尼尔斯·玻尔—

尼尔斯·玻尔1885—1962

互补性思想家

雨后的彩虹七彩缤纷，是因为太阳光被某种“气镜”（即水滴）折射和反射。在实验室里，用玻璃多棱镜就能制造出这种彩虹现象，透过多棱镜的太阳光会散发出一道很宽的彩带，但如果你点燃煤气，让煤气发出的光透过多棱镜的话，情况就不同了，这时你看到的却是一连串细长的颜色不同的彩线，这种彩线的一端越来越密。“线状光谱”的迷人光辉催生着现代原子物理学的诞生。

那是1913年2月的一天，在哥本哈根大学的物理研究所里，二十七岁的尼尔斯·玻尔正在接待老同学汉斯·汉森的来访，汉森给玻尔介绍了他在哥廷根大学所做的线状光谱实验结果，并提到了30年前人们就知道的线间距原理：将不同的光线依次编号，红色光线为2，黄色光线为3，蓝色光线为4，这样依次类推，线间距就会随着这些编号数字的平方递减。与汉森的一席谈话使年轻的玻尔眼前一亮，他终于找到了自己一年多来苦思不得其解的原子理论的最后一个答案。1913年时，人们还不知道原子是什么样子，但丹麦神童玻尔却很快根据自己的原子理论研制出至今仍浮现在许多物理学家脑袋里的原子模型，尽管15年后谁都知道原子是无法制造的。原子的样子在当时虽然还不可想象，但人们都希望能有一幅描绘原子的图画，玻尔的原子模型就成了人们想象中的这幅图画。

■尼尔斯·玻尔，1900年后

玻尔在英国曼切斯特的欧内斯特·卢瑟福实验室里找到了原子模型的雏形，当时，欧内斯特·卢瑟福在试验中发现，原子基本上由虚空构成：即一个微小但质量很重的带正电的核和围绕原子核运转的带负电的电子壳，核与壳之间的巨大空间没有任何物质，玻尔把原子想象为行星体系，把在不同轨道上围绕原子核运转的电子看作是围绕太阳旋转的行星。但他同时也发现了这两者之间的差别，即与行星和太阳不同，电子和原子核是带电荷的。根据电动力学原理，带电荷的微粒在轨道上旋转时会释放能量，按照常理，电子运行速度会因此渐渐变慢，最终掉进原子核里，但原子却是稳定的。玻尔根据事实大胆地指出：原子不是经典物理观念的粒子，电子按照一个非经典的尚不可知的物理原理在一定的轨道上围绕原子核旋转，电子还可以从一个轨道转换到另一个轨道，电子在远离原子核时以光量子的形式吸收能量，在接近原子核时以光量子的形式释放能量，能量大小为其频率与普朗克常数的乘积。电子的能量取决于电子轨道与原子核的间距。

■为1958年世博会建造的原子博物馆已成为比利时首都布鲁塞尔的标志性建筑，其结构创意源自玻尔的原子模型

幸福的本质

玻尔广博深邃的思想有时往往夹带在机敏的幽默中，一则关于门上挂马蹄铁的趣闻充分说明了玻尔的机智幽默。当有人问他是否相信门上挂马蹄铁会带来好运时，他曾这样回答：“不，但有人跟我说过，马蹄铁也会给不相信的人带来好运。”

玻尔一下就把关于黑体辐射的普朗克量子理论、爱因斯坦的光量子模型、卢瑟福的现代实验和人们早就知道的发光气体的线状光谱融合在一起，他的原子模型是古代经典物理观念（行星体系）和当时还无法解释清楚的量子物理的奇妙结合。虽然这一新生事物还很难被解释清楚，但它的成功是有目共睹的。玻尔原子模型不但可以使人们根据电子轨道之间的间距来确定线状光谱的间距，而且也能使其他一些实验得到更好的解释和描述。玻尔在1913年分三步完成了他的原子模型，原子模型使他一举成名，并以“玻尔原子模型”载入史册。

