不怕承认自己的不足——【丹麦】尼尔斯·玻尔（1885～1962年）.pdf

KEXUEJIAGUSHI j科学家故事 不J}B承认自己的不足 【丹麦】尼尔斯·玻尔(1885～1962年) 文／江正华 1927年10月，在布鲁塞尔 举行的第五届索耳未物理讨论 会上，一位物理学家提出了对量 子力学的诠释，遭到了爱因斯坦 的强烈反驳爱因斯坦对这位 物理学家提出的量子力学的相 关理论表示不能容忍，批评他对 统计解释是“掷骰子”，抨击“测 不准原理”和“互补原理”是“绥 靖哲学”但是，这位科学家没 有就此放弃自己的观点，而是坚 持“是真是假，自己干干再 说”这位科学家就是丹麦物理 学家玻尔，他和爱因斯坦的学术 论战成为科学吏上一段著名的 史话 雏鹰初展翅 1885年10月7日，尼尔斯· 玻尔出生在丹麦哥本哈根一个富 裕的知识分子家庭父亲是哥本 哈根大学的一位生理学教授，母亲 出身于一个在银行界、政治界、古 典语言学享有声望的富裕的犹太 人家族，性格温柔谦和，他们允许 孩子的天赋充分地发展玻尔还 在上中学时，父亲就发现了这个行 动缓慢、做事专心的孩子在物理学 上的天赋，于是极力启发他对物理 学的兴趣，并且在和朋友就科学、 哲学、文学和政治问题进行讨论 时，允许玻尔旁听这对玻尔影响 深远，他的物理天赋很快被大众所 瞩目。

1903年，玻尔考入哥本哈根大 学数学和自然科学系1906年，他 用自己研制的实验装置，通过对实 验结果的深入分析，完成了论文《用 液流振动法测定水的表面张力》，并 获得哥本哈根科学院颁发的金质奖 章当时，他还是个在校大学生 在玻尔学习物理的时期，科 学正经历着迅速的发展19世纪 末，汤姆逊发现一细束阴极射线能 在电场和磁场中弯曲看起来，这 束射线是由迄今人们所不知道的、 质量比最轻的原子还小的微粒组 成的尽管这一发现在当时被认 为只有理论上的意义，但全世界已 开始研究起这一后来被荷兰人洛 伦兹称为“电子”的微粒来玻尔 的硕士论文以及后来的博士论文 都是研究洛伦兹的电子论191 1 年，玻尔写成了题为《金属电子论 研究》的博士论文，详细地分析了 金属的导电性、传热性和磁性当 时，玻尔的博士论文答辩会引起了 广泛关注一家报纸报道说．“尼 尔斯·玻尔所写的内容、所提出的 问题都太新颖、太不寻常了，以至 于没有人能够对他提出问题 不久，玻尔获得特别奖学金， 到剑桥大学跟权威物理学家汤姆逊 见习一年，这令玻尔欣喜若狂然 而，汤姆逊对玻尔所提出的课题已 不感兴趣，并且鉴别不了玻尔论文 的重要性。

尽管如此，留在卡文迪 许实验室的他仍竭力进行实验工 作，同时从事自己的理论研究 固 咽 科学家故事I KEXUEJIAGUSHI 确立原子结构模型 191 2年春，玻尔移居曼彻斯 特，来到卢瑟福的实验室此时， 卢瑟福用a粒子轰击原子内部，确 证了原子核的存在，并按照哥白尼 行星运动规律解释原子模型，认为 原子中心是原子核，电子在不停地 绕核旋转但事实上，原子结构和 天体力学之间存在着根本区别，卢 瑟福模型遭遇到了困难 经过一段时间的深入研究，玻 尔利用古典力学和普朗克一爱因斯 坦量子概念，成功地解释了一系列 实验事实，并分别于1913年7月、9 月和11月分3次发表《论原子和分 子的结构》这一长篇论文，阐述他 的研究结果在这篇论文中，玻尔 抛弃了经典的辐射理论，引进了普 朗克的量子概念，提出定态假设、 频率法则两条假设，从而奠定了原 子结构理论的基础 玻尔的论文引起广泛争论，一 些古典物理学的杰出代表，如汤姆 逊和瑞利，认为论文内容是错误 的，但许多物理学家却热烈地支持 这个理论不管人们如何争论，玻 尔的这篇论文出色地解释了原子 的稳定性与原子光谱的分立性，第 一次提出了原子体系与行星体系 的本质区别，确立了被后人称之为 “卢瑟福一玻尔模型的原子结构模 型”。

