玻色的生平与物理思想

  1 玻色的生平

  1894年,萨特延德拉·纳特玻色(Satyendra Nath Bose)出生于英属印度首都加尔各答的一个中产阶级家庭口。作为家中的长子兼独子,他在父权主导的社会背景下,受到了父亲的极大关注和培养。他的父亲苏伦特拉·纳特。玻色(Surendra Nath Bose),曾在东印度铁路工程部为殖民地政府服务。得益于父亲的努力和支持玻色接受了优质的教育。玻色5岁时开始在师范学校上小学,学校离当时他父亲在加尔各答的约拉巴根租的房子很近。后来他们搬到戈巴根自己的房子,玻色转入附近新印第安人学校继续学习,在那里,他学习英语、孟加拉语、历史、地理、数学和梵语:他对数学特别感兴趣,尤其喜欢钻研高里·桑卡·戴的算术和代数教科书。同一时期,孟加拉国老师萨拉特·钱德拉·沙斯特里(SaratChandra Shastri)激发了玻色对孟加拉国语言和文学的热情。

  1905年7月19日,印度总督柯松勋爵(Lord Curzon)对孟加拉国实施分裂政策,引发了印度民族主义情绪。当时11岁的玻色受斯瓦德什(Swadeshi)运动影响,怀着爱国主义情感参与学生抗议中然而,由于父亲的严格要求,他只能被迫远离革命活动。在严格的父亲、慈爱的母亲,以及妹妹的影响下,玻色表现出羞怯、谦逊和温顺的天性,这限制了他的政治表达。尽管如此,他对革命者仍保持一定的关注和同情21孟加拉国的分裂深刻影响了玻色,虽然他倾向民族主义,但受限于童年时代的经历和经济状况,他并未积极从事革命活动。1907年,玻色进入印度教学校后,表现出对语言的喜爱和天赋,特别是在梵语和法语方面,后来他还学习了德语。他虽然视力不佳,却阅读了许多印度和西方作家的作品,是一个有思想的读者。他特别喜欢诗人丁尼生(Tennyson)和泰戈尔(Tagore),还精通卡利达萨(Kalidasa)的梵语作品《梅加杜姆》(Meghadootam),这些影响了他的写作风格。1908年,玻色因为生病错过了中级科学班的入学考试曰,只能继续在印度教学校学习,直到1909年进入总统学院。在这期间,他不仅掌握了高等数学,还阅读了多部印度的梵语经典著作。

  玻色在1913年获得理学硕士学位,并在1915年获得加尔各答大学混合数学(类似于应用数学)学位。在这两门学位考试中,他都排名第一,第二名是梅格纳德·萨哈(Megn Nad Saha)四。1916年,玻色受聘担任新成立的加尔各答大学应用数学系讲师。当时,甘尼什·普拉萨德(GaneshPrasad)是加尔各答大学应用数学的教授。不过,由于和普拉萨德相处得不好,玻色后来转到了物理系。当时,物理系教职人手不足,玻色不仅要承担教学任务,同时还要兼顾系里的组织事务。尽管如此,他仍抽时间学习法语和德语,并阅读了大量他所关注的欧洲物理学文献。

  1921年,玻色担任达卡大学物理系教授。1924年,在校长哈托格(Hartog)慷慨提供的研究津贴的资助下,他开始了为期两年的欧洲旅行和研究休假。同年10月,玻色从孟买出发抵达巴黎,与从事量子研究的物理学家建立了紧密联系。之后,他前往德国访问,与当地科学家交流学习,并在柏林与爱因斯坦共事。1926年返回达卡大学后,他继续担任教授,并兼任物理系主任。1945年至1956年,玻色在加尔各答大学教书,并于退休时获得名誉教授头衔。1958年,玻色当选英国皇家学会会员。1974年2月4日,这位伟大的物理学家去世。

  2 玻色的主要物理成就

  起源于德国的量子物理学对印度科学家比相对论14-61更具吸引力。玻色成长于亚洲的一个偏远殖民地,却成功跻身于当时这个物理学前沿领域,并以其独特的量子统计对量子物理学的发展作出卓越的贡献?-。1918年,他与萨哈在《哲学杂志》上发表了论文《论分子有限体积对状态方程的影响》,这是玻色在理论物理学领域的首个重要贡献!91。1919年玻色在加尔各答数学学会上展示了两篇论文。次年,他与萨哈再次在《哲学杂志》上发表了论文《状态的方程式》!1。

  受到爱因斯坦论文的启发,玻色和萨哈合作出版了一本关于相对论的论文集。此外,玻色将爱因斯坦1916年发表的广义相对论的奠基论文中翻译成英文,由加尔各答大学出版社出版,这是该论文的第一个英文版本。考虑到他们当时身处远离欧洲的殆民地,这是一个非凡的成就。此后,玻色在《哲学杂志》上阅读了玻尔关于对应原理的论文叫,又从德本德拉莫汉·玻色(Debendramohan Bose)那里得到了索末菲(Sommerfeld)关于多重量子化和谱线精细结构的论文中2。1920年,玻色在《哲学杂志》上发表了《关于从光谱发射的量了理论中推断出里德伯格定律》-文国。

  除物理学外,玻色对化学、文学(孟加拉语及英语)、地质学、动物学、人类学、工程学等多个学科进行了研究。他还投入大量时间推广孟加拉语作为教学语言,将科学论文翻译成孟加拉语,推动该地区自然科学的发展。

  2.1 普朗克定律和光量子假说

  20世纪早期的物理学家们仍在努力解决光的波粒二象性问题。尽管欧洲科学家普遍接受麦克斯韦的电磁场理论,认为光是一种波动现象,但爱因斯坦在1905年提出了光量子假说",表明光也具有粒子的性质。1909年,在萨尔茨堡,爱因斯坦提出的公式揭示了在辐射能量密度中,代表粒子和波的线性项与平方项之和的能量均方波动。马丁。克莱因(Martin Klein)指出,“爱因斯坦认为,产生波动有两个独立的原因,辐射理论必须同时提供波和粒子机制”“5。这一结论为后来对波粒二象性和互补性理论的理解奠定了基础,并在随后的量子物理学研究中引发广泛而深入的探讨。尽管越来越多的科学家认为空腔内的辐射应该被视作“光量子气体”,但在1905年前后,爱因斯坦没有深入研究黑体辐射的“量子气体”模型,原因有二:①光量子唯一的类粒子特征是其能量:②光量子不可能像常规粒子那样相互独立。如果光量子在统计上是独立的,那么一个“光子气体”将服从维恩定律,而不是普朗克定律。然而,玻色对这场关于令人费解的波粒二象性和对光的不连续性质的讨论1并不知情。

  根据保罗·埃伦费斯特(PaulEhrenfest)的观察,场激发的能量应该是量子化的。彼得·德拜(Peter Debye)利用弹性振动量子化的概念重新推导了普朗克定律,旨在解释固体的比热。1916年,爱因斯坦基于辐射平衡给出普朗克定律的另一个唯象推导,这种辐射平衡同时考虑了受激辐射和自发辐射的结果。然而,玻色在他1924年发表的《普朗克定律和光量子假说》中指出中7,上述推导在逻辑上存在不合理之处。当时,玻色可参考的物理文献为德拜1910年在《物理学年鉴》上发表的推导普朗克定律的相关文章。在达卡大学教授热力学和电磁理论的同时,玻色还进行相对论和量子理论研究。他发现在普朗克辐射定律的推导过程中存在明显的问题。

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