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达卡大学物理学讲师玻色,于1924年6月4日致信爱因斯坦,附上一个不依赖经典电动力学的普朗克定律推导。爱因斯坦把它译成德文,并推广到气体,预言了1995年才首次制成的凝聚体。诺贝尔奖档案列出1956年至1972年间有11次对玻色的提名,他始终没有获奖。
1924年6月4日,30岁的萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose),时任达卡大学(Dacca University,今拼作University of Dhaka)物理学讲师,致信柏林的阿尔伯特·爱因斯坦,随信附上一篇短文,不借助经典电动力学,推导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦亲自把这篇论文译成德文,并在1924年7月2日之前,把它交给了玻色指定的《物理学杂志》(Zeitschrift für Physik)。遵循这篇论文所引入的统计规律的粒子,因他而被称为玻色子。
玻色从未获得诺贝尔奖。诺贝尔奖档案列出他被提名11次,而读过这些信件的历史学家,对他故事中的几处细节也看法不一。下文对每一处都做了标注。
一个没有博士学位的讲师写信到柏林
玻色1894年1月1日生于加尔各答。据物理学家卡梅什瓦尔·瓦利(Kameshwar Wali)所述,他在总统学院的理学士(1913年)和理学硕士(1915年)考试中都名列第一,他的朋友梅格纳德·萨哈(Meghnad Saha)排第二。他与萨哈一起把爱因斯坦和赫尔曼·闵可夫斯基的相对论论文译成英文,加尔各答大学于1920年出版了这本书。1921年,他到新创办的达卡大学任讲师,他没有博士学位。
据瓦利转载的内容,他的附信说,自己试图独立于经典电动力学,推出普朗克定律中的系数8πν²/c³,所假设的只是相空间(位置与动量构成的空间)最小的区域,其体积为h³。他写道,自己的德语不够好,无法翻译。“尽管我对您完全是个陌生人,但提出这样的请求,我并不觉得有任何犹豫。”他接着写道。印度国家科学院传记回忆录中,由SD查特吉(SD Chatterjee)1983年写的那封信的较长版本还补充说,玻色提醒爱因斯坦注意加尔各答的那些译本,并说自己翻译过广义相对论的论文。
瓦利和查特吉都说,问题来自教学。萨哈约在1924年3月到达卡检查理学硕士的实验课,跟玻色谈起了泡利以及爱因斯坦和埃伦费斯特推导普朗克定律的尝试。查特吉写道,玻色在教研究生时就遇到了这个难题。瓦利说,萨哈的来访让他开始思考辐射与物质,并由此写出第二篇论文,与第一篇差不多同时寄给了爱因斯坦。查特吉指出,它的附信日期是1924年6月15日。
这篇论文改变了普朗克定律的哪一部分
普朗克1900年的定律说的是,在给定温度下的一个盒子里,每种频率的辐射有多少。它有两个部分:每个振动模式的平均能量,以及模式的数目。爱因斯坦文稿项目的恩里克·佩雷斯(Enric Pérez)和蒂尔曼·绍尔(Tilman Sauer)指出,此前的推导,平均能量是通过量子化得到的,而前面的系数,也就是模式的计数,却只是从经典理论推出的。
玻色的计数方式是新的。按马苏德·曼苏里普尔(Masud Mansuripur)转载的版本,光量子的相空间被切成体积为h³的小格,每个频率区间含有的格数包括两种偏振态,然后把量子分配到各个格子里。由于量子被视为全同的,交换其中两个并不构成新的排列。瓦利引用亚伯拉罕·派斯(Abraham Pais)的说法称,这一推导没有借助经典理论,并把它排为旧量子论中革命性论文的第四篇,也是最后一篇,前三篇分别是普朗克、爱因斯坦和玻尔的。
历史学家对这种计数有多少是有意为之,看法不一。马克斯·德尔布吕克(Max Delbrück)在1980年猜测,玻色只是在统计上犯了个错误,并没有意识到自己的计数方式有多不寻常。据查特吉引述,玻色后来对历史学家贾格迪什·梅赫拉(Jagdish Mehra)说,他并不知道自己做的事真的很新颖,也不觉得自己的方法与玻尔兹曼统计有什么不同。
《哲学杂志》:被拒稿,还是从未回复
玻色以前在《哲学杂志》上发表过文章,1918年与萨哈合作,回忆录说他是先把这篇论文寄到那里的。关于后来发生的事,各种叙述并不一致。
在瓦利的叙述里,玻色是在1923年底或1924年初寄出论文的,六个月后,编辑告诉他审稿报告是否定的。查特吉的回忆录说,很长时间都没有收到录用的信。罗伯特·克里斯(Robert Crease)和吉诺·埃利亚(Gino Elia)在《物理世界》上说,玻色一直没有收到回音,不过同一篇文章里的一条图注称这篇论文被拒了。佩雷斯和绍尔引用威廉·布兰皮德(William Blanpied,1972年)和瓦利(2006年)的说法,称编辑部已经拒稿。瓦利补充说,历史学家约翰·斯塔赫尔(John Stachel)对论文完成的时间有不同的说法。能确定的是,《哲学杂志》没有发表它。
爱因斯坦的明信片和三篇关于气体的论文
答复来自爱因斯坦1924年7月2日的一张明信片。瓦利引用了它:“这标志着重要的一步进展,我很高兴。”施普林格的记录显示,《物理学杂志》于1924年7月2日收到译稿,论文刊在第26卷第178至181页。爱因斯坦在译者按语中称这一推导是重要的进步,并说这个方法也给出了理想气体的量子理论。各来源对发表月份说法不同:查特吉和《牛津国家人物传记大辞典》说是1924年8月,而施普林格的记录给出合订本期次的日期是1924年12月。
