趣味物理：70年前的预言

概要： 大多数人初次听到玻色－爱因斯坦凝聚这个术语时，都感到既陌生又神秘。那它到底是什么意思呢？ 早在1924年，印度物理学家萨蒂延德拉·玻色（StayendraBose，1894～1974）提出了一个分析光子行为的统计力学方法，也就是现在我们所说的“玻色统计”。玻色提出了一种新的统计理论，它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。传统统计理论假定一个系统中所有的粒子之间都是可以辨别的，可以给它们分别标上记号，并且相互之间不会混淆的。基于这一假定的经典的统计力学理论圆满地解释了理想气体定律，取得了非凡的成功。然而玻色却认为，我们实际上根本不可能区分两个光子之间有什么不同。玻色讨论了如下一个问题：将N个相同的小球放进M个标号为1，2，……的箱子中，假定箱子的容积足够大，可能有多少种不同的放法？在此问题的基础上，他采用与传统统计相似的方法得到了一套新的统计理论。 玻色的理论无须借助经典电动力学的理论。就可以正确描述光子的行为，但他在发表自己的理论时却遇到一些麻烦，因为人们不相信他的结果，不肯在

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    大多数人初次听到玻色－爱因斯坦凝聚这个术语时，都感到既陌生又神秘。那它到底是什么意思呢？

    早在1924年，印度物理学家萨蒂延德拉·玻色（Stayendra　Bose，1894～1974）提出了一个分析光子行为的统计力学方法，也就是现在我们所说的“玻色统计”。玻色提出了一种新的统计理论，它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。传统统计理论假定一个系统中所有的粒子之间都是可以辨别的，可以给它们分别标上记号，并且相互之间不会混淆的。基于这一假定的经典的统计力学理论圆满地解释了理想气体定律，取得了非凡的成功。然而玻色却认为，我们实际上根本不可能区分两个光子之间有什么不同。玻色讨论了如下一个问题：将N个相同的小球放进M个标号为1，2，……的箱子中，假定箱子的容积足够大，可能有多少种不同的放法？在此问题的基础上，他采用与传统统计相似的方法得到了一套新的统计理论。

    玻色的理论无须借助经典电动力学的理论。就可以正确描述光子的行为，但他在发表自己的理论时却遇到一些麻烦，因为人们不相信他的结果，不肯在科学杂志上利登他的论文。于是玻色就将论文寄给爱因斯坦这位当时最有名的物理学家。爱因斯坦立刻意识到这篇论文的重要性，并通过自己的影响力将它发表在德国的学术刊物上。也许有人会问，玻色的理论为什么还同时用爱因斯坦的名字来命名呢？

    事实上，爱因斯坦不但帮助玻色发表了论文，而且还进一步对他的理论进行深化和推广。爱因斯坦认为，玻色的理论不但对光子适用，而且还可以用来研究所有原子的行为。他最终建立了遵守玻色－爱因斯坦统计的粒子的完整量子模型。爱因斯坦发现，他建立的方程式表明，原子在非常低的温度下的表现与通常状态相比大为不同。如果原子足够冷，那么就可能会有一些不同寻常的事情发生。它是那样的奇异，以致爱因斯坦无法确定自己的理论是否正确。

    也许有人认为，爱因斯坦是永远不会错的，但事实上他只对了一半。因为并不是所有原子都遵守玻色－爱因斯坦统计。现在我们已经知道，粒子实际上可以分成两大类。一类称为玻色子，遵守玻色－爱因斯坦统计；另一样称为费米子，遵守费米－狄拉克统计。

    爱因斯坦的理论表明，在足够低的温度下，所有原子有可能处在相同的最低能级上，所有原子的行为就像一个粒子一样。

    为了理解能级的概念，我们可以将原子想像成一个个的小球，它们被放进一个碗中滚动，并且让其能量必须取一系列确定的数值，就像台阶一样从小到大，而不是以随便一个速度运动。这就是所谓的能级。量子力学认为，任何物体的能量都不是连续取值的，而只能是这种不连续的方式，当然，对一个宏观的小球而言，相邻的两个能级之间的差是很小的，以至我们根本不会察觉到。爱因斯坦的方程预言，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级上，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。这些堆积在最低能级上的原子呈现的就是所谓的玻色－爱因斯坦凝聚态。值得注意的是，这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。

    玻色－爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子行为就像一个粒子一样，可以“齐声歌唱”，所以被称为“超原子”。

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