杰出的物理学家（第五部分）

之前，我们推出了“杰出的物理学家”系列博客文章，重点介绍一些帮助推动了科学和工程学知识进步的杰出物理学家（请参见第一部分, 第二部分, 第三部分和第四部分）。今天，在第五部分中，我们将聚焦三位著名人物。

Satyendra Nath Bose（1894年 – 1974年）

Bose出生于印度加尔各答[Kolkata]，就读于加尔各答大学（University of Calcutta）。100多年来，他在该大学创下的理学硕士考试最高分记录从未被超越过。他与同学Meghnad Saha（后来成为著名的天体物理学家）合作，于1919年出版了自己的第一本书。他会讲五种语言，这使他能够自己将有关爱因斯坦相对论的原始论文翻译为德语和法语版本，然后在此基础上撰写出了这本书。

Bose是达卡大学（University of Dhaka）的一名讲师，他撰写了一篇论文。在该论文中，他在没有参考经典物理学的情况下推导出了普朗克（Planck）的量子辐射定律。相反，他使用了一种新颖的方法计算具有相同粒子的原子状态。该论文最初并未被接受发表。然后，他直接将其寄给了爱因斯坦。爱因斯坦将其翻译成德语，并代表Bose将其提交给了一家著名的德国物理学期刊。

在该论文成功发表后，他获得了认可，并继续与居里夫人、爱因斯坦及其他著名科学家合作。1924年，在爱因斯坦的帮助下，他发表了另一篇论文（也是德语版），名为《普朗克定律及光量子假说》。在这篇论文中，他假定麦克斯韦-玻尔兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布理论不适用于微观粒子，这一观点确立了关于粒子不可分辨性的一种全新革命性哲学概念，这是量子统计学的基础。

爱因斯坦采纳了这一观点，并将其应用扩展到原子，预测了后来被称为“玻色—爱因斯坦凝聚态”现象的存在，即一种密集的玻色子集合。1995年进行的一项实验证实了这种现象的存在。当低密度玻色子被冷却到接近绝对零度的温度时，就会形成凝聚态，并合并成物质的第五种状态，¹ 其中，样本中的所有原子都占据相同的波形。

上面的图表显示“在将原子云冷却到越来越低的温度（从左到右），直至接近绝对零度温度的过程中，它的密度不断发生变化。在后面的图表中出现了一个尖峰，证实了玻色-爱因斯坦凝聚态的形成——即物质的第五种状态——在这里，当温度为130纳开氏度，或者比绝对零度温度高不到1开氏度时，就会出现这种现象。”²（图片：Jet Propulsion实验室）

Bose受到印度政府的表彰，并担任印度物理学会会长。他还成为了伦敦皇家物理学会会员。虽然诺贝尔奖委员会针对与玻色子、玻色-爱因斯坦统计学和玻色-爱因斯坦凝聚态概念相关的研究先后授予了七项不同的诺贝尔奖，但Bose本人从未获得过诺贝尔奖。但据报道，他曾表示“我得到了我应得的所有认可”³。事实上，他的名字一直存在于人们对这些概念的科学讨论中。

Émilie du Châtelet（1706年 – 1749年）

这位物理学家本名为Gabrielle Émilie Le Tonnelier，出生于法国一个高等级贵族家庭。在路易十五加冕为国王那年，她在凡尔赛宫举办的社交活动中首次亮相。19岁时，在家族的安排下，她嫁给了Châtelet-Lomont侯爵，一位比她年长10岁的军队指挥官，成为了Châtelet侯爵夫人。

在女性不被大学或大多数知识分子或科学界接受的时代，尽管拥有贵族身份地位，但Châtelet仍凭借自己的努力在自然哲学、数学和物理学领域留下了自己的印记，并在开启启蒙时代发挥了重要作用。

她的父亲是法国科学院秘书。当她还是个小女孩的时候，她的父亲发现了她的聪明才智和独特兴趣，于是安排她接受天文学辅导。她还精通拉丁语、意大利语、希腊语和德语。然而，当她成年后，直到与丈夫生了三个孩子之后，她才得以重新开始学习，热切地补习代数和微积分知识。在一次事件中，她试图在巴黎的Gradot咖啡馆与她的老师见面。该咖啡馆以科学家和知识分子们的聚集地而闻名。然而，她很快就被驱逐了，因为这家咖啡馆仅对男性开放。在换了一套男装伪装自己的身份后，她又回到了咖啡馆。

1733年，她开始与伏尔泰建立一段浪漫的关系，这也是一种长期的知识合作伙伴关系。在她的乡村城堡里，他们建立了一个实验室，她得以继续从事物理学和数学方面的工作。她发表了多篇科学论文，包括 光学论文 (，业界一直认为该论文已经丢失，直到2007年在瑞士巴塞尔（Basel）的伯努利（Bernoulli）档案馆发现一份副本。

1740年，她出版了《物理学基础》（Institutions de Physique）。在该著作中，她讨论了笛卡尔、牛顿和莱布尼茨的概念、哲学和数学以及物理学领域的新思想。该著作获得了广泛阅读，并以多种语言出版，这促使她进入了博洛尼亚研究所（Institute of Bologna）下属的科学院。

她翻译（并评论）了前辈学者的多部著作，包括曼德维尔的 蜜蜂寓言，并且在物理学领域最早表达了总能量（不同于动量）和动能守恒概念。她在生前就广为人知，与伯努利（Bernoulli）和欧拉（Euler）等领军人物具有同等地位。她的许多思想后来被纳入狄德罗（Diderot）和达朗贝尔（D’Alembert）的科学百科全书 (Encyclopédie ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers，1765年）。

