玻爾和量子力學

呂雪萱

經典物理學的困境

量子力學的建立，是以研究光和熱輻射為突破口的。

19世紀末，麥克斯韋就已證明，光是電磁波的一種。因此，光應遵從所有波遵從的定律，它的能量應是連續的。但在熱輻射等問題上，經典力學卻陷入了困境。1900年，普朗克提出了量子的概念，認為熱輻射的能量是由一個個能量原子即量子構成的。1905年，愛因斯坦提出了光子的概念，指出在光電效應中光波表現出了“粒子”的特性，物理學家這才認識到光既是波又是粒子，即具有波粒二象性。

但物體為什么會發光？經典物理學認為是溫度的上升使分子運動加劇，猛烈的互相碰撞使分子急速振動，開始發光。可是物體的分子在室溫下也運動，為什么不發光？對此經典物理學瞠目結舌，無以回答。

1911年，英國著名物理學家盧瑟福根據經典物理學提出了一個原子模型。他認為原子里有核和電子，電子圍繞原子核飛速旋轉，做加速運動，同時輻射出電磁波?？蓡栴}又來了，電子由于輻射光，會把它的能量消耗干凈。這樣，電子很快就會墜落在原子核上，原子也隨之毀滅。然而原子卻生存著，物體加熱之后依然發光！經典物理學又一次陷入了困境。它不能說明加熱物體的發光，也解釋不了光譜的本質。

嶄新的原子模型

1912年，盧瑟福的學生、年僅27歲的丹麥物理學家玻爾提出了一個嶄新的理論。他認為圍繞原子核旋轉的電子是沿一定的軌道運動的，不同軌道對應于不同的電子能量，只要電子繼續在它的軌道內運動就不會發出光線;而某個外層能量較大的軌道中的電子跳到內層能量較小的軌道中時，多余的能量就以量子的形式從原子中拋射出去，這個量子也就是愛因斯坦所說的光子;反過來，根據光子能量和頻率的普朗克關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，一舉說明了對經典物理學來說一籌莫展的熱輻射理論，其過程中的量子性質昭然若揭。

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動時，是發不出很多光線來的。當溫度升高后，原子熱運動更有力，碰撞得更頻繁、更猛烈。電子朝遠離原子核的外層軌道跳躍，當它們再從那些軌道跳回時，電子將產生非常有力的光子。隨著光子數目的增加和頻率的增高，發射的光線就更亮。

這個理論很快為大多數科學家所承認。更重要的是，玻爾把經典力學與量子理論結合起來，從而引起了原子理論的革命，對量子力學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獎。年輕的玻爾成為舉世矚目的人物。

腳踏實地地前進

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家。還在中學的時候，玻爾就對物理學發生濃厚的興趣，常常根據書上的論述自己動手做物理實驗。1907年，他依照英國物理學家瑞利的著作，在父親的實驗室里做水表面張力的研究實驗，為此還獲得了哥本哈根科學院的金質獎章。玻爾是幸運的，他沒有經歷其他一些著名物理學家曾經遇到過的困難。還在大學二年級時，他就做了教授的助手，須知連愛因斯坦取得大學文憑之后還久久地等待高等學校助教的空缺職位呢。

1911年，玻爾在哥本哈根大學畢業后，先到英國劍橋卡文迪許實驗室，不久又來到曼徹斯特的盧瑟福實驗室工作。正是在這之前不久，愛因斯坦的光子理論和相對論轟動了整個世界，也激勵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，為量子力學的創立奠定了基礎。

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

不怕暴露自己的愚蠢

盡管玻爾是量子力學創始人之一、哥本哈根學派的領袖，在理論物理學界享有極高的聲譽，但他從不盛氣凌人、趾高氣揚。相反，他總是謙虛誠懇、平易近人，尤其對待年輕的科學家更是如此。他身邊總是聚集著五六十名國外物理學家，海森堡、狄拉克、泡利、朗道等人都先后在他身邊學習、工作過。許多世界著名的理論物理學家懷著自豪而崇敬的心情，稱自己是玻爾的學生。

波爾和他的妻子

玻爾的住宅坐落在一個美麗的公園中心，仿若郊外宮殿，內部有圓柱大廳，這是丹麥科學院為表彰他的功勛送給他的。這里成了當時科學生活的中心，成了各國原子物理學家的“麥加圣地”。許多年輕科學家慕名前來這里，向玻爾求教。

玻爾總是悉心幫助青年物理學家，激勵他們的科學思想，同他們赤誠相見。他甚至要求他們一起審查自己的文稿，逐字逐句地反復推敲、仔細琢磨，對每個論點都做長時間的討論和修改。有一次，他與自己的學生對一篇科學文稿連續修改幾個晝夜，由于過度疲勞，最后簽名竟簽錯了地方。

當時，他與學生海森堡多次就測定電子的位置和動能問題進行深入的討論，有時甚至展開激烈的爭論。但正是基于這種深刻的認識和討論，海森堡于1927年提出了“不確定性原理”，認為要在同一時間以同樣精度測定電子的位置和動量是不可能的，只能精確測定兩者之一。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“并協原理”。這件事成為理論物理學界的佳話。有人問玻爾，他何以能吸引這么多青年理論家聚集在身邊，玻爾說，“我只是不怕在年輕人面前暴露自己的愚蠢”。

一瓶重水

之后，玻爾又對原子核反應理論進行研究，在裂變力學，尤其是解釋重核裂變現象方面做出了重要的貢獻。

1940年，希特勒軍隊侵入丹麥，當時玻爾仍然留在國內。作為反法西斯專制的不屈戰士和“半個猶太人”，納粹分子視他為最危險的敵人。

1943年年底，玻爾獲悉德國人準備將他劫往德國。在丹麥抗敵組織的幫助下，玻爾和家人逃到瑞典，再從瑞典飛往倫敦。

臨行前，年近花甲的玻爾在實驗室陷入了沉思，深邃的雙眼深情地望著各種實驗儀器。臺上放著一個盛著重水的啤酒瓶和一枚熠熠閃光的金質諾貝爾獎章……最后，他決定把獎章溶入強酸，帶上盛有重水的啤酒瓶上路。

波爾和愛因斯坦

玻爾被安置在“蚊”式飛機的彈艙里，飛行時飛機被氣浪顛上拋下，再加上隨時可能出現的德國飛機，情況十分危急。只要飛行員一扳手閘，玻爾就會像一枚炸彈一樣被丟進大海里。盡管環境如此險惡，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題。他沒有戴飛機上聯系必需的聯絡耳機，因此沒有聽到飛行員讓他戴上氧氣面罩的通知。當飛機爬升到空氣稀薄的高空時，玻爾昏過去了。降落到倫敦機場后，歡迎他的人群發現這位偉大的物理學家已經奄奄一息。然而使玻爾大為懊惱的是，在匆忙的出逃中，他取錯了瓶子，在生死攸關的航程中豁出命來保護的，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，作為顧問，在洛斯阿拉莫斯實驗室指導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安靜地入睡了，再也沒有醒來。