探索原子不塌陷的奥秘——记诺贝尔物理学奖获

2019-01-17 20:58:47 围观 : 170
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探索原子不塌陷的奥秘——记诺贝尔物理学奖获得者尼尔斯•玻尔

  尼尔斯喜欢动手修理家中的钟表或其他东西。一次,家中一辆自行车的飞轮坏了,尼尔斯自告奋勇来修理,径自把车子拆了开来。怎么再把它装配上去呢?全家人都卷进来了,引发了一场大讨论。但是教授坚持说:“让儿子自己来吧,他知道该怎么干。”经过对每个部件的仔细研究,在全家人的帮助下,尼尔斯成功地把飞轮装配好了,而且车子行走得很正常。参加这场讨论的尼尔斯的表兄弟说:“这使大家都体会到一种胜利的喜悦。尼尔斯则学会了怎样使和他一道工作的一群人感到兴趣。” 这些科学精英在玻尔家聚会时,尼尔斯与弟弟海拉德得到允许坐在餐厅里旁听。他们被热烈的讨论气氛所熏陶,逐渐明白对严肃的课题要进行认真的考虑,而讨论乃是在寻求知识过程中澄清观念、统一认识的一种有效方法。常常是一个人讲个故事,或者议论些什么,引得大家哈哈大笑。精辟独到的见解在他们幼小的心灵留下了很深的烙印。小尼尔斯安安静静地坐在那里,心里充满了崇敬,把它们的话像空气那样吸了进去,成为他毕生遵循的科学方法的基础。聚会偶尔还有其他同事或外国人加入进来。孩子们看到这些客人,多少知道了一些生活在丹麦王国以外人们的外貌、习俗和陌生的语言,这些影响也在尼尔斯身上留下了痕迹。还有一些人,主要是些艺术家、作家和音乐家也来作客,因为玻尔一家非常好客。 最能激起尼尔斯强烈反响的是穆勒的一本看来似乎很简单的小册子——《一个丹麦学生的故事》。他从书中描写的那个试图区分难以理解的二元论概念,以使各种杂乱冲突的概念多少有点明晰起来,在具有恭省精神的学生身上,清楚地看到了自己的影子。 不过,玻尔一家人天性好动,生活里充满着欢乐。玻尔教授在泰根斯付伊平整了一个足球场,每次他去踢球时,被人称为“形影不离小哥儿俩”的尼尔斯与海拉德总是跟着一起去,而且很早就掌握了这项运动技巧,此外还学会了滑雪。有的星期天,教授会租条小船,划到克里斯蒂安赛文运河。到了大教堂,它们总是停一下,沿着塔楼外面的那道奇妙的螺旋形楼梯爬到顶上去。在塔顶上俯瞰哥本哈根城,从兰秘技的屋顶和屋顶群尽头的一串湖泊,或是眺望供来来往往的船只停泊的港口和海湾。尼尔斯还特别喜欢观察塔顶上大钟,每次都央求爸爸在那儿多呆一会儿,好研究大钟那些轮子和齿轮的转动。 到了7月初,尼尔斯完成了硕士论文的写作工作,这时他在安静的维森堡已住了6个星期。 爱因斯坦(A.Einstein,1879-1955)遭到的非难是带有“戏剧性”的。当爱因斯坦在1905年推广普朗克量子概念,提出光量子假说并用以解释光电效应时,竟遭到普朗克本人的指责。他大声疾呼,爱因斯坦“失足”于量子论,背离经典物理学“走得太远了”。 看起来,爱因斯但的方案无暇可击,难道“量子力学”真的靠不住吗?波尔觉得事情并没有那么简单。他想,与原子内部过程有关的实验和他所坚持的微观过程统计性的思想并不矛盾,那么现在问题究竟出在哪里呢?他想啊想,希望能理出个头绪来,但却越理越乱,整整一个晚上没有合眼。难道就这样认输了吗?他不甘心。最后,尼尔斯终于在爱因斯但的方案中找到了漏洞——爱因斯坦忘记把他自己的广义相对论考虑进去。如果将爱因斯坦的广义相对论考虑进去,那么结果仍然是不能同时测量能量和时间。 尼尔斯的理论如此新奇,以致于当时知名度很高的物理学家也感到深奥莫测,大多数人对此持谨慎的保留态度。卢瑟福尽管有些怀疑,但还是接受了。德国的物理学家、诺贝尔奖获得者劳厄却说:“假如玻尔的理论碰巧是对的话,我们将退出物理学界。”电子的发现者汤姆逊也反对这一理论,说它是以牺牲对原子结构的理解作为代价而得到的俗不可耐的肤浅皮毛。