天不生玻爾 原子如長夜*
——紀(jì)念近代物理學(xué)家尼爾斯·玻爾逝世60周年

張凱凱

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

曹海霞

(蘇州大學(xué)東吳學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

尼爾斯·玻爾一生建樹功勛無數(shù)，提出了原子結(jié)構(gòu)的“軌道量子化”模型，率先突破經(jīng)典力學(xué)思想框架，成為20世紀(jì)創(chuàng)立量子力學(xué)的重要起點(diǎn)；一手創(chuàng)建理論物理研究所，廣攬?zhí)煜掠⒉疟M教育之；提出互補(bǔ)原理，與不確定性原理共同構(gòu)成哥本哈根詮釋的兩大基石，深刻影響了20世紀(jì)物理學(xué)的歷史進(jìn)程．

1 玻爾的光輝一生

1885年10月7日，尼爾斯·玻爾出生在丹麥?zhǔn)锥几绫竟?圖1)．1903年秋季，玻爾就讀于哥本哈根大學(xué)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)系．1907年玻爾破格獲得了丹麥皇家科學(xué)-文學(xué)院的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)拢?909年和1911年先后獲得哥本哈根大學(xué)的科學(xué)碩士和哲學(xué)博士學(xué)位．1913年，玻爾在《自然哲學(xué)》雜志上分3次發(fā)表了長篇論文《論原子和分子構(gòu)造》(ontheConstitutionofAtomsandMolecules) ．1920年玻爾首次提出了于舊量子時(shí)代意義非凡的對(duì)應(yīng)原理．1921年，哥本哈根理論物理研究所落成，由玻爾本人擔(dān)任所長直至逝世．1922年，玻爾因在原子結(jié)構(gòu)和原子輻射方面作出的杰出貢獻(xiàn)而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．1927年，玻爾提出互補(bǔ)原理．1936年，玻爾提出原子核的液滴模型．1937年，玻爾應(yīng)我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人邀請(qǐng)來我國訪問講學(xué)，介紹國際科學(xué)最前沿的原子核問題以及原子領(lǐng)域的因果律．1945年后，玻爾一直致力于原子能的和平利用．1957年，為表彰玻爾在原子能國際合作中所發(fā)揮的巨大作用，授予其“原子用于和平獎(jiǎng)金”．1962年11月18日，這位富有傳奇色彩的原子物理學(xué)家在丹麥的卡爾斯堡寓所與世長辭．

圖1 玻爾

2 玻爾的科學(xué)事業(yè)

2.1 偉大的“三部曲”

令玻爾第一次在物理學(xué)界嶄露頭角的氫原子理論醞釀?dòng)诼鼜厮固卦L學(xué)期間，經(jīng)過1年多的砥志研思，玻爾于1913年在《自然哲學(xué)》雜志上分3次發(fā)表了長篇論文《論原子和分子構(gòu)造》，被其得意門生羅森菲爾德稱為偉大的“三部曲”．在這篇論文中，玻爾“霸道”地提出了數(shù)條在當(dāng)時(shí)科學(xué)界看來是離經(jīng)叛道的假設(shè)，并特在“結(jié)束語”部分將自己的假設(shè)歸納為5條．時(shí)至今日回顧玻爾論文中的工作仍具有重大意義，他創(chuàng)造性地用量子化假設(shè)將盧瑟福、普朗克和愛因斯坦等人的思想融合，將光譜學(xué)和量子論結(jié)合在一起，提出了“定態(tài)”、不同定態(tài)之間的“轉(zhuǎn)移”(即后來稱為的“量子躍遷”)、角動(dòng)量量子化等概念[1]．成功解決了原子穩(wěn)定性問題，合理解釋了巴爾末經(jīng)驗(yàn)公式并精確推導(dǎo)出里德伯常數(shù)，完美解釋已發(fā)現(xiàn)的巴爾末系和帕邢系，預(yù)言了賴曼等線系．同時(shí)玻爾又清醒地認(rèn)識(shí)到他這種半經(jīng)典半量子的理論遠(yuǎn)非完善，他期望能建立一種描述微觀領(lǐng)域量子過程的全新力學(xué)，為此他提出了在舊量子論時(shí)代意義非凡的對(duì)應(yīng)原理，搭建起了溝通微觀世界與宏觀世界的橋梁．其重要意義還在于，矩陣力學(xué)的創(chuàng)始人海森堡就是在對(duì)應(yīng)原理的指導(dǎo)下，掀起了新一輪的量子革命，創(chuàng)建了玻爾一直摸索尋求的量子力學(xué)[2]．

