本
文
摘
要
《伟大的科学家》
〔英〕安德鲁·罗宾逊 主编
丁曼旎 译
商务印书馆出版
《伟大的科学家》通过43位具有代表性的科学家的传记，带领读者回溯现代科学的发展历程，重温科学史上那一个个激动人心的时刻。透过这些科学家的故事，让我们对科学的本质有了更加直观、更加感性的认识，也让我们意识到科学并非只存在于象牙塔中，而科学家们的个人奋斗与成就从来都与人类的历史进程息息相关。
尼尔斯·玻尔（1885-1962）：量子学研究的领导者
安德鲁·惠特克/撰
那些第一次接触量子理论却没有感到震惊者不可能理解它。
——尼尔斯·玻尔，引自沃纳·海森堡所著，《物理和物理之外》，1971年
尼尔斯·玻尔在上个世纪的前30年对量子理论的发展做出了重大贡献。但更重要的是，对于那些追随其脚步的年轻物理学家来说，他是激励和指引。1921年，玻尔的理论物理研究所在哥本哈根成立。除去战争岁月，这座研究所一直是世界理论物理研究的圣地，直到他去世。几乎所有对理论物理做出主要贡献者，都有相当长的时间是在哥本哈根度过的。他们向玻尔解释他们的想法，与玻尔一同工作和辩论，并学习他的物理学研究方法。
1925-1926年，沃纳·海森堡与欧文·薛定谔实现了量子理论的综合之后，玻尔建立了可以理性地描述量子理论中明显似是而非的各个方面的互补性框架，并声称这一框架是为了“解释”数学结果。玻尔对核物理也做出了重要的贡献。晚年时，他成为物理学界的元老和世界和平的信徒。
1911年，玻尔和他未来的妻子玛格丽特，一年后他们结婚了
一个具有开拓精神的家族
1885年10月7日，玻尔出生在哥本哈根。1890年，他的父亲克里斯蒂安成为哥本哈根大学的生理学教授。作为一名优秀的科学家，他最具影响力的著作是关于二氧化碳对血红蛋白释放氧气的影响。他因此在1907年和1908年两度获得诺贝尔医学奖提名。玻尔在优渥的环境中长大，同时也是在一种求知的氛围中长大。他的哥哥哈拉尔德是一位重要的数学家，在玻尔研究所隔壁的数学科学研究所担任所长。对于玻尔来说，作为一个丹麦人，一个不久前在与普鲁士的战争中一败涂地的小国公民，还将在20世纪面对更多的苦难。这一点塑造了他的生活。同样重要的是，他是半个犹太人的事实。
玻尔在丹麦完成学业。他的国际科学生涯始于1912年。他当时在曼彻斯特大学与欧内斯特·卢瑟福共事。之前一年，卢瑟福发现了原子核——原子几乎所有的质量都包含在其中心的一个极小的原子核中。玻尔的成就是把卢瑟福的研究成果与马克斯·普朗克的早期量子研究联系起来。自1900年量子理论建立以来，所有的分析都与辐射有关。著名的玻尔原子模型是该理论首次应用于原子。他在1913年发表的原子结构模型，将原子描绘成带正电荷的原子核被电子所包围。这一原子结构模型至今仍在使用。
他的研究基于对电子环绕原子核的轨道量子化，其角动量等于nh / 2π，其中n的取值为1,2,3……以表示各级轨道，h是普朗克常数，量子理论中最基本的常数。玻尔证明了原子中存在离散轨道或能级，它们之间可以发生跃迁。也就是说，电子可以从一个轨道跳到另一个轨道，吸收或散发辐射，其频率则由两个能级之间的能量差决定，而所必需的能量则由具有适当波长的光子（光粒子）提供。该模型的成功之处在于解释了氢原子吸收或发射的辐射谱线的波长。
1925年，玻尔在哥本哈根的理论物理研究所发表演讲
这是玻尔的一次胜利，令他理所当然地荣获1922年度的诺贝尔物理学奖。然而他也是第一个认识到这只是构建完善量子理论第一步的人。当时的物理学认为，他的原子模型是不稳定的，因为轨道上的电子会失去能量，螺旋进入原子核。因此量子理论要继续发展，就需要与过去进行更大的决裂。在接下来的10年里，这个过程充分利用了玻尔的“对应原理”。该原理指出，在量子理论中，那些适用于宏观系统的经典物理学法则或者前量子物理学法则一定可以被复制。以色列物理学家、物理学哲学家马克斯·贾默曾写道：“在物理学史上，很少有综合性理论能像量子力学那样，仅依赖一个原理——玻尔的对应原理。”
