如果沒有激光，你就無法讀到這些文字。

盡管大多數(shù)時候，激光處于人們的視線之外，它卻是信息經(jīng)濟的支柱。作為光纖電纜中的光，激光使互聯(lián)網(wǎng)成為可能；激光從CD、DVD中讀寫數(shù)據(jù)；激光幫助飛機導航，與衛(wèi)星通話；甚至書籍也不能幸免：大多數(shù)書籍都是激光打印的。

激光的起源可以追溯到1917年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)“受激輻射”的時候。受激輻射是指，一個處于高能量激發(fā)態(tài)的原子，與一個具有特定能量的光子相互作用，發(fā)射出與入射光子完全相同的一個光子，并躍遷到較低能量狀態(tài)的過程。

從受激輻射理論發(fā)展到“受激輻射的光放大”，也就是激光（LASER），經(jīng)過了幾十年的時間。在這個過程中，數(shù)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(lǐng)域的曙光。

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，玻色出生于印度加爾各答，他是一個神童，在大學里學習數(shù)學，并最終獲得碩士學位。

然而，與大多數(shù)改變世界的科學家不同，他沒有繼續(xù)攻讀博士學位。相反，他開始自學物理。他借來關(guān)于當時最新理論的教科書，但是這些書都是用德語寫的，于是他又自學德語，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(lǐng)域。1900年，德國科學家馬克斯·普朗克發(fā)現(xiàn)，電磁能量只能以離散的形式被發(fā)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(fā)現(xiàn)有一些不那么令人滿意的地方。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(shù)據(jù)符合。包括愛因斯坦在內(nèi)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(jīng)讓那個時代眾多最優(yōu)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(guān)鍵問題是引入一種全新的統(tǒng)計。在通常的統(tǒng)計學中，如果拋擲兩枚硬幣，對于正面朝上還是反面朝上，會出現(xiàn)四種可能的結(jié)果：正-正，正-反，反-正，反-反。出現(xiàn)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(qū)分一個光子和另一個光子，因此對于全同的光子而言，“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，那么，拋擲兩枚硬幣出現(xiàn)正面朝上的概率將會是1/3.

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

無論對于物理學家還是數(shù)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(shù)學家）的新統(tǒng)計學是有效的。

他寫了一篇關(guān)于這個問題的論文，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。

這是1924年，愛因斯坦已經(jīng)功成名就，他的信件如潮水般涌來。盡管如此，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，并安排將它發(fā)表在這個領(lǐng)域最好的期刊之一——“Zeitschrift für Physik”（《物理學期刊》）上面，并寫道：“在我看來，這是向前邁出的重要一步?！?/p>

玻色的發(fā)現(xiàn)是如此重要，以至于愛因斯坦開始寫一系列論文，研究他稱之為“玻色統(tǒng)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(tǒng)計”。

那些遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的粒子，也就是能夠占據(jù)同一量子態(tài)、無法分辨出“正-反”和“反-正”的粒子，如今都被稱為玻色子（boson）。結(jié)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涌的大?！煌庾拥牧孔硬ㄏ嗷ブ丿B、碰撞，并部分抵消。然而，對于一束激光，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(xiàn)象就是所謂的相干性（coherence）。相干性使得激光能夠產(chǎn)生強大的沖擊力，在信息傳輸中發(fā)揮巨大作用。

○激光的原理。（1）原子有一系列分立的能級，激發(fā)態(tài)原子躍遷到較高能級；（2）特定頻率的光子和激發(fā)態(tài)原子相互作用；（3）激發(fā)態(tài)的原子躍遷到較低的能量狀態(tài)，并發(fā)射出與入射光子完全相同的一個光子；（4）激光中的激發(fā)態(tài)原子被置于兩面鏡子之間，因為鏡子的反射作用，之前發(fā)射的光子會導致“受激輻射”連續(xù)不斷地發(fā)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，并且指向同一個方向。| 圖片來源：Jubobroff

相干性之所以可能實現(xiàn)，是因為許多光子可以同時占據(jù)一個量子態(tài)。沒有玻色出色的洞察力和強大的新統(tǒng)計工具，物理學家就無法理解這一點，更不用說利用這一現(xiàn)象來創(chuàng)造新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟了。

至于玻色本人，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，他并不單單專注于物理學：他還研究礦物學、化學、地質(zhì)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(jīng)能夠流利地說法語了。

當其他印度科學家問他，為什么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?！?/p>

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?shù)依耍≒aul Dirac）在印度拜訪玻色時，狄拉克抱怨在一輛已經(jīng)很擁擠的車上，還要再帶上幾個玻色的學生，玻色笑道：“哦，Paul，在這里，我們相信玻色統(tǒng)計！”

1974年，玻色去世。

2012年，科學家發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)者彼得·希格斯（Peter Higgs）。然而在印度，人們還寫了關(guān)于薩蒂揚德拉·納斯·玻色的文章，當他們寫到關(guān)于希格斯玻色子的時候，他們使用了字母“B”。

原文標題：一位自學成才的物理學家，解決了難倒愛因斯坦的問題

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責任編輯：haq