然而在第二年,德国的弗朗克等人进行电子与水银原子碰撞的实验,发现水银原子只能从电子那儿接受特定数值的能量,从而证实了尼尔斯的假设,这使得持怀疑态度的物理学家开始信服。 在解决卢瑟福模型与经典物理学的矛盾时,尼尔斯迈出了关键性的一步。他不受传统理论的束缚,立志创新。他认为,按卢瑟福模型,“原子结构问题和天体力学问题很相似。然而,更详细的考虑很快就显示出来,在一个原子和一个行星体系之间存在着一种根本的区别,原子必须有一种稳定性,这种稳定性显示出一种完全超出力学理论之外的特点。”尼尔斯的创新精神体现在他第一次指出了原子体系与行星体系的本质区别,第一次试图用量子理论来研究原子的结构。他的理论所具有的创新性,曾使爱因斯但赞叹不已。在刚获悉这一理论时,爱因斯但就说,“这是最伟大的发现之一”,并将其看成为一种奇迹,加州大学洛杉矶分校。称其为“思想领域中最高的音乐神韵”。 当尼尔斯升到高年级,开始学习数学和物理时,他的聪慧就有目共睹了。在19、20世纪之交的年代里,高年级的物理课内容十分简略。而尼尔斯所学的知识则已超出了课本的范围。没有多久,他就对教科书中陈旧的、错误的内容,根据自己从杂志里读来的物理知识加以圈注了。一个同班同学问他:“如果在考试中涉及不对的内容,那该怎么办?” 尼尔斯诧异地回答:“当然告诉他们什么是对的呀!” 尼尔斯和海拉德接受邀请,参加了一个名叫“爱克里普提卡”的小组,组里的成员都是选修于夫丁教授课程的学生,活动课程是讨论课堂学习中出现的哲学及科学问题,他们每月数次在“阿玻尔达”咖啡馆或其他咖啡馆里活动。在那里,只要面前放上一杯咖啡或一杯啤酒,他们的谈话就能持续到第二天清晨。 丹麦科学界选择的是几乎没有人研究过的物理课题。有关水的表面张力的知识,竟在35年后为研究原子结构提供了线索,而且有助于发展和核能。尼尔斯•波尔几乎没有留下什么悬而未决的细节,他所涉及的每一点,都在后来曲折而无法预料的科学发展中再现了。凡是物理专业成绩突出的学生,都得向同学们发表一篇自选课题的演讲,尼尔斯的选题是放射性。1895年德国物理学家伦琴发现,来自盖斯勒管的一种射线会使涂有硫化锌的屏板发出荧光。他把这种射线叫作X射线。一年后,法国物理学家贝克勒尔打算证明种种荧光现象是由太阳的照射产生的。在一个阴雨天,他用一块黑纸包住一块铀矿石,并把它放进抽屉里,等着出太阳的日子。几天以后,他拉开抽屉,把抽屉中的底片冲洗了出来,吃惊地发现,底片上有一片黑翳,说明铀矿石在黑暗中发出了射线!它透过黑纸,并使底片感了光。皮埃尔•居里和玛丽•居里打算探出个究竟,是哪一种元素具有这样奇异的放射性,结果发现了镭。这一发现使他们在1903年,即尼尔斯进入大学的那一年获得了诺贝尔奖金。 尼尔斯•玻尔没怎么考虑,就决定争取物理学的硕士和博士学位,不过,在当时哥本哈根的物理研究课题中,并没有什么很先进的内容,必修的实验课份量也很轻,尼尔斯不得不自行安排学习计划。 尼尔斯受此启发,原子内部应该也有相似的“量子”现象,他认为现有的电磁理论不能用到原子内部,因为原子内部也遵循“量子”规律。他假设绕核运动的电子有许多可能的轨道,电子不能“平滑”地从一个可能的轨道到另一个可能的轨道,只能“跳跃”过去。当电子绕原子核在轨道上旋转时不会像电磁理论所预告的那样会发光,只有当电子从一个较高能量状态的轨道“跳跃”到另一较低能量状态的轨道时才发光。这样辐射出的能量就是一个“量子”。如果电子原来就处在最低能量状态的轨道,那么它就不会“跳跃”了。除非外面给它能量,使它从基态轨道“跳跃”到较高能量状态的轨道,这时它不但不发光,相反要接收光(能量)。尼尔斯圆满地解决了原子为什么不塌陷的难题,因为在他的轨道“量子化”的原子图像中,电子在一个轨道上运动时是不失去能量的。 尼尔斯一切都进展得很顺利。