关于量子理论的争论
作为玻尔的学生和追随者，海森堡在1925年提出了量子理论第一个缜密的数学公式。也正是他，推导出了著名的不确定原理。该原理提出，不可能同时知道一个粒子的位置和动量。但玻尔将这一论点泛化为一种总体上的哲学方法，即“互补理论”，以解释量子理论的矛盾之处。互补原理指出，某些物体具有看起来相互矛盾的两种性质。有时我们可以在一个对象的不同面相间切换，以观察这些矛盾的属性，但我们不能同时观察到两者。玻尔说，我们应该专注于测量结果，而不是问为什么我们不能同时讨论动量和位置，或者为什么光有时表现为波，有时表现为粒子。玻尔在1936年写道：“由于研究对象和测量仪器之间不可避免的相互作用，我们不再具备讨论物理对象自主行为的立场，于是必须在逻辑上放弃原子物理学的因果关系观念。”
1925年，玻尔和爱因斯坦正在辩论
除了薛定谔，多年来几乎没有人对玻尔处理这些概念问题的方法提出质疑。与海森堡不同，他按照自己的方式对量子理论进行了综合。爱因斯坦则要求对原子系统自身有更深刻的理解，而不是仅仅讨论原子如何与测量值相关。当时普遍认为，玻尔在20世纪20、30年代著名的玻尔-爱因斯坦辩论中获胜。这场辩论是公开进行的，如1927年10月著名的第五届索尔维量子理论会议。但最近这一观点受到了质疑，因为理论物理学家们开始对互补原理的许多原则提出了质疑。
1927年，参加索尔维会议的量子理论的缔造者
20世纪20年代，玻尔开创了观察不同态电子的方式，并以此为基础深化了对元素周期表的认识。到了30年代，他的兴趣转向核物理。他负责建立原子核的液滴模型。液滴模型可以解释许多实验结果，并在1938年年末莉斯·迈特纳和奥托·罗伯特·弗里希对核裂变的解释中发挥了重要作用。原子核就像液滴一样，可以发育出颈部，并一分为二。1939年，玻尔访问美国时，与约翰·惠勒一起提出了核裂变的详细理论。他们发现铀的主要同位素U-238不参与裂变，可裂变的是U-235，但仅占天然铀的0.7%。浓缩天然铀以增加U-235的比例是原子弹项目的重中之重，也是战后核能生产的关键。
伟大的丹麦科学家
在丹麦，玻尔显然被视为该国最杰出的公民。1931年，他被嘉士伯基金会评选为丹麦科学或艺术领域最有影响力的公民，并为其家庭提供了荣誉公寓。（他1912年与妻子玛格丽特成婚，并育有 6个儿子，其中四子奥格·玻尔后来也成为一名物理学家，并于1975年获得诺贝尔奖。）1940年4月丹麦被德国占领后，他们一家仍留在哥本哈根。次年10月，当时已加入纳粹核项目的海森堡对丹麦进行了一次备受争议的访问。期间他因为提出德国会取得胜利而激怒了丹麦的物理学家群体。在与玻尔的一次私人谈话中，他谈及制造核武器的可能性。这令他的导师玻尔大为不安。近60年后，这次访问成为迈克尔·弗莱恩的戏剧《哥本哈根》的故事原型。
1943年9月，丹麦犹太人要被驱逐到德国的消息传开后，玻尔与妻子逃往瑞典，之后又前往伦敦。同年11月，他和四子奥格前往美国，并加入了原子弹项目。玻尔主要关注的是这种新武器的政治影响。1944年5月，他拜会了当时的英国首相温斯顿·丘吉尔，希望说服他支持一个国际社会控制核武器的计划。然而令人遗憾的是，丘吉尔对此并不感兴趣。事实上，由于玻尔与苏联物理学家彼得·卡皮察有通信往来，丘吉尔差点儿指控玻尔叛国。（玻尔与彼得·卡皮察的通信实际已经得到英国秘密情报局的批准。）
战后，玻尔继续推动世界和平，但遗憾的是，几乎没有取得什么成果。然而1957年他还是在艾森豪威尔总统的见证下被授予首个原子和平奖。玻尔也对欧洲核子研究中心，以及位于诺迪塔的斯堪的纳维亚理论原子物理研究所和位于瑞索的丹麦核能工业应用中心的规划，都产生了巨大的影响。1962年11月，玻尔与世长辞。
作者：安德鲁·惠特克
编辑：周怡倩