1924年7月10日,爱因斯坦向普鲁士科学院提交了一篇关于单原子理想气体量子理论的论文。两天后他写信给保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest),信的德文原文被佩雷斯和绍尔引用,信中说那位印度人玻色给出了一个优雅的推导,其实质仍然晦涩,而他把它用到了理想气体上。1925年1月8日,第二篇论文在科学院宣读,1月29日又宣读了第三篇。
第二篇论文预言了玻色-爱因斯坦凝聚。爱因斯坦发现,在低于某个临界温度时,越来越多的分子会堆积到动量为零的状态。1924年11月29日,他告诉埃伦费斯特,分子会在没有任何吸引力的情况下“凝聚”,称这个理论很美,但又说他不知道其中是否有任何真理。这篇论文还回应了埃伦费斯特等人的批评,即玻色的计数以及爱因斯坦自己的计数,都把量子或分子当作了在统计上并不独立的对象。“这完全正确”,爱因斯坦写道,这是佩雷斯和绍尔的译文。
诺贝尔基金会2001年物理学奖的新闻稿接着讲了这个故事。1995年,埃里克·康奈尔(Eric Cornell)和卡尔·威曼(Carl Wieman)在20纳开尔文下制成了由约2,000个铷原子组成的纯凝聚体,这是预言提出七十年之后,奖项授予了康奈尔、沃尔夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)和威曼,“因为在碱金属原子稀薄气体中实现了玻色-爱因斯坦凝聚,以及对凝聚体性质的早期基础研究”。
在巴黎和柏林的两年
瓦利和查特吉都说,爱因斯坦的明信片帮玻色争取到了两年的学术休假。他1924年9月初从孟买启航,10月中旬抵达巴黎,住在索梅拉尔街(Rue du Sommerard)的印度学生协会大楼。据玻色回忆,玛丽·居里让他先等三四个月,学好法语,再去她的实验室工作,于是他转而进入莫里斯·德布罗意(Maurice de Broglie)的X射线实验室。保罗·朗之万(Paul Langevin)是他在那里的另一位联系人。
10月26日,玻色从巴黎写信给爱因斯坦,请求在他手下工作。爱因斯坦11月3日回信说,他很乐意见面,但他不同意玻色第二篇论文中的概率定律,那篇论文讲的是存在物质时辐射的热平衡,也是爱因斯坦翻译并加了注释的。玻色1925年1月27日宣布的第三篇论文始终没有发表,瓦利说,在耶路撒冷希伯来大学的爱因斯坦档案馆里,也没有发现它的任何痕迹。
据瓦利和牛津的传记,去柏林是在1925年10月。在那里,爱因斯坦把他介绍给弗里茨·哈伯(Fritz Haber)、奥托·哈恩(Otto Hahn)、莉泽·迈特纳(Lise Meitner)和瓦尔特·戈登(Walter Gordon),并给他出了两道关于光量子统计的题目。瓦利写道,玻色在这两道题上都没有进展。查特吉补充说,1926年夏天他去过哥廷根,在那里见到了马克斯·玻恩(Max Born),然后在那一年回到达卡。
后来的一段回忆来自物理学家帕尔塔·高斯(Partha Ghose),他是玻色以前的学生。2005年4月,高斯在达卡大学的一次讲座中说,玻色曾私下告诉他,他的推导最初给出的是4πν²/c³,而不是8πν²/c³,他曾提出,缺的那个因子2来自光子具有一个单位的自旋。高斯回忆,玻色用孟加拉语带着一丝悲伤的微笑说:“老头子把它划掉了!”瓦利补充说,爱因斯坦显然是用两种偏振态取代了它。这一说法依据的是高斯对一次私人谈话的记忆,瓦利也是照此介绍的。
达卡、加尔各答和各种荣誉
玻色没有博士学位,朋友们建议他在申请达卡的教授席位之前,先请爱因斯坦写一封推荐信。爱因斯坦写道,玻色最近的工作,尤其是关于辐射平衡的工作,标志着“物理理论的一项重要而持久的进步”。查特吉说,这个教席最初是给DM玻色的,他拒绝了,SN玻色于1927年成为物理学教授兼系主任。
在达卡,他建起了X射线衍射相机和晶体学研究项目,还涉足有机化学。1945年,他转到加尔各答大学,担任凯拉教授。回忆录给出的原因是达卡的教派紧张局势让他不安。瓦利写道,玻色的研究成就,不如萨哈和CV拉曼等同时代人那样持续,数量也比他们少。
玻色1952年至1958年担任联邦院议员,政府的科学门户网站给出他获Padma Vibhushan勋章的年份是1954年。1958年,皇家学会选他为会员。1956年从加尔各答大学退休后,他出任圣蒂尼克坦的维斯瓦-巴拉蒂大学校长,那所大学由罗宾德拉纳特·泰戈尔创办,他任职到1958年,之后担任国家教授。20世纪50年代中期,他发表了五篇关于爱因斯坦统一场论的论文。查特吉写道,爱因斯坦去世的消息传来时,玻色撕毁了自己一篇重要论文的唯一一份底稿。
“玻色子”一词的由来
这个词来自保罗·狄拉克。戈登·弗雷泽(Gordon Fraser)和迈克尔·里奥丹(Michael Riordan)在《物理世界》中写道,1945年12月,在“饱受战争摧残的巴黎”的一次公开讲座中,他把费米的粒子称为费米子,把玻色的粒子称为玻色子,这些名字就此沿用下来。MacTutor也把造词归功于他。查特吉说,泡利在1936年和1940年把这两类粒子与自旋联系起来:自旋为整数的粒子服从玻色统计,自旋为半整数的粒子服从费米统计。
《物理世界》把玻色子定义为任何具有整数量子自旋的粒子,欧洲核子研究中心(CERN)说,希格斯玻色子是唯一一种自旋为零的粒子。ATLAS和CMS于2012年7月4日宣布发现它,《自然·物理》2024年的社论称,自那以后,“玻色子”大概是最广为人知的物理学术语之一。印度在这次搜寻中的作用,见我们关于印度与CERN的文章。
11次提名,没有获奖