在准备论文之前,还有几天时间可以在朋友中间愉快地度过。他在一个周未去拜访海拉德的挚友艾利克•那隆德——她也是那个“爱克里普提卡”小组的成员,是位像尼尔斯的母亲那样温柔的年轻漂亮的女学生。从那个时候起,尼尔斯的眼中再没有别的女孩子,而玛格丽特在“见到了他这双奇妙的眼睛,听了他的谈吐,发现他是那么谦和善良”之后,也是同样倾心。这是他们质朴爱情的开始,这种爱情在他们的一生中从来没有动摇过。 经过评比,竞赛委员会决定对两篇论文授予科学院金质奖章。一篇是彼德森的,他用一种更简便得方法测定了液体的表面张力,他的论文是优秀的。另一篇是尼尔斯的论文。21岁的尼尔斯就这样对当代最有名的物理学家瑞利的基本理论做出了发展。他得出了出人意料的结论,即在确定表面张力时,还有些附加因素应该考虑进去。 这个问题紧紧抓住了尼尔斯,以至于他曾一度考虑改学认识论。他和别人讨论是否有朝一日能写一本有关思维理论的书。 他的研究使他幻想着伟大的二元性,并寻求内容与形式的和谐一致,以及所有知识的“伟大的内部联系”,唤起他对哲学问题兴趣的启蒙读物不是物理学,也不是正式的大学课程,而是穆勒的那本小册子——《一个丹麦学生的故事》。 1905年,科学文学院悬赏征求有关液体表面张力的论文。瑞利勋爵已从理论上证明:对于在具有已知速度和横截面积的一股液流表面形成的波,只要测出波长,就可以确定其表面张力。 这一年还有别的高兴事呢,大学足球俱乐部连连大捷,海拉德成了丹麦足球迷的偶像。当丹麦决定派一支足球队参加1908年在英国举行的奥林匹克运动会时,海拉德是无庸置疑的中卫,而尼尔斯没能入选。 尼尔斯•玻尔出生于知识分子家庭,祖父是很有名望的中学校长,外祖父是一位银行家,父亲克里斯蒂安•玻尔是哥本哈根大学的生物系教授,母亲是一个慈善可亲的人。尼尔斯很小的时候,就常在书柜前跑来跑去,看到的是大量薄的、厚的、大的、小的书籍,自幼深受父亲的熏陶,对自然科学有着浓厚的兴趣。他常向父亲发问,有时也会使这位科学家父亲为难,因为必须用直观而通俗的语言来回答,才能被尼尔斯理解。儿子的聪敏,使老玻尔更加钟爱他。 开拓量子力学的先驱普朗克在经历了15年的徘徊,险些放弃他的量子假说。后来,他的继承者们在推进最子假说创立和发展量子力学中,却又遭到种种磨难。量子理论的成长道路,竟如此坎坷曲折。 尼尔斯•玻尔决定参加这场竞争。但是,他得想出一种产生液流——类似于水龙头中流出水的方法以及测量波长的方法来。 尼尔斯需要一个新”书斋”。玻尔教授的年轻助手穆勒加德建议尼尔斯到福奈岛上维森堡他父亲的另一处住宅去工作,尼尔斯接受了这一邀请。就在安徒生创作出许多童话的这个安静的小岛上,他的论文写成了。 玻尔家的孩子们很小就有接触大量丹麦文化的机会,玻尔教授是丹麦皇家科学院的院士,他和哲学教授于丁夫、物理学教授克利思蒂昂森有这样的一个习惯,常在讨论会后到一家咖啡馆继续切磋会议内容或讨论科学与生活的关系这类大家都感兴趣的问题。不久,这三人都不愿在咖啡馆里聚会了,而是改为每隔一周的星期五晚上轮流在各人家里聚餐,著名语言学家汤姆森也加入了进来。 尼尔斯研究汤姆逊的著作,也阅读了洛伦兹与德鲁德的文章。他决定选择金属的物理性质为研究题目,即在电子理论的指导下研究金属的电导率、热导率、磁电现象和热电现象作为自己的硕士论文。这真是个庞大的题目,不过,尼尔斯假定金属的这些特性是由金属中电子的自由运动和自由电子与静止分子的碰撞造成的,他打算通过对金属的性质进行实际测量来检验自己的假设。 波尔把和爱因斯但在学术上的争论看成是对自己最大的帮助。除了和爱因斯但展开学术争论外,他也和其他许多科学家展开学术争论。在争论中,尼尔斯始终坚持他的微观过程统计性的思想。今天虽然爱因斯但、尼尔斯•玻尔等老一辈物理学家己先后去世,但他们为了科学真理而争论、探索的精神却永远地留了下来,新一代的物理学家依然在探索着微观过程的客观规律。 