人没有取得诺贝尔奖时,玻色提出异议:“我得到了我需求的一切认可。”

 ○害臊的玻色。

○害臊的玻色。

  或许是这样的。毫无疑问,当他站在黑板前面,和一群学生在一同,或许和朋友们一同,边喝茶边聊地利,他最为高兴。他喜爱有人陪同。

  当狄拉克在印度访问玻色时,狄拉克诉苦在一辆现已很拥堵的车上,还要再带上几个玻色的学生,玻色笑道:“哦,Paul,在这里,咱们信任玻色计算!”

  1974 年,玻色逝世。

  2012 年,科学家发现了一种新的玻色子??希格斯玻色子。媒体争相报导发现者彼得?希格斯。可是在印度,人们还写了关于萨蒂扬德拉?纳斯?玻色的文章,当他们写到关于希格斯玻色子的时分,他们运用了代表玻色的字母“B”。