2.2 山不在高 有仙則名——?jiǎng)?chuàng)建玻爾研究所

1921年，經(jīng)過3年多的設(shè)計(jì)與建造，3層高的玻爾研究所正式落成了．可能是考慮到自己的祖國比較小，玻爾對(duì)科學(xué)研究的國際合作有著獨(dú)具一格的深切感受，并終其一生成為了科學(xué)國際化的最有威望的倡導(dǎo)者和實(shí)踐者[3]．這種開門主義的態(tài)度以及玻爾特有的對(duì)青年學(xué)者平易坦率的人格魅力，吸引了世界各地懷揣著夢(mèng)想與才華的研究者們，如海森堡、泡利、狄拉克、薛定諤等．據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)時(shí)從世界各地17個(gè)國家來訪問并且逗留時(shí)間超過一個(gè)月的學(xué)者有63位，其中大部分是年輕人，我國的周培源老先生也位列其中．在這種自由開放、兼容并包的學(xué)術(shù)氛圍影響下，連同玻爾父子，研究所里有10位科學(xué)家先后得過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)或化學(xué)獎(jiǎng)[4]．

2.3 玻愛之爭與互補(bǔ)原理

1927年，玻爾在科摩會(huì)議上正式提出了互補(bǔ)原理，強(qiáng)調(diào)因?yàn)榱孔庸O(shè)的存在，經(jīng)典原子現(xiàn)象的任何觀察，都將涉及一種不可忽略的“現(xiàn)象與觀察儀器”之前的相互作用[3]，一方面人們必須依靠儀器知曉觀測(cè)結(jié)果，另一方面儀器對(duì)被觀測(cè)對(duì)象又有不可避免的干擾作用.這份干擾作用也被融合在觀測(cè)結(jié)果中，造成了“我們既是觀眾，又是演員”的無奈局面[5]．因此在不能忽視“量子效應(yīng)”的原子領(lǐng)域中應(yīng)當(dāng)放棄決定論描述而代之以幾率描述．互補(bǔ)原理一經(jīng)問世即與不確定性原理共同構(gòu)成了幾率描述的哲學(xué)基礎(chǔ)和科學(xué)基礎(chǔ)[6].這使得堅(jiān)信上帝不會(huì)擲骰子的愛因斯坦深感不安，在第五屆和第六屆索爾維會(huì)議上先后以大量精巧的思想實(shí)驗(yàn)向玻爾一派發(fā)難，其中最為著名的是“愛因斯坦光子盒”，企圖將時(shí)間與能量的測(cè)量作為突破口來否證不確定性原理及互補(bǔ)詮釋，以排除幾率性[6]．在一番縝密思考后玻爾發(fā)現(xiàn)了光子盒的漏洞所在——紅移效應(yīng)，愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)僅僅考慮了狹義相對(duì)論，卻忽略了廣義相對(duì)論中的紅移效應(yīng)，否則結(jié)果一樣可以導(dǎo)出不確定性原理．經(jīng)此一役，愛因斯坦口頭上承認(rèn)了量子力學(xué)的內(nèi)部邏輯是自洽的，轉(zhuǎn)而將矛頭指向了量子力學(xué)的完備性上[3]，并于1935年3月，與玻多爾斯基和羅森聯(lián)合發(fā)表了著名的EPR論文，同年7月，玻爾在《物理評(píng)論》上略帶挑釁地發(fā)表了一篇同名論文，重申互補(bǔ)原理的觀點(diǎn)，敏銳地抓住EPR論文的前提之一“物理實(shí)在的判據(jù)”進(jìn)行反駁，以他一貫的處理方式回應(yīng)了EPR佯謬．在長達(dá)數(shù)十年的量子力學(xué)大論戰(zhàn)中，玻爾與愛因斯坦作為雙方的旗手，在你來我往的碰撞與角逐中，共同將量子力學(xué)朝前推進(jìn)了一大步，使之成為與相對(duì)論齊名的20世紀(jì)物理學(xué)兩大支柱之一．

3 玻爾與物理教育

3.1 “玻爾式育人”對(duì)當(dāng)代物理教師的啟示

玻爾不僅科學(xué)成就斐然，他的教師角色同樣出彩，培養(yǎng)了多名諾貝爾獎(jiǎng)得主，其有諸多教育思想與當(dāng)前教育理念相契合，值得當(dāng)代物理教師挖掘借鑒．

3.1.1 營造自主探索、高效討論的課堂氛圍

在玻爾一手創(chuàng)立的研究所里，他總是鼓勵(lì)年輕人們集體地討論，自由地爭辯，在思想碰撞中迸發(fā)靈感，在團(tuán)隊(duì)合作中各展所長，形成了著名的哥本哈根精神，也使得研究所的整體功能遠(yuǎn)大于個(gè)人能力之和．在中學(xué)物理課堂中，學(xué)生參與學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)應(yīng)受到教師的高度重視．教師應(yīng)當(dāng)在啟發(fā)與引導(dǎo)中構(gòu)建利于討論展開的課堂氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生大膽發(fā)表自己的觀點(diǎn)，讓每一位學(xué)生都愿意敞開心扉，各抒己見，在頭腦風(fēng)暴中實(shí)現(xiàn)物理觀念的同化與順應(yīng)．