海尔伽•隆达毫不怀疑这个小伙子的能力。1904年12月,在写给一个挪威表亲的信中,她以奔放的热情谈到自己认识了一位天才,并且天天与他一起工作,她说这个天才叫尼尔斯•玻尔,他的非凡本领变得越来越明显;而且她还谈到了这个人的宽厚和极度的谦恭。她告诉自己的表亲,尼尔斯的弟弟也在这所大学里,同样是个灿烂的人物,目前正在搞数学。这两个玻尔总在一起,年龄只有19岁和17岁。她总和这两个玻尔为伴,而很少和别的学生呆在一起,因为她太喜欢这两个玻尔了。 在大学二年级时,尼尔斯•玻尔选修了天文学家梯勒教授的数学课。有一个叫海尔伽•隆达的也选修了这门课程。她在进入大学前曾教过几年书,后来当一所学校的校长。她被指定与这个老是提着一个公文包,低着大脑袋的小伙子一起切磋数学问题。在梯勒教授讲完课,其他课程还未开始的课间,他们俩人常在学生会里一起研究功课。 1913年3月、6月和9月,尼尔斯先后给卢瑟福寄去了他那篇署名关于原子结构理论的“三部曲”——总题目为“论原子构造和分子的构造”的论文。经卢瑟福推荐发表在当年英国的《哲学杂志》上,这是原子物理学方面划时代的文献。在这篇文献里,尼尔斯提出了两条假说:假设1,原子中电子运动的轨道不是任意的,只有能量满足一定量子条件的分立轨道才是允许的,这就是所谓的“玻尔轨道量子条件”。也就是说,原子只能存在于一些不连续的稳定状态;这些稳定状态各有一定的能量E1,E2,E3,……。假设2,只有当电子在不同轨道之间发生量子跃迁时,才发生光的辐射或吸收。辐射或吸收光子的频率由两轨道的能量差决定,即hy=E2 -E1,这被称为“玻尔频率条件”。根据这些假设,尼尔斯推出了电子所具有的相应的分立能量,解释了把氢光谱各谐线联系起来的巴耳未定律,推出的此定律中里德伯常量理论值的精度竟达到了万分之二,这大大震惊了物理学界。 人们都知道,水、空气、岩石、泥土以及包括人类在内的一切生物都是由分子组成的,而分子又是由原子组成的,那么,原子内部又有着怎样的构造呢?1911年物理学家卢瑟福提出,原子由原子核和电子组成,原子的中央是带正电的原子核,原子核的周围是不停地绕核运动的带负电的电子。臂如说,最简单的氢原子,中央是一个体积非常小的核,一个电子在其轨道上绕核运转,核带正电,电子带负电,且核和电子带的电菏量相等,所以氢原子作为一个整体来说是不带电的。卢瑟福的原子内部图像很像我们的太阳系。如果把原子核比作太阳,电子就是一颗行星。但是,电子毕竟不是行星,它和行星的最大不同还不是体积上和质量上的悬殊,而是带有负电。根据当时的科学认识,带电粒于绕核运动的时候会向空间发射电磁波(或光辐射)。也就是说,电子在绕原子核转动时要额外消耗能量。按照这样的思路,电子会因为能量消耗而使转动慢下来,最后掉到原子核上,整个原子就会塌陷。事实上,原子从未发生过这种塌陷,原子为什么不会塌陷呢? 1913年2月,尼尔斯从德国斯塔克所著的《原子动力学原理》 一书中得到启发。斯培克指出,一个光谱的所有谱线是由一个单独的原子从某个状态逐次向势能最小的状态跃迁的过程中辐射出来的,这实际上已经明确提出了电子跃迁的思想并把电子跃迁与光谱线联系起来。尼尔斯的理论发展到了一个决定性的阶段。 1936年,尼尔斯•玻尔提出原子核结构的符合核理论——液滴模型,这是说明原子核各种现象的一个适应模型。1939年,他提出了重核裂变的液滴模型理论。在核物理飞速发展的30年代,他的研究依旧处于世界领先的地位。在揭示了铀的复杂现象后,他提出了能释放出巨大核能的链式反应的可能性,从而铺设了通向原子时代和可能利用原子能的道路。 奥林匹克运动会结束后不久,海拉德着手准备硕士考试,尼尔斯也要准备自己的论文,尼尔斯虽说着手早,却发现自己难以得出结论来。