S.N.Bose的那篇英文稿件《 Planck´s law and the hyperthesis of light quanta》曾经投寄给好几家杂志,结果无一例外,全给退了回来。原因是S.N.Bose在文中提出了Maxwell–Boltzmann 统计对于微观粒子是不成立的。这是因为W.Heisenberg的测不准原理导致的变故足以影响分布结果。所以他在文中强调在每个基元体积为Planck常数h的3次方的位相空间中发现粒子的概率,而完全抛弃了通常考虑的处于不同位置和动量对于粒子产生的影响。这种情况可以用投掷2枚硬币的例子来说明。投掷的结果不外乎4种可能性:(硬币1正+硬币2正);(硬币1正+硬币2反);(硬币1反+硬币2正);(硬币1反+硬币2反),因此每一种情况出现的概率为1/4。假设这2枚硬币完全无法区别的话,那么投掷的结果只有3种可能:2枚硬币都为正;2枚硬币都为反;1枚硬币为正另1枚硬币为反。因此每一种情况出现的概率为1/3。根据S.N.Bose的观点,这些粒子完全无法识别!也就是说投掷2枚硬币的概率是1/3。各家杂志的审稿人均认为该文犯了个十分低级的错误,是以S.N.Bose遭到不断退稿的命运。唯有A.Einstein慧眼识英雄,一下子看出这个“错误”正是这篇文章具有不同凡响之处,所以大力推荐。
真实的情况,我在前面已经介绍过,A.Einstein把S.N.Bose的那篇论文译成德文,署上S.N.Bose一个人的姓名,再附上自己的推荐发表在德国物理学会刊上。随即A.Einstein将S.N.Bose论文中关于光子是严格等同的假设引入量子力学相干态的概念中,又把Bose表示式延伸到物质粒子(bosons,波色子),预测了当温度充分低时,它们会发生凝聚。他把这些内容写成《Quantentheorie des einatomigen idealen Gases》(单原子理想气体的量子理论)一文,发表在Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften, Physikalisch-mathematische Klasse, 1924, 261–267(普鲁士科学院会议报告集,物理数学类)上。后人遂把这种统计结果称之为Bose-Einstein统计。
这个结果表示处于第i能级的粒子数Ni可以用一个分式来估算:分母具有[exp(x)-1]的形式,式中的x是(处于第i状态的能量Ei减去化学势)除以(Boltzmann常数与绝对温标乘积) ;分子则是第i状态的简并(the degeneracy of the state i ) Gi。
下面我简单介绍一下,S.N.Bose是如何推导出这个统计结果的。