物理史話-玻爾

1、尼爾斯亨利克戴維玻爾物理師范22110725范永新目錄 1、人物生平 2、量子力學(xué) 3、學(xué)派 4、爭論 5、二戰(zhàn)前后 6、杰出貢獻 7、運動員人物生平 學(xué)生時代 1885年10月7日，玻爾生于哥本哈根，父親克里斯丁玻爾是哥本哈根大學(xué)的生理學(xué)教授，母親出身于一個富有的猶太人家庭，從小受到良好的家庭教育，并愛好足球，曾經(jīng)和弟弟哈那德玻爾共同參加職業(yè)足球比賽。1903年玻爾進入哥本哈根大學(xué)學(xué)習(xí)物理，1911年獲博士學(xué)位。人物生平學(xué)生時代這是玻爾所在班級在1901年在哥本哈根“舊港學(xué)?！敝信臄z的。這張照片顯示了一些人的童年形象那些人后來成了丹麥名族的先鋒而且也對尼爾斯影響頗大。在20個男孩和5位教師中

2、，他是唯一一個面帶微笑的人。他帶著開朗而機敏的笑容坐在那兒，而他那有信心的微笑就使他顯得是（這并不是時候的印象）班上的團結(jié)中心，而事實上他也是的。這就是那些回憶當(dāng)年的人們對他異口同聲的描述。日后成為尼爾斯玻爾之特征的就是，在他一生的每一階段，他都交了一些新的和長久的朋友，這種情況甚至從他的童年時期就開始了。人物生平青年時代玻爾18歲進入哥本哈根大學(xué)，很快就成了哥本哈根大學(xué)足球俱樂部的明星守門員，他習(xí)慣在足球場上一邊心不在焉地守著球門，一邊用粉筆在門框上排演著公式。玻爾后來進入科研機構(gòu)，專心于原子物理研究，但他仍不忘心愛的足球，業(yè)余時間常把踢足球當(dāng)做休息,成為一名不折不扣的“科學(xué)家球星”。不過他

3、也有分神的時候，據(jù)丹麥AB隊史料記載，在一場AB隊與德國特維達隊的比賽中，德國人外圍遠射，尼爾斯玻爾卻在門柱旁邊思考一道數(shù)學(xué)難題。1903年，進入哥本哈根大學(xué)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)系，主修物理學(xué)。1907年，玻爾以有關(guān)水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學(xué)文學(xué)院的金質(zhì)獎?wù)?，并先后?909年和1911年分別以關(guān)于金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學(xué)的科學(xué)碩士和哲學(xué)博士學(xué)位。隨后去英國學(xué)習(xí)，先在劍橋JJ湯姆孫主持的卡文迪什實驗室，幾個月后轉(zhuǎn)赴曼徹斯特，參加了以E盧瑟福為首的科學(xué)集體，從此和盧瑟福建立了長期的密切關(guān)系。人物生平青年時代1912年，玻爾考察了金屬中的電子運動，并明確意識到經(jīng)典理論在闡明微觀現(xiàn)象方面的

4、嚴(yán)重缺陷，贊賞普朗克和愛因斯坦在電磁理論方面引入的量子學(xué)說。創(chuàng)造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結(jié)合了起來。1913年初，玻爾任曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)助教時，在朋友的建議下，開始研究原子結(jié)構(gòu)，通過對光譜學(xué)資料的考察，寫出了論原子構(gòu)造和分子構(gòu)造的長篇論著，提出了量子不連續(xù)性，成功地解釋了氫原子和類氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。1916年任哥本哈根大學(xué)物理學(xué)教授，1917年當(dāng)選為丹麥皇家科學(xué)院院士。人物生平輝煌時代1920年創(chuàng)建哥本哈根理論物理研究所，任所長。他在此后的四十年，一直擔(dān)任這一職務(wù)。1921年，玻爾發(fā)表了各元素的原子結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的長篇演講，闡述了光譜和原子結(jié)構(gòu)理論的新發(fā)展，詮釋