就像他参加那次竞赛一样,总有什么还要研究一下,或是有个公式还得验证一下。惟一的解决办法,还是让他离开实验室,到一个没有任何分心之事的地方去写作。 尼尔斯选修了父亲好友于夫丁教授的哲学课,他那文雅的言谈,尼尔斯在家中的餐厅里早已聆听过了。他选定了哲学史和逻辑学这两门课。于夫丁引导学生们回顾了16~18世纪的主要哲学派别,然而,他并不打算劝说信奉其中的任何一种,他所强调的只是问题地提出而非解答。他是这样解释的:“解答是死的,问题却是活的,否则,哲学就不会有这么持久的生命力了。” 在提出轨道量子化原子图像的时代,科学家眼中的自然界是服从“决定论”的。也就是说,只要能知道自然界的运动规律和初始状况,就可以决定自然界未来的状况。“决定论”的情况在日常中并不少见,譬如说,我们可以精确地知道天体的运行情况,预言什么时候发生日食、月食;我们可以很自然地在事先与朋友商定下次见面的时间和地点;我们可以知道火车在什么时候到达什么站,等等。可以说这一切都是“决定论”在起作用,现在,在尼尔斯的原子图像里,电子不是按“决定论”的规律在轨道上运动,因为无法确切地知道下个时刻电子将出现在那里,只知道电子出现在那里的“几率”。也就是说,原子中的电子是服从一定统计法则的“非决定论”的“量子力学”规律而运动的。 尼尔斯的方法要求水的扭曲流速保持若干小时的稳定——测量一次需要很长的时间。白天,实验室有其他在工作,要想获得这样长时间稳定的液流是不可能的。因此,尼尔斯的绝大部分工作,都放在夜间实验室里没人的时候进行。他在实验中发现:为了定量地测出表面张力来,瑞利的理论中还应该包括有液体的粘滞性、稳定后的振幅及周围空气的作用这一系列因素。评选论文的日期临近了,尼尔斯只研究了水的液流这一种,此外,还有些测量要进行,有些改动要实施,有些调试要试试。如果不中断工作,论文休想写得出来。波尔教授坚持要儿子在适当的时机终止实验,专门进行论文写作。这一招奏效了,尼尔斯如期地完成了自己的论文。 人们研究热辐射现象时,发现实验和理论计算的结果大相径庭。为了解决这一难题,德国柏林大学的物理学家普朗克提出了一个与以前所有概念都矛盾的假设。普明克说,热能是以一个个“小份”的形式进行辐射,有点儿像物质是由许多小单元——原子组成的那样。普朗克把热辐射的一个个“小份”叫作“量子”。根据普朗克的这个特别假设,可以成功地解释绝对黑体辐射的能量分布。 在加麦尔霍姆中学的操场上,人们常常看到一个小伙子沿着跑道跑步,每天放学后又会看到这个小伙子在操场上和他的伙伴踢球。只见他小腹一收,准确地接下同伴踢来的球,熟练地停在脚下,接着带球飞快地向对方禁区右侧跑去,绕过对方两名后卫将球传给了后路插上的队友,球应声入网。这个小伙子就是尼尔斯•玻尔。在父亲的带领下他从小就参加各种体育运动,滑雪、划船、打乒乓都是他都是他十分喜爱的运动。当然,他最喜爱足球,并且还是学校足球队队员。 尼尔斯•玻尔常常探索这样一个问题:把人自己作为观察物,也许两个思维平面是由人在宇宙间的位置决定的?两个思维平面是否可以说是这种牵强附会的学说的必然结果?《一个丹麦学生的故事》中还有一处把他拉进玄奥深处的地方,即哪位学生中央解释说:“在很多情况下,一个人会把自己分成两个人,彼此要愚弄对方;还有一个第三者,实际上他和前面两个人一样,对这混乱的局面莫名其妙。总之,思想变成了戏剧性的过程,不动声色地自行表演最复杂的情节,而观众一次又一次地变成演员。” 尼尔斯经常引用这最后一句话,“既是演员,又是观众”,这个比喻把难以理解的内部作用简单明了地阐明了。 尼尔斯•玻尔是量子理论的创建者之一,他毕生致力于研究原子、分子、原子核结构理论,在量子力学、原子核物理学方面颇有建树,第一个创立了原子的量子理论。1913年,尼尔斯﹒玻尔运用光谱资料探索原子内部结构,进行了一次合理而富有成效的尝试。