玻尔与哥本哈根精神

 
 
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玻尔作为科学上的一位思想家之所以具有如此惊人的吸引力,是因为他对隐秘事物的直觉的理解力,同时又兼有如此强有力的批判能力。——爱因斯坦

联合国教科文组织将今年定为“世界物理年”,主要是为纪念“爱因斯坦奇迹年”百年。

1905年,爱因斯坦在狭义相对论、光量子理论、热分子运动论等方面做出了杰出贡献。这使得爱因斯坦的英名在科学界乃至社会上广为人知。然而,还有一位科学家比爱因斯坦晚出生6年,晚逝世7年,比爱因斯坦晚1年荣获诺贝尔物理学奖,也比爱因斯坦多活了1岁,无论从个人的品格、科学的贡献、哲学的深刻等方面,他均可与爱因斯坦相媲美——他就是1922年诺贝尔物理学奖得主、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,公元1885~1962年)。

玻尔理论、对应原理和互补原理

1885年10月7日,丹麦哥本哈根大学30岁的生理学教授克里斯蒂安的大儿子尼尔斯·玻尔诞生了。尼尔斯·玻尔受到了良好的家庭教育,他从小即被允许旁听父亲同朋友们以悖论形式讨论问题,他的同学杰布朗回忆说,玻尔终生伴随着“孩子对游戏的爱好”和“孩子般的好奇心”。

1903年,玻尔入哥本哈根大学数学和自然科学系,攻读物理学。1907年以有关水的表面张力的论文获丹麦皇家科学文学院的金质奖章,并先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。后来他得到一笔出国深造的奖学金,便立即去英国剑桥大学从师皇家学会会长汤姆孙,后又到美国曼彻斯物在卢瑟福的指导下工作。

1912年,27岁的玻尔运用光谱分析探索原子内部结构,于1913年发表《论原子和分子的构造》,为了解释原子吸收和发射,他大胆地违反牛顿力学和麦克斯韦电磁理论,而把最新的卢瑟福的有核原子模型(1911年)和普朗克的量子论(1900年)结合起来,提出了著名的“玻尔理论”——原子的定态假设和频率法则,成功地解释了氢原子的光谱规律。他把原来只用于能量的量子概念加以推广,为以后各种物理量的量子化打开了大门。通过对原子结构的进一步研究,他正确地预言,在复杂原子中,电子必须以“壳层”形式出现,而对于一种具体元素来说,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。他使化学从定性科学变为定量科学,并使物理学和化学这两个学科建立在同一基础之上。

1916年,爱因斯坦从玻尔的原子结构理论出发,研究了分子的吸收和发射辐射过程,用统计方法分析了自发发射和受激发射两种发射过程,提出了受激辐射理论,成为20世纪60年代蓬勃发展的激光技术的理论基础。

也是在1916年,玻尔提出“对应原理”,认为原子的量子力学模型在线度很大时必定趋于经典力学。他在1924年发表的《辐射的量子理论》一文中的某些观念,对随后量子力学的创立起了一定的启发作用。

玻尔自1912年回到哥本哈根大学任讲师,1916年升任教授,1920年创建“玻尔研究所”,著名的哥本哈根学派逐渐形成。

继爱因斯坦于1921年荣获诺贝尔物理学奖之后,玻尔于1922年因原子结构和原子辐射的研究而荣获诺贝尔物理学奖,当时年仅37岁。他的获奖演说《原子结构》就原子的一般图像、原子的稳定性和电动力学理论、量子力学的起源、原子结构的量子论、氢光谱、元素之间的关系、光谱的吸收和激发、多周期系统的量子论、对应原理、元素的自然周期系、X射线谱和原子结构等方面做了深刻的阐述,是一篇物理学经典文献。

1927年,作为哥本哈根学派的领袖,玻尔在他的学生海森伯提出粒子的位置和动量之间,能量和时间之间“测不准原理”的基础上,进行哲学的概括,提出了“互补原理”。其主要论点是:“量子论的本性迫使我们把空间—时间坐标标示和因果性要求,看做是各自用来表示观察和定义的理论化描述的两个彼此互补但又互斥的特征,而这两者的结合则是古典理论的特征。”这种哲学就是所谓量子力学的“哥本哈根解释”,20世纪30年代以后成为“正统观点”量子力学。