玻爾和量子力學(xué)

呂雪萱

經(jīng)典物理學(xué)的困境

量子力學(xué)的建立，是以研究光和熱輻射為突破口的。

19世紀(jì)末，麥克斯韋就已證明，光是電磁波的一種。因此，光應(yīng)遵從所有波遵從的定律，它的能量應(yīng)是連續(xù)的。但在熱輻射等問(wèn)題上，經(jīng)典力學(xué)卻陷入了困境。1900年，普朗克提出了量子的概念，認(rèn)為熱輻射的能量是由一個(gè)個(gè)能量原子即量子構(gòu)成的。1905年，愛(ài)因斯坦提出了光子的概念，指出在光電效應(yīng)中光波表現(xiàn)出了“粒子”的特性，物理學(xué)家這才認(rèn)識(shí)到光既是波又是粒子，即具有波粒二象性。

但物體為什么會(huì)發(fā)光？經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為是溫度的上升使分子運(yùn)動(dòng)加劇，猛烈的互相碰撞使分子急速振動(dòng)，開(kāi)始發(fā)光?？墒俏矬w的分子在室溫下也運(yùn)動(dòng)，為什么不發(fā)光？對(duì)此經(jīng)典物理學(xué)瞠目結(jié)舌，無(wú)以回答。

1911年，英國(guó)著名物理學(xué)家盧瑟福根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)提出了一個(gè)原子模型。他認(rèn)為原子里有核和電子，電子圍繞原子核飛速旋轉(zhuǎn)，做加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)輻射出電磁波?？蓡?wèn)題又來(lái)了，電子由于輻射光，會(huì)把它的能量消耗干凈。這樣，電子很快就會(huì)墜落在原子核上，原子也隨之毀滅。然而原子卻生存著，物體加熱之后依然發(fā)光！經(jīng)典物理學(xué)又一次陷入了困境。它不能說(shuō)明加熱物體的發(fā)光，也解釋不了光譜的本質(zhì)。

嶄新的原子模型

1912年，盧瑟福的學(xué)生、年僅27歲的丹麥物理學(xué)家玻爾提出了一個(gè)嶄新的理論。他認(rèn)為圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子是沿一定的軌道運(yùn)動(dòng)的，不同軌道對(duì)應(yīng)于不同的電子能量，只要電子繼續(xù)在它的軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)就不會(huì)發(fā)出光線;而某個(gè)外層能量較大的軌道中的電子跳到內(nèi)層能量較小的軌道中時(shí)，多余的能量就以量子的形式從原子中拋射出去，這個(gè)量子也就是愛(ài)因斯坦所說(shuō)的光子;反過(guò)來(lái)，根據(jù)光子能量和頻率的普朗克關(guān)系可以確定光子的能量，這正是原子中老軌道與新軌道的能量差。

這種解釋是何等的簡(jiǎn)單而精彩??！

玻爾的理論克服了盧瑟福原子模型遇到的困難，一舉說(shuō)明了對(duì)經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說(shuō)一籌莫展的熱輻射理論，其過(guò)程中的量子性質(zhì)昭然若揭。

在室溫下，原子撞擊雖然是很尋常的，但電子的能量一般都很低，它圍繞自己的軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，是發(fā)不出很多光線來(lái)的。當(dāng)溫度升高后，原子熱運(yùn)動(dòng)更有力，碰撞得更頻繁、更猛烈。電子朝遠(yuǎn)離原子核的外層軌道跳躍，當(dāng)它們?cè)購(gòu)哪切┸壍捞貢r(shí)，電子將產(chǎn)生非常有力的光子。隨著光子數(shù)目的增加和頻率的增高，發(fā)射的光線就更亮。

這個(gè)理論很快為大多數(shù)科學(xué)家所承認(rèn)。更重要的是，玻爾把經(jīng)典力學(xué)與量子理論結(jié)合起來(lái)，從而引起了原子理論的革命，對(duì)量子力學(xué)的建立起到了極為重要的作用，他也因此獲得了1922年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年輕的玻爾成為舉世矚目的人物。

腳踏實(shí)地地前進(jìn)

1885年10月7日，玻爾出生在哥本哈根。父親是著名的自然科學(xué)家。還在中學(xué)的時(shí)候，玻爾就對(duì)物理學(xué)發(fā)生濃厚的興趣，常常根據(jù)書上的論述自己動(dòng)手做物理實(shí)驗(yàn)。1907年，他依照英國(guó)物理學(xué)家瑞利的著作，在父親的實(shí)驗(yàn)室里做水表面張力的研究實(shí)驗(yàn)，為此還獲得了哥本哈根科學(xué)院的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆２柺切疫\(yùn)的，他沒(méi)有經(jīng)歷其他一些著名物理學(xué)家曾經(jīng)遇到過(guò)的困難。還在大學(xué)二年級(jí)時(shí)，他就做了教授的助手，須知連愛(ài)因斯坦取得大學(xué)文憑之后還久久地等待高等學(xué)校助教的空缺職位呢。

1911年，玻爾在哥本哈根大學(xué)畢業(yè)后，先到英國(guó)劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，不久又來(lái)到曼徹斯特的盧瑟福實(shí)驗(yàn)室工作。正是在這之前不久，愛(ài)因斯坦的光子理論和相對(duì)論轟動(dòng)了整個(gè)世界，也激勵(lì)著年輕的玻爾思想更為大膽，提出了他聞名遐邇的量子模型，為量子力學(xué)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。