他在发表的论文中,阐明了原子结构,提出了著名的“玻尔理论”。 即使在学生时期,尼尔斯也从不宽恕名著中的矛盾与不当之处。他有敏锐的判别能力,但这种能力是以寻找正确答案的方式,而下是以“为批评而批评”的形式而表现出来,他简直是凭直觉发现讹误和脱漏之处。 伦敦的奥林匹克运动会角逐激烈。丹麦足球队通过了半决赛,赢得了银牌。英同体育专栏作家们高度称赞海拉德这个为队里立下汗马功劳的“鸡窝头的丹麦人”。当他回到哥本哈根时,受到了热烈的欢迎。尼尔斯作为一名优秀运动员也沾了光。全国上下都知道这哥儿俩。男孩子们来看他们踢球,报纸刊登他们所有的比赛消息,两个玻尔成为丹麦的体育英雄。 当然,这种怀疑和反对与玻尔学说本身的弱点是相联系的。玻尔的理论最初曾非常成功地解释了氢和电离氮的线状光谱,但对原子光谱之表细结构及重原子的复杂结构,则无法解释。然而玻尔并没有因此而止步。他对整个理论在新的基础上进行了改造。量子论正是通过他而实现了从旧阶段到新阶段的过渡。而且,玻尔将毕生精力贡献量子理论,成为左右量子力学发展的哥本哈根学派的公认领袖。正如苏联理论物理学家福克在一首自由体诗中对玻尔所赞颂的那样: 父亲克里斯蒂安•玻尔上大学时进的是医学院,不过使他感兴趣的倒不是行医,而是实验生理学。除了一生致力于生理学和其它字然科学研究外,克里斯蒂安•玻尔教授还是歌德的崇拜者,他能整段整段地背诵《浮士德》。玻尔对莎士比亚和狄更斯的喜好程度也差不多抵得上对歌德的赞赏,经常把孩子们召集在一起听他讲这些名家的作品。他让孩子们了解德国文学和英国文学,认为丹麦人在欣赏两国文学的精华上各有自己得天独厚的天赋。当尼尔斯挨着父亲走路或在漫漫冬夜坐在父亲的膝下时,就完全被歌德的作品深深地吸引。他终生都铭记着这些磅礴的诗句,并经常引用歌德和儿时父亲灌输给他的其他诗人的诗句。 尽管有哲学和足球的诱惑,尼尔斯的主要兴趣还是在物理学上。可是,那时他并不知道,自己最终创造出来的新物理学,就是“以一种新的形式包含了他所梦寐以求的那些思想及其联系的哲学宝库。” 克利思蒂昂森尼尔斯教授是尼尔斯父亲的那个小圈子里的成员,他讲授物理学的大部分内容,他特别强调德国和英国物理学派的贡献。丹麦因其邻近德国,又与英国关系密切,出于接受梁国英湘有力地位。因而,尼尔斯既有德国理论根底和强调波动理论的观念,又有英国的实验技能和原子研究的基础。事实证明,这两者的结合对他是极为宝贵的。 在物理学教科书中,有关这些新发现的内容很少,但尼尔斯·玻尔在放射性的报告中,概述了这一给他们所从事的物理学带来根本变化的工作,这一工作给这门原先被认为已经令人满意地解释了宇宙的科学带来了新观念和新名词。就在这个新的发展时期中,尼尔斯•玻尔于1907年取得了学位。 善于把各种有用的力量综合汇集在选定的突破口上,博采百家,自成一体,是尼尔斯创新的特点。普朗克称赞尼尔斯“具有合成艺术上的明显天赋”,然而这有赖于“对现实清楚的理解”。尼尔斯理论既吸收了量子论,又包含了某些经典理论的成分,从表面上看来似乎是不协调的,这种不协调曾使相当多的人陷入了难以逃脱的迷津。然而,“绝妙的不可思议的直觉把玻尔从迷津中解救了出来,足以使具有玻尔那样独特直觉知识和理解力的人发现光谱线和原子电子壳层的一些重要定律,它们对于化学的意义,在我看来如同是一个奇迹,甚至在今天还是作为奇迹出现的。” 电子在原子中的运动真是遵循统计法则吗?这个问题直到今天仍有着不同的回答,物理学家之间还存在着争论,在当时,即量子理论刚提出的岁月里,原子内部究竟遵循的是“决定论”还是“非决定论”规律,争论非常激烈,以著名物理学家爱因斯但为代表的科学家认为原子内部的电子运动应该遵循“决定论”,现在看到的统计性规律是暂时的,或者说,我们还没有找到原子内部电子运动的真实的、最终的规律,用物理学家的行话来说,描述电子运动规律的“量子力学”还不是最好的、最完备的理论。