難倒愛因斯坦的問題，被一個自學成才的物理學家解決了

圖片來源：Inside the Perimeter

來源 公眾號「原理」

原作 Erin Bow

翻譯 烏鴉少年

如果沒有激光，你就無法讀到這些文字。

儘管大多數時候，激光處於人們的視線之外，它卻是信息經濟的支柱。作為光纖電纜中的光，激光使互聯網成為可能；激光從 CD、DVD 中讀寫數據；激光幫助飛機導航，與衛星通話；甚至書籍也不能倖免：大多數書籍都是激光列印的。

現代望遠鏡使用激光來補償大氣對光的散射。

激光的起源可以追溯到 1917 年，愛因斯坦發現「受激輻射」的時候。受激輻射是指，一個處於高能量激發態的原子，與一個具有特定能量的光子相互作用，發射出與入射光子完全相同的一個光子，並躍遷到較低能量狀態的過程。

從受激輻射理論發展到「受激輻射的光放大」，也就是激光（LASER），經過了幾十年的時間。在這個過程中，數十位科學家、工程師參與了這場史詩般的探索，迎來了量子化學和固體物理學等領域的曙光。

自學成才的奠基人

但一開始奠定這一切的理論基礎的，是一位和藹可親、謙遜有禮的物理學家，他的名字叫做薩蒂揚德拉·納斯·玻色（Satyendra Nath Bose）。1894 年，玻色出生於印度加爾各答，他是一個神童，在大學裡學習數學，並最終獲得碩士學位。

玻色和加爾各答大學的科學家們。

然而，與大多數改變世界的科學家不同，他沒有繼續攻讀博士學位。相反，他開始自學物理。他借來關於當時最新理論的教科書，但是這些書都是用德語寫的，於是他又自學德語，以便學習這些理論。

玻色從 1917 年開始研究物理學。這個時候的物理學是個激動人心的領域。1900 年，德國科學家馬克斯·普朗克發現，電磁能量只能以離散的形式被發射或吸收，這就是所謂的量子。這是一個改變物理學的時刻，是量子時代的開始。

然而，普朗克的發現有一些不那麼令人滿意的地方。甚至普朗克自己自己也承認，他引入著名的普朗克公式，不過是為了讓理論與數據符合。包括愛因斯坦在內的許多物理學家都試圖從第一原理推導普朗克公式，但他們都失敗了。玻色興高采烈地面對這個問題，似乎沒有意識到這個問題已經讓那個時代眾多最優秀的頭腦鎩羽而歸。令人驚異的是，他解決了這個問題。

玻色洞察到，關鍵問題是引入一種全新的統計。在通常的統計學中，如果拋擲兩枚硬幣，對於正面朝上還是反面朝上，會出現四種可能的結果：正-正，正-反，反-正，反-反。出現兩個硬幣同時正面朝上的概率是 1/4。

玻色提出，因為無法區分一個光子和另一個光子，因此對於全同的光子而言，「正-反」、「反-正」是無法分辨的，事實上這是同一種可能性。如果硬幣按照光子的方式運作，那麼，拋擲兩枚硬幣出現正面朝上的概率將會是 1/3。

拋擲兩枚硬幣，會出現幾種可能性？它們的概率是多少？| 圖片來源：Pany@NPI

無論對於物理學家還是數學家來說，這聽起來都很荒謬。但重要的是，玻色（同時是物理學家和數學家）的新統計學是有效的。

他寫了一篇關於這個問題的論文，題為《普朗克定律和光量子假說》，但是寄去的期刊拒絕接收這篇論文。所以玻色又做了一件荒謬的事情：將這篇論文直接寄給愛因斯坦。

玻色寄給愛因斯坦的信。

「害羞」的玻色

這是 1924 年，愛因斯坦已經功成名就，他的信件如潮水般湧來。儘管如此，那篇論文還是引起了他的注意——大概是因為論文闡述的是他自己沒能解決的問題。他將這篇論文翻譯成德文，並安排將它發表在這個領域最好的期刊之一——「Zeitschrift für Physik」（《物理學期刊》）上面，並寫道：「在我看來，這是向前邁出的重要一步。」

玻色的發現是如此重要，以至於愛因斯坦開始寫一系列論文，研究他稱之為「玻色統計」的東西——因為愛因斯坦的貢獻，如今，它被稱為「玻色-愛因斯坦統計」。

那些遵循玻色-愛因斯坦統計的粒子，也就是能夠佔據同一量子態、無法分辨出「正-反」和「反-正」的粒子，如今都被稱為玻色子（boson）。結果證明，光子就是一種玻色子。

光子是組成光的基本粒子。通常的一束光就像是波濤洶湧的大海——不同光子的量子波相互重疊、碰撞，並部分抵消。然而，對於一束激光，所有的波一起移動，形成一個浩大的波的序列，就像是海洋的所有能量都集中到一個波里。這種現象就是所謂的相干性（coherence）。相干性使得激光能夠產生強大的衝擊力，在信息傳輸中發揮巨大作用。

激光的原理。（1）原子有一系列分立的能級，激發態原子躍遷到較高能級；（2）特定頻率的光子和激發態原子相互作用；（3）激發態的原子躍遷到較低的能量狀態，並發射出與入射光子完全相同的一個光子；（4）激光中的激發態原子被置於兩面鏡子之間，因為鏡子的反射作用，之前發射的光子會導致「受激輻射」連續不斷地發生；（5-6）最終，所有的光子都是完全相同的，它們能量相同因而顏色相同，並且指向同一個方向。| 圖片來源：Jubobroff

相干性之所以可能實現，是因為許多光子可以同時佔據一個量子態。沒有玻色出色的洞察力和強大的新統計工具，物理學家就無法理解這一點，更不用說利用這一現象來創造新技術、新產業和新經濟了。

至於玻色本人，人們惋惜他是一個天才，卻沒有充分利用自己天賦。這或許是因為，他並不單單專註於物理學：他還研究礦物學、化學、地質學、人類學、動物學、工程學和文學（孟加拉語和英語）。

或許是因為他說話輕聲細語，當居里夫人告訴他，他得先學會法語才能跟隨自己在鐳學院（Radium Institute）工作時，他太過害羞，不敢告訴她，自己已經能夠流利地說法語了。

當其他印度科學家問他，為什麼他這位量子力學的奠基人沒有獲得諾貝爾獎時，玻色提出異議：「我得到了我需要的所有認可。」

害羞的玻色。

或許是這樣的。毫無疑問，當他站在黑板前面，和一群學生在一起，或者和朋友們一起，邊喝茶邊聊天時，他最為快樂。他喜歡有人陪伴。

當狄拉克（Paul Dirac）在印度拜訪玻色時，狄拉克抱怨在一輛已經很擁擠的車上，還要再帶上幾個玻色的學生，玻色笑道：「哦，Paul，在這裡，我們相信玻色統計！」

1974 年，玻色去世。

2012 年，科學家發現了一種新的玻色子——希格斯玻色子（用字母「H」表示）。媒體爭相報道發現者彼得·希格斯（Peter Higgs）。然而在印度，人們還寫了關於薩蒂揚德拉·納斯·玻色的文章，當他們寫到關於希格斯玻色子的時候，他們使用了代表玻色的字母「B」。

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