3.1.2 實(shí)驗(yàn)與理論并重

盡管玻爾以理論物理大師聞名于世，但他將實(shí)驗(yàn)與理論視為同等重要，更是將實(shí)驗(yàn)室譽(yù)為發(fā)現(xiàn)真理的地方．在研究所的教學(xué)科研中，玻爾始終注重理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，這也讓年輕人們迅速掌握了科學(xué)研究的竅門，在新興的量子領(lǐng)域作出了一系列開創(chuàng)性貢獻(xiàn)．我們物理教師應(yīng)當(dāng)權(quán)衡好知識(shí)傳授與實(shí)驗(yàn)開展的關(guān)系，讓學(xué)生在理論的指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)探究，在親歷實(shí)驗(yàn)的過程中掌握科學(xué)探究程序與方法，進(jìn)一步加深對(duì)物理原理的理解，以待提煉升華為物理觀念．

3.2 “玻爾式精神”在物理教學(xué)中的應(yīng)用

在教學(xué)中可嘗試滲透物理學(xué)家與物理學(xué)史教育，展現(xiàn)物理學(xué)家的批判思維和科學(xué)研究素養(yǎng)，從而將科學(xué)探究精神通過課堂教學(xué)內(nèi)化于學(xué)生內(nèi)心[7]．在有關(guān)章節(jié)中，以玻爾的科學(xué)精神和高尚人格對(duì)學(xué)生進(jìn)行精神引導(dǎo)和情感熏陶，能夠?yàn)樨瀼亍傲⒌聵淙恕备窘逃繕?biāo)理念和推進(jìn)課程思政建設(shè)提供有效的途徑[8]．

3.2.1 沖破桎梏的創(chuàng)新精神

在玻爾原子模型之前，大部分物理學(xué)家都依舊試圖在經(jīng)典理論的框架內(nèi)討論修正原子問題，而玻爾在敏銳感知到經(jīng)典理論不可能對(duì)原子穩(wěn)定性作出解釋后，就迅速尋找新的觀念.也正是這種敢于沖破傳統(tǒng)桎梏的創(chuàng)新精神才使得玻爾相比他的前輩們“提供了新的東西”，邁出了狄拉克口中的原子物理學(xué)發(fā)展史中最大的一步．在高中物理“氫原子光譜和玻爾的原子模型”一節(jié)教學(xué)中，除了完成基本科學(xué)知識(shí)的傳授外，還應(yīng)當(dāng)滲透上述物理學(xué)史，讓學(xué)生體悟到創(chuàng)新精神在科學(xué)研究中的關(guān)鍵性作用，激勵(lì)學(xué)生遇到難題時(shí)應(yīng)當(dāng)敢于跳出常規(guī)，立足創(chuàng)新作出突破，從而幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)創(chuàng)新觀．

3.2.2 集思廣益的合作精神

相對(duì)論和量子力學(xué)共同構(gòu)成了20世紀(jì)以來物理學(xué)的基礎(chǔ)，不同于前者幾乎由愛因斯坦一人創(chuàng)建，后者凝結(jié)了整整一代物理學(xué)家的努力．作為哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖，玻爾在這場(chǎng)國際科學(xué)合作中功不可沒，他將世界上最思辨的頭腦團(tuán)結(jié)在自己周圍一道工作，共同完成了構(gòu)筑量子力學(xué)大廈的重任．在高中物理“粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立”一節(jié)教學(xué)中，除了梳理量子力學(xué)建立過程中的關(guān)鍵人物與事件外，還應(yīng)當(dāng)著重強(qiáng)調(diào)包括玻爾在內(nèi)的大科學(xué)家們的合作精神，力圖使學(xué)生意識(shí)到學(xué)習(xí)過程中交流與合作的重要性，鼓勵(lì)學(xué)生在面對(duì)個(gè)人無法解決的問題時(shí)，能夠主動(dòng)謀求合作，在共同努力下解決問題．

3.2.3 兼濟(jì)天下的人文精神

玻爾從來不是獨(dú)善其身的“聰明人”，當(dāng)他意識(shí)到原子彈研制成功后所與之俱來的各種社會(huì)及政治問題時(shí)，玻爾立即奔走呼吁，號(hào)召以國際合作的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)原子能的國際共管，促成一個(gè)“開放的世界”．在“核裂變與核聚變”一節(jié)教學(xué)中，教師可以通過引入玻爾對(duì)原子彈的擔(dān)憂態(tài)度，啟發(fā)學(xué)生思考核能利用背后的倫理道德，并以玻爾達(dá)則兼濟(jì)天下的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)，涵養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，為培養(yǎng)兼具科學(xué)素養(yǎng)和人文情懷的創(chuàng)新型人才提供強(qiáng)有力的支撐．