但是,尼尔斯却坚认为,像原子内部的电子运动这一类微观过程必定遵守统计性的“量子力学”规律,“量于力学”是完备的理论。尼尔斯和爱因斯坦有着深厚的友谊,不过他们俩人在关于原子内部是不是一定也像天体那样遵循“决定论”的问题上,各执己见,互不相让。有时候,他们的争论既尖锐又具体。譬如,根据波尔所坚持的“量子力学”的观点,对于原子内部的能量过程来说,放出能量的多少和放出这些能量所花费的时间是不能同时测量的,如果一定要同时测量能量和时间的话,也一定测不准。但是,爱固斯但不同意这种观点。有一次,爱因斯但为了证明自己的观点,想出了一个方案。这个方案里有一个非常精密的弹簧秤,有一个能由人随意控制的放出单个光子的装置,有一只能够精确地测量放出一个光子所需要时间的钟。爱因斯但说,利用这些设施可以同时精确地测量能量和时间。爱因斯但把这个方案告诉了尼尔斯,尼尔斯为此又一次陷入了沉思。 中国军网北京8月30日电 题:探索原子不塌陷的奥秘——记诺贝尔物理学奖获得者尼尔斯•玻尔 玻尔(Niels Bohr,1885-1962)受到的非难是苛刻的。1913年秋,玻尔的论文《论原子和分子的结构》在英国的《哲学杂志》上全文发表了。在这篇论文中,玻尔把普朗克量子假说用于原子结构,提出了量子化轨道理论,用量子跃迁假说解释原子光变更的发射和吸收。玻尔的这一理论立即引起物理学界的“震惊”。一些物理学家认为这是对经典物理学的“亵渎和疯狂”。当年,在伯明翰召开的不列颠科学促进会会议上,物理学界的“泰斗”们集中玻尔理论的半经典半量子的混合,直接质问玻尔,并进行了多方责难。当时,拉摩尔(S.J.Larmor,1857-1942)要求大名鼎鼎的物理学家瑞利(J.W.S.Rayleigh,1842-1919)对玻尔的理论发表意见。瑞利却抱着一种“超然”态度,未加可否。事后,他的儿子问他是否看过玻尔关于氢光谱的论文,他曾直捷了当地回答说,我虽然看过,但“它不合我的脾胃”。会上,汤姆逊(J.J.Thomson,1856-1940)明确表示怀疑,光谱学权威塞曼(P.Zeeman,1865-1943)则根本否定。虽然著名物理学家金斯(J.H.Jeans,1877-1946)支持玻尔的理论,但仍然没有消除人们的怀疑和反对。 尼尔斯•玻尔爱好运动并不影响学习,相反,他各门功课都学得很好。他的数学和物理考试成绩总是名列前茅。不知什么原因,在所有的课程中,他觉得最难学地莫过于丹麦语了。为了学好丹麦语这门课,他可费了牛劲,课上记,课下背,回到家里还是一遍一遍地抄写了20遍,还不罢休,妈妈劝他可以睡了,可他说:“不,妈妈,我还要再抄写几遍,我一定要学会用语言来确切地表达我想说地话。” 尼尔斯•玻尔对学习一丝不苟的态度,使他在后来的科学事业上终身受益。在加麦尔霍姆中学里,老师们都说他是全面发展的用功学生。1903年,尼尔斯进入哥本哈根大学。大学位于古城的中心,四下都是拥挤的交通,周围挤满了店铺、书坊和住宅,仅以街道与几块石子铺就的场院相隔,更本没有美国和英国大学里的那种校园。 在加麦尔霍姆学校里,尼尔斯各科的学习成绩都很好,只有作文例外。按照学校的要求,一篇文章总要有一段引子,最后是一个结尾,这可不合乎尼尔斯的口味。尼尔斯的文章总是以综述开始,一直发展到文章的结束,没有什么正式的起承转合。 尼尔斯决心寻找出原子不塌陷的奥秘。他想,把现有的关于电和磁的科学理论用到卢瑟福的原子图像上时一定会得到原子要塌陷的结果,但是事实上原子又是不塌陷的,所以这里面一定存在着还不为人们所知的原因,尼尔斯陷入了沉思之中,电磁理论不仅已获得许多实验的支持,而且能够正确地指导电工技术。发电机、电动机及其它电器的发明和应用也都和电磁理论的正确指导分不开,电磁理论本身应该没有什么问题。