5、了元素周期表的形成，對周期表中從氫開始的各種元素的原子結(jié)構(gòu)作了說明，同時對周期表上的第72號元素的性質(zhì)作了預(yù)言；1922年，第72號元素鉿的發(fā)現(xiàn)證明了玻爾的理論，玻爾由于對于原子結(jié)構(gòu)理論的貢獻獲得諾貝爾物理學(xué)獎。他所在的理論物理研究所也在二三十年代成為物理學(xué)研究的中心。1923年，玻爾接受英國曼徹斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)名譽博士學(xué)位。1930年代中期，研究發(fā)現(xiàn)了許多中子誘發(fā)的核反應(yīng)。玻爾提出了原子核的液滴模型，很好地解釋了重核的裂變。人物生平輝煌時代1937年5、6月間，玻爾曾經(jīng)到過中國訪問和講學(xué)。期間，玻爾和束星北等中國學(xué)者有過深度學(xué)術(shù)交流，玻爾稱束星北是愛因斯坦一樣的大師。束星北的文章引力與電磁

6、合論、愛因斯坦引力理論的非靜力場解是相對論早期的重要論述。1939年，玻爾任丹麥皇家科學(xué)院院長。第二次世界大戰(zhàn)開始，丹麥被德國法西斯占領(lǐng)。1943年玻爾為躲避納粹的迫害，逃往瑞典。1944年，玻爾在美國參加了和原子彈有關(guān)的理論研究。1947年，丹麥政府為了表彰玻爾的功績，封他為“騎象勛爵”。1952年，玻爾倡議建立歐洲原子核研究中心(CERN)，并且自任主席。1955年，玻爾參加創(chuàng)建北歐理論原子物理學(xué)研究所，擔(dān)任管委會主任。同年丹麥成立原子能委員會，玻爾被任命為主席。1962年11月18日，玻爾因心臟病突發(fā)在丹麥的卡爾斯堡寓所逝世，享年77歲。1965年玻爾去世三周年時，哥本哈根大學(xué)物理研究所

7、被命名為尼爾斯玻爾研究所。1997年IUPAC正式通過將第107號元素命名為Bohrium,以紀(jì)念玻爾。其子奧格尼爾斯玻爾也是物理學(xué)家，于1975年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。人物生平研究所的早起成員20年代的研究所外貌量子力學(xué) 玻爾從1905年開始他的科學(xué)生涯，一生從事科學(xué)研究，整整達57年之久。他的研究工作開始于原子結(jié)構(gòu)未知的年代，結(jié)束于原子科學(xué)已趨成熟，原子核物理已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的時代。他對原子科學(xué)的貢獻使他無疑地成了20世紀(jì)上半葉與愛因斯坦并駕齊驅(qū)的、最偉大的物理學(xué)家之一。量子力學(xué)原子結(jié)構(gòu)理論模型 在1913年發(fā)表的長篇論文論原子構(gòu)造和分子構(gòu)造中認(rèn)為氫原子的原子核是一個質(zhì)子，原子核帶正電，原子

8、核外有一個電子，帶負電，它們之間的相互作用主要是庫侖力的吸引。電子環(huán)繞原子核運動時，只有滿足一個條件時，運動才是穩(wěn)定的。這個條件被稱為量子化條件，量子化條件要求電子繞核運動的角動量不能取任意值，只能取約化普朗克常數(shù)的整數(shù)倍。這表明穩(wěn)態(tài)氫原子的能量可取值也不能連續(xù)變化，而只能取某些分立的值。按照這個理論模型，穩(wěn)態(tài)氫原子的能量是負的，并且與主量子數(shù)（principal quantum number）的平方成反比。當(dāng)氫原子從能量較高的狀態(tài)變回能量相對更低的狀態(tài)時，多余的能量就要以電磁輻射的形式放出，表現(xiàn)為有確定能量的光量子，形成巴耳末系。量子力學(xué)原子結(jié)構(gòu)理論模型 玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型為一個“半經(jīng)典物理

9、學(xué)”的原子結(jié)構(gòu)理論模型，這個模型很好地解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)問題，而且可以精確地導(dǎo)出普遍描述氫原子光譜的里伯德公式v=R(n-2)-(n-2)其中v為頻率。n、n為兩個不同的主量子數(shù)。玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型還存在著一定的缺陷，但它是原子結(jié)構(gòu)上里程碑式的認(rèn)識，極大地啟發(fā)了海森堡、薛定諤、玻恩等人，為現(xiàn)代量子力學(xué)的結(jié)構(gòu)模型奠定了基礎(chǔ)。量子力學(xué)互補原理 1928年玻爾首次提出了互補性觀點，試圖回答當(dāng)時關(guān)于物理學(xué)研究和一些哲學(xué)問題。其基本思想是，任何事物都有許多不同的側(cè)面，對于同一研究對象，一方面承認(rèn)了它的一些側(cè)面就不得不放棄其另一些側(cè)面，在這種意義上它們是“互斥”的；另一方面，那些另一些側(cè)面卻又不可完全廢除

