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第10章 玻尔与近代量子物理学的创立

第二次世界大战期间,德国法西斯占领丹麦后,很快把这个国家的一位著名物理学家捏在了他们的手里。这引起了美国总统罗斯福、英国首相丘吉尔的万分焦虑和不安。罗斯福下令谍报机关不惜一切代价把这位物理学家从德国人的手里夺过来。丘吉尔更是亲自部署谋取这位物理学家的秘密行动。1943年10月的一个夜晚,一架没有任何标记的蚊式双引擎飞机把这位物理学家载到了英国北部爱丁堡附近的一个空旷的机场上。他,就是蜚声全球的理论物理学家,近代量子物理学的创始人之一——玻尔。他把经典力学同量子理论结合起来,描述了电子的轨道运动,从而引起了原子理论的革命,也因此获得1922年诺贝尔物理学奖。

玻尔于1885年10月7日出生在丹麦首都哥本哈根的一个富裕的知识分子家庭。这个家庭为他提供了文化教育的一切有利条件。少年时代的玻尔聪明伶俐,爱好广泛。玻尔还在读小学时,他的父亲就唤起了他对物理学的兴趣。上中学时,玻尔的学习成绩开始超过了他的同班同学。

1903年,玻尔顺利地进入哥本哈根大学。在大学里他得到了一位极有独到见解、造诣很深的物理学家克里斯琴森的指导。1905年,玻尔参加丹麦科学院举办的物理学竞赛,荣获了丹麦科学院颁发的金质奖章。

1911年,玻尔毕业于哥本哈根大学。这一年他发表了《金属电子论探讨》的博士论文,文中揭示出金属电子论在当时所遇到的困难,弥补了过去电动力学经典原理的缺陷。这时他在科学界已初露锋芒。

1912年春,玻尔来到曼彻斯特,进入物理学家卢瑟福的实验室。在卢瑟福的支持和帮助下,玻尔致力于原子理论的研究。当时,卢瑟福提出了原子的核式结构模型,可以解释。粒子通过物质时偶尔所禁受的很大偏折,但这个模型有许多缺陷。玻尔大胆地假设电子的轨道动量是量子化的,而辐射是量子从一个量子轨道跃迁到另一个轨道时发生的,经过大量的实验和严密的推导,他终于证实了这一假设。

1913年,他的原子研究又取得了重大成果。他以《原子和分子的结构》为题,接连发表了三篇论文。在论文中,他提出了两个著名假设,即定态假设与频率法则,从而奠定了这一方面的研究基础。玻尔的论文解释了25年来未能解释的氢原子光谱规律,进一步证明了用分光观察法研究最重要的电学常数是可能的。玻尔的理论还圆满地解释了元素的周期性,他把化学从定性的科学转化为定量的科学,使物理与化学这两门本来互不相关的学科,统一到同一基础上来。

1916午,玻尔在哥本哈根大学建立了理论物理研究所。1918年,玻尔提出量子理论和古典理论之间的对应原理。1922年,他领导的研究所发现了元素周期表上的第七十二号元素——铪。同年,玻尔获诺贝尔物理学奖。两年后,他又同另外两名科学家一起发表了《量子辐射论》的论文。

1927年,德国物理学家海森伯格发现了有名的测不准关系。这引起了玻尔极大的兴趣,他全力以赴,精心研究了测不准关系的全部含义,提出了这种关系的互补性。这种新型的逻辑关系,解决了把作用量子纳入物理学概念框架的问题。玻尔的这一发现,打开了科学领域又一新的局面。接着,玻尔连续进击,解决了把量子力学的数学方法推广到电动力学中去遇到的难题。

科学发展到30年代中期,核物理学成了热门。1936年,玻尔提出了核反应“液滴模型”。1938年至1939年间,玻尔赴美国同爱因斯坦合作,完成了解释原子核裂变现象和裂变碎片具有放射性的实验。不久,他又提示了铀的复杂现象,指出:只有质量数为235的这种稀有同位素才能由慢中子引起裂变;而质量数为238的半度同位素则不能。这种差别仅仅是由于两种同位素含的中子数不同。这一发现,直接提出了解释放出巨大核能的链式反应的可能性。

1912年,玻尔推导出一个新论点——同位素,可卢瑟福却断言他这种推导是错误的,并劝说他放弃这一论点。面对自己的长者和权威,玻尔没有让步,而是以更大的热情,大胆地在前人还没有认识的科学领域里探索。玻尔研究了大量材料,并结合自己的研究成果,对他的新论点给予精确的推论和阐释。很快,同位素论点被实践所证实。

玻尔曾经表示“决不承认”爱因斯坦关于光子的概念,即不承认辐射的空间特征也是量子化的。1925年,鲍吉关于X射线的散射实验直接证实了爱因斯坦关于光子概念的正确性,玻尔得知这一成果后,便毫不犹豫地放弃了自己的错误观点。

玻尔从不以长者和权威去压制他的同事与后辈的创造,而是满腔热情地去帮助他们。玻尔身边聚集着一大批国内外杰出的物理学家。大家各抒己见,畅所欲言。这种氛围被后人称之为“哥本哈根精神”。这是一种独特的、平等自由地讨论和相互紧密地合作的学术气氛。曾经有人问玻尔:“你是怎样把那么多有才华的青年团结在身边的?”玻尔回答说:“因为我不怕在年轻人面前承认自己知识的不足,不怕承认自己是傻瓜。”

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