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量子化学和固体物理学等领域的曙光——萨蒂扬德拉

更新时间:2024-04-10 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

如果没有激光,你将无法阅读这些文字。hec物理好资源网(原物理ok网)

尽管大多数时候,激光仍然淡出人们的视线,但它们是信息经济的支柱。 就像光缆中的光一样,激光使互联网成为可能。 他们从 CD 和 DVD 读取和写入数据; 它们帮助飞机导航并与卫星对话; 甚至书籍也不能幸免:大多数都是用激光印刷的。hec物理好资源网(原物理ok网)

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○现代望远镜使用激光来补偿大气中的光散射。hec物理好资源网(原物理ok网)

激光的起源可以追溯到1917年,当时爱因斯坦发现了“受激辐射”。 受激辐射是指处于高能激发态的原子与特定能量的光子相互作用,发射出与入射光子完全相同的光子,并跃迁到较低能态的过程。hec物理好资源网(原物理ok网)

从受激发射理论发展到“受激发射辐射的光放大”,即激光(LASER),经历了几十年的时间。 在此过程中,数十名科学家和工程师参与了这场史诗般的探索,迎来了量子化学、固体物理等领域的曙光。hec物理好资源网(原物理ok网)

但首先为这一切奠定理论基础的是一位和蔼可亲、谦虚的物理学家,名叫内斯·玻色 (Nath Bose)。 博斯1894年出生于印度加尔各答,是一位神童,在大学学习数学并最终获得了硕士学位。hec物理好资源网(原物理ok网)

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○玻色和加尔各答大学的科学家。hec物理好资源网(原物理ok网)

然而,与大多数改变世界的科学家不同,他没有攻读博士学位。 相反,他开始自学物理。 他借了当时最新理论的教科书,但这些书都是德语写的,所以他自学德语就是为了学习这些理论。hec物理好资源网(原物理ok网)

玻色于 1917 年开始研究物理学。当时的物理学是一个令人兴奋的领域。 1900年,德国科学家马克斯·普朗克发现电磁能只能以离散形式发射或吸收,这种形式称为量子。 这是改变物理学的时刻,也是量子时代的开始。hec物理好资源网(原物理ok网)

然而,普朗克的发现有些不太令人满意。 就连普朗克自己也承认,他引入著名的普朗克公式只是为了让理论与数据保持一致。 包括爱因斯坦在内的许多物理学家试图从第一原理推导出普朗克公式,但都失败了。 博斯高兴地面对这个问题,似乎没有意识到这个问题让他那个时代的许多最优秀的头脑感到沮丧。 令人惊讶的是,他解决了这个问题。hec物理好资源网(原物理ok网)

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Bose 意识到关键问题是引入一种全新的统计数据。 在通常的统计中一堆物理学家,如果抛掷两枚硬币,正面或反面有四种可能的结果:正面-正面、正面-反面、反面-正面和反面-反面。 两枚硬币同时正面朝上的概率是 1/4。hec物理好资源网(原物理ok网)

玻色提出,由于无法区分一个光子与另一个光子,因此对于相同的光子来说,无法区分“正负”和“反正”。 其实这也是同样的可能性。 如果硬币的行为像光子,那么抛掷两枚硬币并得到正面的概率将为 1/3。hec物理好资源网(原物理ok网)

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○抛掷两枚硬币,会出现多少种可能性? 他们的概率是多少? | 图片来源:Pany@NPIhec物理好资源网(原物理ok网)

这对物理学家和数学家来说听起来都很荒谬。 但重要的是玻色(同时也是物理学家和数学家)的新统计数据是有效的。hec物理好资源网(原物理ok网)

他就这个问题写了一篇论文,题为“普朗克定律和光量子假说”,但他寄出的期刊拒绝接受这篇论文。 于是玻斯又做了一件荒唐的事:把论文直接发给爱因斯坦。hec物理好资源网(原物理ok网)