诺贝尔奖档案列出玻色为11次提名中的被提名人:1956年、1959年、1962年两次、1968年、1969年和1970年各一次、1971年三次,以及1972年一次。其中1968年至1972年的五次来自MGK梅农(MGK Menon)。档案记录了提名人和被提名人,而这里用到的所有来源,都没有报道委员会为何没有选他。
一条规则和两次获奖,构成了这份记录的框架。诺贝尔基金会章程规定,已故者所完成的工作“不得被考虑授奖”。玻色于1974年2月4日去世,因此在这一日期之后,不可能再为他本人的工作授奖。第一个凝聚体在1995年制成,相关的奖在2001年颁发。2013年物理学奖授予弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·希格斯(Peter Higgs),表彰他们对质量起源背后一种机制的理论发现,该机制已被在CERN发现的粒子证实。汉娜·施马尔施蒂希(Hannah Schmalstich)2023年在《物理世界》上写道,玻色并未因玻色子背后的贡献获得任何诺贝尔奖。
有两个来源讲的是他的性情,而不是委员会的考虑。瓦利写道,早年成功之后,玻色“落入了完美主义者的陷阱”,只发表他认为值得的想法,也从不留笔记。查特吉说他回避公众关注,并决心“甘于默默无闻”。
1974年1月10日,也就是去世前约一个月,玻色写信给他在巴黎结识的朋友雅克利娜·艾森曼(Jacqueline Eisenmann),说大学正在赞助一场统计物理学会议,并把它称为玻色统计五十周年。
资料来源与延伸阅读
- SN Bose, Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese, Zeitschrift für Physik 26, 178 to 181 (1924), Springer record
- Kameshwar Wali, The man behind Bose statistics, Physics Today, October 2006
- SD Chatterjee, Satyendra Nath Bose, Biographical Memoirs of Fellows of the Indian National Science Academy, vol 7 (1983)
- Enric Pérez and Tilman Sauer (Einstein Papers Project), Einstein's quantum theory of the monatomic ideal gas, arXiv 1004.5567
- Masud Mansuripur, Quantization of the electromagnetic field, entropy of an ideal monoatomic gas, and the birth of Bose-Einstein statistics, SPIE Proceedings 13376 (2025), arXiv 2504.03689
- Max Delbrück, Was Bose-Einstein statistics arrived at by serendipity? Journal of Chemical Education 57 (1980)
- Robert P Crease and Gino Elia, When Bose wrote to Einstein: the power of diverse thinking, Physics World (27 February 2024)
- Nobel Prize in Physics 2001: press release
- Nobel Prize in Physics 2013: summary
- Nobel Prize Nomination Archive: Satyendra Nath Bose, nominee in 11 nominations
- Statutes of the Nobel Foundation
- Gordon Fraser and Michael Riordan, Introducing the higgson, Physics World (4 July 2012)
- MacTutor, University of St Andrews: Satyendranath Bose
- HW Thompson, Bose, Satyendranath, Oxford Dictionary of National Biography (reproduced by MacTutor)
- India Science, Technology and Innovation portal (Department of Science and Technology): SN Bose, physicist par excellence
- Nature Physics editorial: Bosons reach a century (2024)
- CERN: The Higgs boson
- Hannah Schmalstich, Nobel's three-winner limit does not reflect modern science, Physics World (30 September 2023)
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