10、的，因為在適當(dāng)?shù)臈l件下，人們還必須用到它們，在這種意義上說二者又是“互補”的。 玻爾認(rèn)為他的互補原理是一條無限廣闊的哲學(xué)原理。在他看來，為了容納和排比“我們的經(jīng)驗”，因果性概念已經(jīng)不敷應(yīng)用了，必須用互補性概念這一“更加寬廣的思維構(gòu)架”來代替它。因此他說，互補性是因果性的“合理推廣”。尤其是在他的晚年，他用這種觀點論述了物理科學(xué)、生物科學(xué)、社會科學(xué)和哲學(xué)中的無數(shù)問題，對西方學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了相當(dāng)重要的影響。 玻爾的互補哲學(xué)受到了許許多多有影響的學(xué)者們的擁護，但也受到另一些同樣有影響的學(xué)者們的反對。圍繞著這樣一些問題，爆發(fā)了歷史上很少有先例的學(xué)術(shù)大論戰(zhàn)，這場論戰(zhàn)已經(jīng)進行了好幾十年，至今并無最后的結(jié)論，而

11、且看來離結(jié)束還很遙遠。原子核量子力學(xué)原子核 作為盧瑟福的學(xué)生，玻爾除了研究原子物理學(xué)和有關(guān)量子力學(xué)的哲學(xué)問題以外，對原子核問題也是一直很關(guān)心的。從20世紀(jì)30年代開始，他的研究所花在原子核物理學(xué)方面的力量更大了。他在30年代中期提出了核的液滴模型，認(rèn)為核中的粒子有點像液滴中的分子，它們的能量服從某種統(tǒng)計分布規(guī)律，粒子在“表面”附近的運動導(dǎo)致“表面張力”的出現(xiàn)，如此等等。這種模型能夠解釋某些實驗事實，是歷史上第一種相對正確的核模型。在這樣的基礎(chǔ)上，他又于1936年提出了復(fù)合核的概念，認(rèn)為低能中子在進入原子核內(nèi)以后將和許多核子發(fā)生相互作用而使它們被激發(fā)，結(jié)果就導(dǎo)致核的蛻變。這種頗為簡單的關(guān)于核反應(yīng)

12、機制的圖像至今也還有它的用處。 當(dāng)L邁特納和OR弗里施根據(jù)O哈恩等人的實驗提出了重核裂變的想法時，玻爾等人立即理解了這種想法并對裂變過程進行了更詳細的研究，玻爾并且預(yù)言了由慢中子引起裂變的是鈾-235而不是鈾-238。他和JA惠勒于1939年在物理評論上發(fā)表的論文，被認(rèn)為是這一期間核物理學(xué)方面的重要成就。眾所周知，這方面的研究導(dǎo)致了核能的大規(guī)模釋放。學(xué)派哥本哈根學(xué)派 1921年，在玻爾的倡議下成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所。玻爾領(lǐng)導(dǎo)這一研究所先后達40年之久。這一研究所培養(yǎng)了大量的杰出物理學(xué)家，在量子力學(xué)的興起時期曾經(jīng)成為全世界最重要、最活躍的學(xué)術(shù)中心，而且至今仍有很高的國際地位。 玻爾是