1916年回國(guó)后，玻爾任哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)教授及該校理論物理研究所所長(zhǎng)。從1939年起直至逝世，他一直是丹麥科學(xué)院院長(zhǎng)。

不怕暴露自己的愚蠢

盡管玻爾是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一、哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖，在理論物理學(xué)界享有極高的聲譽(yù)，但他從不盛氣凌人、趾高氣揚(yáng)。相反，他總是謙虛誠(chéng)懇、平易近人，尤其對(duì)待年輕的科學(xué)家更是如此。他身邊總是聚集著五六十名國(guó)外物理學(xué)家，海森堡、狄拉克、泡利、朗道等人都先后在他身邊學(xué)習(xí)、工作過(guò)。許多世界著名的理論物理學(xué)家懷著自豪而崇敬的心情，稱自己是玻爾的學(xué)生。

波爾和他的妻子

玻爾的住宅坐落在一個(gè)美麗的公園中心，仿若郊外宮殿，內(nèi)部有圓柱大廳，這是丹麥科學(xué)院為表彰他的功勛送給他的。這里成了當(dāng)時(shí)科學(xué)生活的中心，成了各國(guó)原子物理學(xué)家的“麥加圣地”。許多年輕科學(xué)家慕名前來(lái)這里，向玻爾求教。

玻爾總是悉心幫助青年物理學(xué)家，激勵(lì)他們的科學(xué)思想，同他們赤誠(chéng)相見(jiàn)。他甚至要求他們一起審查自己的文稿，逐字逐句地反復(fù)推敲、仔細(xì)琢磨，對(duì)每個(gè)論點(diǎn)都做長(zhǎng)時(shí)間的討論和修改。有一次，他與自己的學(xué)生對(duì)一篇科學(xué)文稿連續(xù)修改幾個(gè)晝夜，由于過(guò)度疲勞，最后簽名竟簽錯(cuò)了地方。

當(dāng)時(shí)，他與學(xué)生海森堡多次就測(cè)定電子的位置和動(dòng)能問(wèn)題進(jìn)行深入的討論，有時(shí)甚至展開(kāi)激烈的爭(zhēng)論。但正是基于這種深刻的認(rèn)識(shí)和討論，海森堡于1927年提出了“不確定性原理”，認(rèn)為要在同一時(shí)間以同樣精度測(cè)定電子的位置和動(dòng)量是不可能的，只能精確測(cè)定兩者之一。而玻爾又將海森堡的不確定性原理加以完整的理論形式，提出著名的“并協(xié)原理”。這件事成為理論物理學(xué)界的佳話。有人問(wèn)玻爾，他何以能吸引這么多青年理論家聚集在身邊，玻爾說(shuō)，“我只是不怕在年輕人面前暴露自己的愚蠢”。

一瓶重水

之后，玻爾又對(duì)原子核反應(yīng)理論進(jìn)行研究，在裂變力學(xué)，尤其是解釋重核裂變現(xiàn)象方面做出了重要的貢獻(xiàn)。

1940年，希特勒軍隊(duì)侵入丹麥，當(dāng)時(shí)玻爾仍然留在國(guó)內(nèi)。作為反法西斯專制的不屈戰(zhàn)士和“半個(gè)猶太人”，納粹分子視他為最危險(xiǎn)的敵人。

1943年年底，玻爾獲悉德國(guó)人準(zhǔn)備將他劫往德國(guó)。在丹麥抗敵組織的幫助下，玻爾和家人逃到瑞典，再?gòu)娜鸬滹w往倫敦。

臨行前，年近花甲的玻爾在實(shí)驗(yàn)室陷入了沉思，深邃的雙眼深情地望著各種實(shí)驗(yàn)儀器。臺(tái)上放著一個(gè)盛著重水的啤酒瓶和一枚熠熠閃光的金質(zhì)諾貝爾獎(jiǎng)?wù)隆詈?，他決定把獎(jiǎng)?wù)氯苋霃?qiáng)酸，帶上盛有重水的啤酒瓶上路。

波爾和愛(ài)因斯坦

玻爾被安置在“蚊”式飛機(jī)的彈艙里，飛行時(shí)飛機(jī)被氣浪顛上拋下，再加上隨時(shí)可能出現(xiàn)的德國(guó)飛機(jī)，情況十分危急。只要飛行員一扳手閘，玻爾就會(huì)像一枚炸彈一樣被丟進(jìn)大海里。盡管環(huán)境如此險(xiǎn)惡，蜷縮在彈艙里的玻爾依然在全神貫注地思考亟待解決的問(wèn)題。他沒(méi)有戴飛機(jī)上聯(lián)系必需的聯(lián)絡(luò)耳機(jī)，因此沒(méi)有聽(tīng)到飛行員讓他戴上氧氣面罩的通知。當(dāng)飛機(jī)爬升到空氣稀薄的高空時(shí)，玻爾昏過(guò)去了。降落到倫敦機(jī)場(chǎng)后，歡迎他的人群發(fā)現(xiàn)這位偉大的物理學(xué)家已經(jīng)奄奄一息。然而使玻爾大為懊惱的是，在匆忙的出逃中，他取錯(cuò)了瓶子，在生死攸關(guān)的航程中豁出命來(lái)保護(hù)的，竟真的是一瓶地地道道的丹麥啤酒！

不久，玻爾又從倫敦飛往美國(guó)，作為顧問(wèn)，在洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)了世界上第一顆原子彈的制造。

1962年11月28日，玻爾完成工作休息時(shí)安靜地入睡了，再也沒(méi)有醒來(lái)。