■尼尔斯·玻尔在普林斯顿大学讨论一个公式。新泽西州，1950年3月21日

十几年后，量子物理理论终于可以根据量子物理的基本假设对电子轨道进行计算，这为直观的玻尔原子模型提供了坚实的理论基础。然而，量子力学理论与经典的观念格格不入，于是，玻尔又像一位新旧哲学之间的中间人一样站了出来，对量子力学作出了解释。他采用了互补性的思想，即两个完全不同甚至相互排斥的事实真相相互补充后形成一个统一的整体。在原子模型中，经典轨道和量子跃迁这两个现象互不相容。描述光现象时，有些实验表明光具有波动性，而其他实验则表明光具有粒子性（光量子），这是一对矛盾。大自然充满着矛盾，各种物理学理论无法对大自然作出完整一致的解释，而只能对个别现象作出本身正确但与其他理论相互矛盾的解释。这种情况无论在过去还是在今天都使人难以置信。

■尼尔斯·玻尔展示的带原子核和电子轨道的原子构造

天才与妄想

尼尔斯·玻尔几乎把他的所有草稿先口授给他的妻子、他的哥哥或他那些年轻的同事，由他们先作笔录，然后再由他本人对此进行不断的修改，这也许与其个人的天资有关，这种天资表明，天才与妄想往往只差一步之遥。玻尔在思考问题时有时会陷入忘我的自我分裂境界。“我绞尽脑汁百思不得其解，人怎么会思想、说话或写字呢？你看，任何运动都必须以方向为前提，如果没有一定的方向，思想就无法继续，但如果要确定一个方向，人就必须要先有思想。所以说，人在想到思想前就已经想过有关的思想了，这也就是说，任何似乎只是一瞬间产生的思想都是以恒久为前提的，这简直快要使我发疯了。”

尼尔斯·玻尔知道如何向他的同事们解释事物的互补性，在哥本哈根专门为他建造的研究所里，玻尔有机会向众多的物理学者传授互补性思想。20世纪20年和30年代的哥本哈根是物理学精英往的麦加，这些物理学精英知道新的量子物理学，并希望进一步发展量子物理学理论。据说当时在量子物理学领域要发表的论文几乎无一例外地都先寄往哥本哈根，经过尼尔斯·玻尔的审阅，玻尔为当时的物理学发展付出了巨大的心血。在为别人审阅论文的同时，他一刻也没放松自己的理论研究，他以电子轨道为基础对以前一直根据原子的重量来分类的元素周期作出了新的阐述，使物质的不同化学特性完全由电子构型决定这一点更加突出。玻尔还提出了一个原子核模型，这一模型帮助解释了奥托·哈恩和恩里科·费米在20世纪30年代末发现的令人称奇的现象：原子核的人工嬗变与核裂变。

1940年，丹麦被德国纳粹占领，受过基督教育的无神论者兼犹太人（母亲是犹太人）玻尔也因他为犹太同事和丹麦犹太人所做的努力而受到了德国占领者的监视。1943年，为了逃避逮捕他被迫逃离丹麦。英国特工后来将他从瑞典弄到了英国，并把玻尔作为英国对美国原子弹项目的一个“贡献”送到了美国的洛斯阿拉莫斯。在美国的曼哈顿项目（即原子弹项目）中，玻尔又一次扮演了一个综合性的角色，鼓励年轻的科学家投身原子弹的研制。就如许多物理学家一样，当时玻尔也十分担心希特勒会抢先研制出原子弹，玻尔很早就主张与其他国家一起分享核武器的知识，通过国际合作来研制核武器。他呼吁向东方实施政治开放，但没有得到任何回音，因为西方的政治家早有主张，打败希特勒后他们不会与共产党合作。

■尼尔斯·玻尔在哥本哈根大学实验室的回旋加速器前，1938年。回旋加速器是一种粒子加速器，由一块大电磁铁组成，电磁铁两极中间是一个扁平的真空室，真空室内部安装了两个半圆形的金属箱，金属箱中间是加速裂口和粒子源，真空室侧面装有一个偏转电容器，用来调控方向