13、量子力學(xué)中著名的哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖，他以自己的崇高威望在他周圍吸引了國內(nèi)外一大批杰出的物理學(xué)家，創(chuàng)建了哥本哈根學(xué)派。他們不僅創(chuàng)建了量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論，并給予合理的解釋，使量子力學(xué)得到許多新應(yīng)用，如原子輻射、化學(xué)鍵、晶體結(jié)構(gòu)、金屬態(tài)等。更難能可貴的是，玻爾與他的同事在創(chuàng)建與發(fā)展科學(xué)的同時，還創(chuàng)造了“哥本哈根精神”這是一種獨特的、濃厚的、平等自由地討論和相互緊密地合作的學(xué)術(shù)氣氛。直到今天，很多人還說“哥本哈根精神”在國際物理學(xué)界是獨一無二的。曾經(jīng)有人問玻爾：“你是怎么把那么多有才華的青年人團結(jié)在身邊的？”他回答說：“因為我不怕在年青人面前承認(rèn)自己知識的不足，不怕承認(rèn)自己是傻瓜。”實際上，人們對原子

14、物理的理解，即對所謂原子系統(tǒng)量子理論的理解，始于本世紀(jì)初，完成于20年代，然而“從開始到結(jié)束，玻爾那種充滿著高度創(chuàng)造性，銳敏和帶有批判性的精神，始終指引著他的事業(yè)的方向，使之深入，直到最后完成。”爭論 愛因斯坦與玻爾圍繞關(guān)于量子力學(xué)理論基礎(chǔ)的解釋問題，開展了長期而劇烈的爭論，但他們始終是一對相互尊敬的好朋友。玻爾高度評價這種爭論，認(rèn)為它是自己“許多新思想產(chǎn)生的源泉”，而愛因斯坦則高度稱贊玻爾：“作為一位科學(xué)思想家，玻爾所以有這么驚人的吸引力，在于他具有大膽和謹(jǐn)慎這兩種品質(zhì)的難得融合；很少有誰對隱秘的事物具有這一種直覺的理解力，同時又兼有這樣強有力的批判能力。他不但具有關(guān)于細節(jié)的全部知識，而且還

15、始終堅定地注視著基本原理。他無疑是我們時代科學(xué)領(lǐng)域中最偉大的發(fā)現(xiàn)者之一?！闭搼?zhàn)的第一階段：1927年科漠會議，玻爾提出“互補原理”，對量子力學(xué)第一次作了互補解釋，玻爾是這樣認(rèn)為的：量子力學(xué)理論是一種以能量為動量的統(tǒng)計守恒為基礎(chǔ)的純幾率觀點，量子力學(xué)的規(guī)律具有統(tǒng)計性質(zhì)。并且，他主張在量子物理中應(yīng)當(dāng)拋棄因果性和決定論的概念，而代之以互補原理。1927年10月，第五次索爾維國際物理學(xué)討論會在布魯塞爾召開，愛因斯坦在會上發(fā)言，第一次在公開場合下對量子力學(xué)的發(fā)展表示不滿。他反對拋棄嚴(yán)格的因果性和決定論的概念，堅持基本理論不應(yīng)當(dāng)是統(tǒng)計性的，他認(rèn)為在幾率解釋的后面應(yīng)當(dāng)有更深一層的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)能夠揭示微觀世界的

16、因果性聯(lián)系，所以他在會議上支持德布羅意的導(dǎo)波理論。為了揭露量子力學(xué)理論的邏輯矛盾性，從而否定測不準(zhǔn)關(guān)系，愛因斯坦還精心設(shè)計了一系列的理想實驗，企圖駁倒玻爾，玻爾據(jù)理力爭，一次次巧妙地擺脫了困境。例如，愛因斯坦設(shè)計了一個可以稱重量，且有可控快門的光箱子實驗，并以此來否證能量對時間的測不準(zhǔn)關(guān)系。而對這嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，玻爾經(jīng)過一個不眠之夜的緊張思考，終于喜出望外地發(fā)現(xiàn)?？梢浴耙云淙酥肋€治其人之身”的辦法回擊愛因斯坦，即利用愛因斯坦廣義相對論中時鐘速率與引力勢的關(guān)系，駁倒了愛因斯坦的挑戰(zhàn)。因此，愛因斯坦不得不承認(rèn)量子力學(xué)的邏輯一貫性。論戰(zhàn)的第二階段：當(dāng)愛因斯坦試圖從邏輯上反駁哥本哈根學(xué)派遭受挫折后，便放