从此，原子核物理学诞生了， 原子物理学出现了 哥本哈根精神 1919年，丹麦当局为玻尔建 造了一所实验室此后，玻尔一直 领导着哥本哈根大学的这个研究 所，直到1962年逝世在玻尔的领 导下，实验室聚集了来自世界各地 最年轻而杰出的科学家，这个研究 所很快成为研究原子和微观世界 问题的中心海森堡、狄拉克、泡 利、朗道等许多杰出的科学家都先 后在这里工作过 更难能可贵的是，玻尔与同事 在创建与发展科学的同时，还创造 了“哥本哈根精神”——这是一种 独特的、浓厚的、平等自由地讨论 和相互紧密地合作的学术气氛 直到今天，很多人还说“哥本哈根 精神”在国际物理学界是独一无二 的曾经有人问玻尔：“你是怎么 把那么多有才华的青年人团结在 身边的?”他回答说：“因为我不怕 在年青人面前承认自己知识的不 足，不怕承认自己是傻瓜 1928年，玻尔根据微观粒子 的“波粒二象性”和“测不准原理”， 提出著名的“互补原理”他认为， 在量子领域里总是存在互相排斥 的两套经典特征，正是它们的互补 构成了量子力学的基本特征他 认为，互补性是因果性的“合理推 广”尤其在晚年，玻尔用这种观 点论述了物理科学、生物科学、社 会科学和哲学中的无数问题，对西 方学术界产生了相当重要的影Ⅱ向。

玻尔的互补哲学受到了许许 多多有影响的学者们的拥护，但也 受到另一些同样有影响的学者们 的反对围绕着这样一些问题，以 玻尔为代表和以爱因斯坦为代表 的科学家爆发了历史上著名的学 术大论战，这场论战已经进行了好 几十年，至今并无最后的结论，而 且看来离结束还很遥远 亦喜亦忧原子能 从20世纪30年代开始，玻尔 的研究所花在原子核物理学方面 的力量更大了他在30年代中期 提出了核的液滴模型，认为核中的 粒子有点像液滴中的分子，它们的 能量服从某种统计分布规律，粒子 在“表面”附近的运动导致“表面张 力”的出现，如此等等这种模型 能够解释某些实验事实，是历史上 第一种相对正确的核模型在这 个基础上，他又于1936年提出了复 合核的概念，认为低能中子在进入 原子核内以后，将和许多核子发生 相互作用而使它们被激发，结果就 导致核的蜕变这种颇为简单的 关于核反应机制的图像至今也还 有它的用处 当迈特纳、弗里施根据哈恩等 人的实验提出了重核裂变的想法时， 玻尔等人立即理解了这种想法，并对 裂变过程进行了更详细的研究，玻尔 KEXUEJIAGUSHI I科学家故事 并且预言了由慢中子引起裂变的是 铀一235而不是铀一238。