直到生命将尽时，玻尔还一直思维敏捷，他曾尝试将他的互补性思想应用在其他知识领域，最后一个领域是当时新兴的分子生物学。

尼尔斯·玻尔

生平与学术生涯尼尔斯·玻尔于1885年10月7日出生在哥本哈根，父亲在哥本哈根大学教生理学，母亲出生在一个有名望的政治家和银行家家庭。尼尔斯与姐姐詹妮和弟弟哈拉尔特从小在宽松和睦的气氛中长大，兄弟俩小时候更是形影不离。1891年至1903年，尼尔斯在哥本哈根上学，他成绩出众，尤为突出的是体育，足球是他最喜爱的体育项目。中学毕业前的两年，他对物理和数学兴趣越来越大，后来这成为他大学期间的主修课程。1909年他大学毕业，1911年以《金属中的电子》为题完成博士论文。后来玻尔获得一个奖学金前往英国剑桥约瑟夫·约翰·汤姆逊实验室，但由于与汤姆逊关系不很融洽，他于1912年就离开剑桥前往曼切斯特加入到欧内斯特·卢瑟福的研究团队，在曼切斯特，玻尔开始了原子模型的最初研究工作。1913年玻尔回到哥本哈根，发表了三篇奠定其声誉的重要论文。1913年夏天他成为哥本哈根大学的讲师，1914年至1915年，他再次来到曼切斯特与卢瑟福合作，1916年他应召主持哥本哈根大学理论物理学讲席，1920年玻尔担任新成立的理论物理学研究所所长，直至他去世。哥本哈根理论物理学研究所当时是理论物理学家们向往的圣地，特别是对于那些从纳粹德国逃离出来的物理学家来讲，理论物理学研究所成了他们的世外桃源。玻尔提出的原子光谱理论为他赢得了1922年的诺贝尔物理学奖，这以后不久，量子理论也相继诞生，玻尔提出了针对这一新理论的“哥本哈根解释”和互补性哲学思想。20世纪30年代，玻尔提出了可以解释核裂变的原子核理论，1943年他为了躲避德国纳粹分子的迫害逃亡到瑞典，最终经英国来到了美国。在美国，他参与了人类历史上第一颗原子弹的研制工作，玻尔很早就主张国际社会对核武器进行监督和控制。第二次世界大战结束后，玻尔返回哥本哈根。尼尔斯·玻尔于1912年结婚，共生有6个儿子，其中一个儿子（奥格·玻尔）后来也成为理论物理学家，并与丹麦人B·莫特尔森和美国人J·雷恩沃特一起获得了1975年的诺贝尔物理学奖。1962年11月18日，尼尔斯·玻尔因心脏病在哥本哈根的家中去世。尼尔斯·玻尔去世后，哥本哈根研究所由其儿子奥格·玻尔接管。

相关知识

哥本哈根解释

玻尔和爱因斯坦都很尊重对方，但这并不影响他们关于量子理论的激烈争论。爱因斯坦总是想通过思想实验来使他的丹麦同事相信，量子力学不可能是一种完整自洽的理论，而玻尔却总是有办法反驳爱因斯坦的异议，捍卫这一理论的哥本哈根解释。哥本哈根解释认为量子理论的公式原则上只说明物理系统的静止状态，只有通过测量才能使一种状态的可能性变为真实性。

推荐

阅读：

《尼尔斯·玻尔——一个原子物理学家的生平和著作》， Ulrich Röseberg著，Heidelberg 1992

《与尼尔斯·玻尔一起度过的年头》， Stefan Rozental著，Stuttgart 1991

《尼耳斯·玻尔传》， Abraham Pais著，戈革译，商务印书馆200 1

《和谐与统一：尼耳斯·玻尔的一生》， Niels Blaedel著，戈革译，东方出版中心1998

点评

物理学家尼尔斯·玻尔提出了第一个可利用的原子模型并提出了量子物理学的哲学思想，但这并没有使量子物理学本身变得简单易懂。