17、棄了這方面的努力，轉(zhuǎn)而集中于批評量子力學(xué)理論的不完備性。1931年2月26日，愛因斯坦等三人合作發(fā)表了量子力學(xué)中過去和未來的知識的文章，認(rèn)為測不準(zhǔn)關(guān)系式并不能提供量子力學(xué)的過去的確定知識。從而拉開了進一步的論戰(zhàn)。1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森一起發(fā)表了題為能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實在的描述是完備的嗎？一文，提出了著名的以他們?nèi)诵彰^一個字母命名的EPR悖論，使這場論戰(zhàn)再次出現(xiàn)了高峰。文章首先提出了理論的完備性和實在性的定義，并建立了一種“菲此即彼”的抉擇關(guān)系，即量子力學(xué)理論如果是完備的，則不可對易算子所表征的物理量不同時為實在；或者相反，如果理論是不完備的，則物理量同時為實在。其次，文章

18、證明，如果波函數(shù)所提供的描述是完備的，那么所涉及的不可對易量必定是實在的。而根據(jù)前面所建立的“非此即彼”抉擇關(guān)系，不難看出，其唯一可能的結(jié)論是波函數(shù)所提供的描述為不完備的。愛因斯坦等人通過對兩個相干系統(tǒng)的分析，做到了不僅是完成了邏輯上的詰難，而且還具體地構(gòu)造了一個滿足“排除了干擾的測量”的要求的體系，用以說明量子力學(xué)對物理實在的描述是不完備的。這稱之為“EPR悖論”。友誼 玻爾和愛因斯坦是在1920年相識的。那一年，年輕的玻爾第一次到柏林講學(xué)，和愛因斯坦結(jié)下了長達35年的友誼。但也就是在他們初次見面之后，兩人即在認(rèn)識上發(fā)生分歧，隨之展開了終身論戰(zhàn)。他們只要見面，就會唇槍舌劍，辯論不已。1946

19、年，玻爾為紀(jì)念愛因斯坦70壽辰文集撰寫文章。當(dāng)文集出版時，愛因斯坦則在文集末尾撰寫了長篇答詞，尖銳反駁玻爾等人的觀點。他們的論戰(zhàn)長達30年之久，直至愛因斯坦去世。但是，長期論戰(zhàn)絲毫不影響他們深厚的情誼，他們一直互相關(guān)心，互相尊重。愛因斯坦本來早該獲得諾貝爾獎，但由于當(dāng)時有不少人對相對論持有偏見，直到1922年秋才回避相對論的爭論，授予他上年度諾貝爾物理獎，并決定把本年度的諾貝爾物理獎授予玻爾。這兩項決定破例同時發(fā)表。愛因斯坦當(dāng)時正赴日本，在途經(jīng)上海時接到了授獎通知。而玻爾對愛因斯坦長期未能獲得諾貝爾獎深感不安，怕自己在愛因斯坦之前獲獎。因此，當(dāng)玻爾得知這一消息后非常高興。立即寫信給旅途中的愛因

20、斯坦。玻爾非常謙虛，他在信中表示，自己之所以能取得一些成績，是因為愛因斯坦作出了奠基性的貢獻。因此，愛因斯坦能在他之前獲得諾貝爾獎，他覺得這是“莫大的幸?！薄垡蛩固乖诮拥讲柕男藕?，當(dāng)即回了信。信中說：“我在日本啟程之前不久收到了您熱情的來信。我可以毫不夸張地說，它象諾貝爾獎一樣，使我感到快樂。您擔(dān)心在我之前獲得這項獎金。您的這種擔(dān)心我覺得特別可愛它顯示了玻爾的本色。”二戰(zhàn)前后與海森堡的關(guān)系 玻爾和維爾納海森堡有緊密的良師益友關(guān)系，直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。在1922年海森堡在格丁根的一次演講中，玻爾就注意到海森堡的才能。在1920年代中期，海森堡和玻爾在哥本哈根研究所一起工作。海森堡也像玻爾的大多數(shù)助手那樣學(xué)習(xí)丹麥語。海森堡的不確定性原理就是在這個時期誕生，玻爾的互補原理也是一樣。 到了第二次世界大戰(zhàn)時期，他們的關(guān)系變得緊張，主要原因是因為玻爾有一半猶太人血統(tǒng)，當(dāng)時丹麥被德軍占領(lǐng)。海森堡在德國當(dāng)上了德國發(fā)展核子科學(xué)的首領(lǐng)。1941年9月，海森堡做了一個著名的探訪，到丹