1940年，德国法西斯侵占丹 麦后，玻尔研究所里世界各国物理 学家的富有成效的合作被中断，玻 尔也面临遭逮捕的威胁1 943年， 他被盟军经瑞典转移至英国，不久 又去了美国，积极地参与了制造原 子弹的“曼哈顿计划” 虽然玻尔以科学顾问的身份 推动了原子武器的研制工作，但他 坚决反对使用原子弹1950年6 月，他发表了《致联合国的公开 信》，重复了他建立“开放的世界” 的恳求和“原子能的发展应在各国 之间完全公开”的主张除此以 外，玻尔还将他许多时间和精力献 给了原子能的和平利用上 1962年1 1月18日，77岁的 尼尔斯·玻尔午睡时因心脏病猝发 而逝世为了表示对这位天才的 科学家和思想家的悼念，原苏联科 学家把1970年合成的第1O5号化 学元素取名镦(符号Ns，即“尼尔 斯”的缩写) 3O年的学术争论 1927年10月，在比利时布鲁 塞尔举行的第五届索耳未物理讨 论会上，爱因斯坦同玻尔展开了激 烈的争论爱因斯坦认为，量子理 论的统计性是由于这个理论未能 对物理现象提供一个完备和协调 的描述他相信进一步发展会展 现一个更深刻的理论，在这理论 中，原子尺度上的事件可以被确切 预言，而不只是几率。

物理学会重 新回到人们所熟悉的经典理论的 因果性描述爱因斯坦接二连三 地提出几个理想实验想批倒“测不 准原理”，但都被玻尔逐一驳倒 爱因斯坦似乎在这次交锋中输给 了玻尔，玻尔成功地捍卫了哥本哈 根学派诠释的逻辑的无矛盾性 3年之后，在1930年10月的第 六届索耳未会议上，爱因斯坦提出了 著名的“光匣”的理想实验：这个匣子 中充满了辐射，在其一壁上装有一个 用时钟装置控制的快门在匣子发 出一个光子之前和放出光子之后，分 别测定匣子的质量爱因斯坦论证， 释放光子过程的时间间隔可以用时 钟机构精确测定，而光子的能量也能 精确地测定这样，就显然违反了 “测不准原理” 这是一次严峻的挑战，爱因斯 坦用他的狭义相对论巧妙地“驳 倒”了哥本哈根学派的理论据目 睹者回忆，当时玻尔震惊得目瞪口 呆然而第二天，玻尔精神抖擞地 给爱因斯坦以“致命”的反驳按 照爱因斯坦的广义相对论，能够证 明，在称质量过程中，匣子在重力 场中的位移，会干扰控制光子发射 的时钟装置的速率，从而导致一个 误差，这正是满足测不准关系所需 要的数量玻尔运用广义相对论， 掉头来反击它的创立者，从而维护 了量子理论这次，轮到爱因斯坦 目瞪口呆了。

又过了5年，1935年5月，美 国《物理评论》发表爱因斯坦同玻 多尔斯基和罗逊3人合写的论文 《量子力学对物理实在的描述是完 备的吗》，被称为“EPR佯谬”EPR 佯谬”的前提是“完备理论的条件” 和“物理实在的判据”，而后者是指 “空间上分隔开的客体的实在状况 是彼此独立的”，这一原则也称为 “爱因斯坦可分离性原则”玻尔 则针锋相对地提出“不可分离性” 作为反驳“EPR佯谬”的武器，于5 个月后的1935年1O月，在《物理评 论》上发表了相同标题的论文 近3O年之后的1964年，科 学家贝尔根据爱因斯坦可分离性 原则，导出一个两粒子自旋系统 的不等式，即“贝尔不等式”此 后，物理学家对“贝尔不等式”证 明、简化，最终可能用仪器来检验 “贝尔不等式”，作出判决性实 验实验结果表明，在少数情况 下不违反“贝尔不等式”，多数情 况下支持玻尔的理论因此，目 前尚不能对爱因斯坦和玻尔的争 论作出最后裁决 不过，在争论过程中，两位顶 级物理学家的物理学思想和哲学 思想的相互渗透、交融和互补，对 物理学和科学哲学的发展大有裨 益长期论战也丝毫没有影响他 们之间的深厚情谊，他们一直相互 关心，相互尊重，终身挚友。