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○玻色写给爱因斯坦的信。hec物理好资源网(原物理ok网)

那是 1924 年,爱因斯坦已经成名,他的信件源源不断地涌来。尽管如此,这篇论文还是引起了他的注意——大概是因为它解决了一个他自己无法解决的问题。 他将这篇论文翻译成德文,并安排在该领域最好的期刊之一 für(物理学杂志)上发表,并写道:“在我看来,这是向前迈出的重要一步。”hec物理好资源网(原物理ok网)

玻色的发现是如此重要,以至于爱因斯坦开始撰写一系列关于他所谓的“玻色统计”的论文——今天,由于爱因斯坦的贡献,它被称为“玻色-爱爱因斯坦统计”。hec物理好资源网(原物理ok网)

遵循玻色-爱因斯坦统计的粒子,即能够占据相同量子态且无法区分“正向-反向”和“反正向”的粒子,现在被称为玻色子。 事实证明,光子是玻色子。hec物理好资源网(原物理ok网)

光子是构成光的基本粒子。 典型的光束就像波涛汹涌的大海——不同光子的量子波重叠、碰撞,并部分相互抵消。 然而,通过激光束,所有的波一起移动,形成巨大的波序列,就像海洋的所有能量都集中到一个波中一样。 这种现象称为()。 相干性使激光能够产生强大的冲击力,在信息传输中发挥巨大作用。hec物理好资源网(原物理ok网)

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○激光原理。 (1)原子具有一系列离散的能级,受激原子向更高能级跃迁; (2)特定频率的光子与受激原子相互作用; (3)受激原子跃迁到较低能态,同时发射出与入射光子完全相同的光子; (4) 激光中受激发的原子被放置在两个镜子之间。 由于镜子的反射,先前发射的光子会导致“受激发射”不断发生; (5-6)最终,所有光子都是相同的,它们具有相同的能量,因此具有相同的颜色,并且指向相同的方向。 | 图片来源:hec物理好资源网(原物理ok网)

相干性是可能的,因为许多光子可以同时占据量子态。 如果没有 Bose 的卓越见解和强大的新型统计工具,物理学家将无法理解这一点,更不用说利用这一现象来创造新技术、产业和经济。hec物理好资源网(原物理ok网)

至于博斯本人一堆物理学家,人们遗憾的是他是天才却没有充分发挥他的才能。 这可能是因为他不仅仅专注于物理学:他还研究了矿物学、化学、地质学、人类学、动物学、工程学和文学(孟加拉语和英语)。hec物理好资源网(原物理ok网)

也许是因为他说话轻声细语,当居里夫人告诉他,他必须先学法语才能在镭研究所和她一起工作时,他羞于告诉她他已经能说流利的法语了。 。hec物理好资源网(原物理ok网)

当其他印度科学家问他,作为量子力学的创始人,为什么他没有获得诺贝尔奖时,玻色反驳道:“我得到了我需要的所有认可。”hec物理好资源网(原物理ok网)

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○害羞的玻色。hec物理好资源网(原物理ok网)

也许是这样。 毫无疑问,当他和一群学生一起站在黑板前,或者和朋友喝茶聊天时,他是最快乐的。 他喜欢有人陪伴。hec物理好资源网(原物理ok网)

当保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 访问印度的 Bose 时,狄拉克抱怨说,他不得不带着几名 Bose 学生一起坐在一辆已经很拥挤的汽车里。 Bose 微笑着说道:“哦,保罗,在这里,我们相信 Bose 的统计数据!”hec物理好资源网(原物理ok网)

1974 年,博斯去世。hec物理好资源网(原物理ok网)

2012年,科学家发现了一种新的玻色子——希格斯玻色子(用字母“H”代表)。 媒体争先恐后地报道发现者彼得·希格斯。 然而在印度,人们也写了 Nath Bose,当他们写希格斯玻色子时,他们使用了字母“B”。hec物理好资源网(原物理ok网)

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