尼尔斯认为,卢瑟福的原子图像也没有什么大的问题,因为卢瑟福的原子图像可以解释一些与原子有关的实验现象。那么问题出在哪里呢,尼尔斯想起了多年前人们在另一个问题上所遭遇的类似困境。 1918年,尼尔斯•玻尔建立了经典概念之间的对应原理。这一原理不但在光谱方面,而且在原子和分子的其他一些性质方面的出来定量的结果。1927年,尼尔斯提出了“并协原理”,认为在不同实验条件下获得的有关原子系统的事实,不能用单一的模型去解释,电子的波动模型与它的粒子性是互补的。 在尼尔斯不搞哲学和足球的时候,总是呆在实验室里。在无机化学课上,他创造了那一年打破玻璃器皿的最高纪录。一天,这个实验室被一连串的小爆炸声,布捷隆讲师连看也没看就说:“是尼尔斯干的。”果不其然,除了对实验仪器的操作技能问题外,尼尔斯的好奇心实在是有点太强了。从哲学家到实验大师,这个转变过程可真是有点危险。但是,尼尔斯却不以为然。 有人问到这个问题,他回答道,他并不是一个单纯的幻想家,用他的话讲“我愿意努力工作。” 尼尔斯凭借其高超的综合(或“合成”)艺术和非凡的洞察力,进一步得到了所谓“对应原理”的方法论原则。在那将被称为“三部曲”的论文里,他指出了对应原理的一种特殊情况,表明了如何从宏观体系过渡到微观体系,指出了经典理论与量子论的区别与联系。这一方法论原则,后来由尼尔斯本人和其他人以多种方式予以详细阐述,对量子论到量子力学的发展起了重要的推动作用。 玻尔从能量的量子化观点出发,在原子和分子结构问题上提出了定态假设和频率法则,解释了氢原子光谱规律,查明了氢和氦的某些光谱线的存在。他认为最简单的氢原子具有确定的、量子化的能级。通过对原子结构的研究,他正确地预言,在复杂的原子中,中子必须以“壳体”出现,而对一种具体元素来说,其原子的化学性质取决于最外层电子数的多少。他的这一开创性工作,为揭示元素周期表的奥秘打下了基础,并使化学从定性科学发展为定量科学,将物理和化学这两个学科统一到统一基础之上。 尼尔斯知道,为了得到一股很长的稳定的液流,需要有很长的、能产生表面波的特殊开口的玻璃管——开口的形状应该是椭圆的,以使水流扭曲。因此,这就要对玻璃管进行高难度的加工,这正是他在化学实验室里总打碎玻璃器皿的原因。尼尔斯在报告中解释技术性问题时这样写到:“在对管子进行加热和拉伸时,一定要使管子两头固定在两个能沿金属棱柱移动的模块上。玻璃管的拉深和切割工作应在显微镜观察下进行,必须挑选出有规则的椭圆截面的那些管子……” 正当普朗克犹豫徘徊的年代,有两位尚未出名的年轻科学家,先后从不同的方面应用并发展了量子假说。然而,他们都遭到了非难。这两位青年科学家就是爱因斯坦和玻尔。 尼尔斯有自己的独特做法。他一上来就验证自己的假设,虽然他还只是个学生,却具有了能够准确抓住事物实质问题的能力。 促使尼尔斯取得突破的,是汉斯向他详细介绍的瑞士光谱学家巴耳未所发现的氢光谱线的规律。尼尔斯一看到巴尔未公式就欣喜地发现,氢原子光谱中那些特殊的谱线所决定的数字恰恰是他所计算的电子轨道之间的能量差。在他把这一结果与斯塔克的论断联系起来之后,“整个形势一下子就清楚了。”确实,从巴耳未公式出发,根据普朗克作用量子,很容易得出谱线相应的能量计算公式。尼尔斯还发现他原先提出的常数k恰好为h/2,这就清楚地表明了量子概念的确是解决原子结构问题的基础。 在英国,来自新西兰的一位年轻的大学毕业生卢瑟福测定了铀放射的穿透力。他在报告中指出:“铀放射是复杂的,其中包括两种不同类型的放射——一种是很容易被吸收的,为方便起见我们称它为α辐射;另一种有较强的穿透性,我们称它为β辐射。”卢瑟福指出,β射线的穿透力正与伦琴射线一样,而在早期实验中,α射线很少能穿过厚度为千分之一英寸的铝箔。“铀连续发出辐射的原因是一个谜。”卢瑟福说。不过,没有几年,他就把这个谜解开了。