如今，她最为人所知的是将牛顿的开创性论文原理完整翻译成法语。该翻译版本至今仍在使用。1749年，在生下第四个孩子后，她因产后并发症而不幸去世。

Augustin-Jean Fresnel（1788年 – 1827年）

菲涅尔（Fresnel）在法国大革命时期出生于诺曼底，父亲是一名建筑师。他接受了工程学训练，并获得了首个专业职位，成为桥梁和道路兵团（Corps des Ponts et Chaussées，在法国相当于美国陆军工程兵团）的一员，并在那里度过了他职业生涯的大部分时间。

后来，他对光学和光的性质产生了兴趣，并于1814年开始研究光的衍射、偏振和波动理论，这与英国科学家Thomas Young的研究是平行的，后者提出，波动理论解释了他在1804年的双缝干涉实验中观察到的光干涉模式。菲涅耳从荷兰科学家Christiaan Huygen对衍射的数学描述着手研究。Huygen提出的原理指出，波阵面上的每一点都可以看作是球面小波的次要源。⁴ 

波动理论与艾萨克·牛顿爵士对光的粒子解释相矛盾。1819年，菲涅尔将他的衍射研究成果提交给法国科学院举办的一场竞赛。尽管持怀疑态度，但该委员会仍进行了一项实验来测试菲涅尔的波动理论证据，最终认为该理论是合理的，并向菲涅尔授予了奖项。然而，波动理论并没有对光的偏振行为提供充分的解释，因此菲涅尔继续进行研究，后来发现了光并非纵波而是横波的证据。

他继续在一个委员会工作，以改进法国灯塔，这促进他使用玻璃和透镜进行实验。1824年，他设计了一种带有多个棱镜环的装置，其可以从单个光源产生多个旋转光束。该装置同时利用反射和折射以及一个更陡峭的入射角，用于从水平方向聚焦更多的光线，以增加光线强度。这种设计被称为折反射系统，也被称为菲涅耳透镜。

世界各地的许多灯塔目前仍然使用菲涅耳透镜。

如今，菲涅尔透镜仍然广泛用于光准直、光收集和光放大应用。现代菲涅尔透镜“由蚀刻在塑料上的一系列同心凹槽组成。薄而轻巧的结构、各种小尺寸和大尺寸选项以及出色的聚光能力使这种透镜在广泛的应用中都非常有用。菲涅耳透镜最常用于聚光应用，比如聚光系统或发射器/检测器设置，此外还可以用作照明系统中的放大镜或投影透镜以及图像制作” 。⁵ 

举例来说，我们可以在一些AR/VR设备、投影电视和摄像头中找到菲涅耳透镜。此外，菲涅耳透镜还用于将阳光集中到太阳能电池上，将辐射功率放大500倍。

Maria Goeppert-Mayer（1906年 – 1972年）

她出生在德国，原名Maria Goeppert，曾就读于哥廷根大学（University of Gottingen），撰写了有关原子可能的双光子吸收理论的博士论文。后来，激光技术的发展使她的理论得到了验证。如今，双光子吸收截面的测量单位被命名为戈珀特迈耶（GM）单位。

1930年，她嫁给了美国人Joseph Edward Meyer，并移居美国。她的丈夫是洛克菲勒研究院的一名研究员，同时也是约翰·霍普金斯大学的一位副教授。该大学制定的裙带关系规定导致她无法成为那里的教员，但她仍在约翰霍普金斯大学担任一名职员。1935年，她在那里撰写并发表了一篇关于双β衰变的论文，该论文具有里程碑意义。

1939年，她和丈夫Mayer去了哥伦比亚大学。在那里，她在Harold Urey领导的替代合金材料（SAM）实验室工作。她为“不透明性项目（Opacity Project）”作出了贡献，该项目致力于分离铀的同位素。1941年，她加入了曼哈顿计划，与Edward Teller在洛斯阿拉莫斯国家实验室共同研发原子弹。

二战后，她与Teller和Enrico Fermi一起成为了芝加哥大学的物理学副教授和阿贡国家实验室的高级物理学家。尽管她曾抗议道，“我对核物理学一无所知”，但她仍成功对阿伯丁试验场的ENIAC系统进行了编程，使其能够使用蒙特卡罗方法解决液态金属冷却反应堆的临界问题。⁶

1950年，她发表了一篇关于其开发的新数学模型的论文，该模型用于表征原子核壳层结构。她的模型解释了含有一定数量核子的原子核特别稳定的原因。这些数字（2、8、20、28、50、82和126）被称为“幻数”。 后来，她继续与研究同一主题的德国科学家Hans Jensen合作，他们合著了一本书，名为《原子核壳层结构基本理论》。1963年，她因这项工作与其他物理学家共同获得了诺贝尔物理学奖——这是历史上第二位（继居里夫人之后）获得诺贝尔奖的女性。

原子核壳层模型。（图片：来源）

在职业生涯的最后阶段，她在加利福尼亚大学圣地亚哥分校任教，并当选为美国科学院院士。

 

引用文献

1. “Bose-Einstein Condensate Graph.” Jet Propulsion Laboratory, July 27, 2018
2. Ibid.
3. Alikhan, A., "The Spark in a Crowded Field." Outlook India, July 16, 2012. 
4. “Augustin-Jean Fresnel.” Britannica. (Retrieved January 31, 2022)
5. “Advantages of Fresnel Lenses.” Edmond Optics. (Retrieved January 13, 2022)
6. Sachs, R., Maria Goeppert Mayer 1906–1972: A Biographical Memoir (PDF). Biographical Memoirs. National Academy of Sciences, 1979.