標籤:哥本哈根學派

尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾(Niels Henrik David Bohr,1885年10月7日~1962年11月18日) ),丹麥物理學家。他通過引入量子化條件,提出了玻爾模型來解釋氫原子光譜,提出互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學,對二十世紀物理學的發展有深遠的影響。玻爾為丹麥物理學家,哥本哈根學派的創始人。哥本哈根大學科學碩士和哲學博士(PhD),丹麥皇家科學院院士,曾獲丹麥皇家科學文學院金質獎章,英國曼徹斯特大學和劍橋大學名譽博士學位,諾貝爾物理學獎。

1人物生平

1885年10月7日,玻爾生於哥本哈根,父親克里斯丁·玻爾是哥本哈根大學的生理學教授,母親出身於一個富有的猶太人家庭,從小受到良好的家庭教育,並愛好足球,曾經和弟弟哈那德·玻爾共同參加職業足球比賽。1903年玻爾進入哥本哈根大學學習物理,1911年獲博士學位。隨後,他曾在曼徹斯特大學盧瑟福的實驗室短期工作。基於盧瑟福的原子核理論和普朗克的量子說,1913年玻爾提出了原子結構的玻爾模型。按照這一模型電子環繞原子核作軌道運動,外層軌道比內層軌道可以容納更多的電子;較外層軌道的電子數決定了元素的化學性質。如果外層軌道的電子落入內層軌道,將釋放出一個帶固定能量的光子。玻爾18歲進入哥本哈根大學,很快就成了哥本哈根大學足球俱樂部的明星守門員,他習慣在足球場上一邊心不在焉地守著球門,一邊用粉筆在門框上排演著公式。玻爾後來進入科研機構,專心於原子物理研究,但他仍不忘心愛的足球,業餘時間常把踢足球當做休息,成為一名不折不扣的「科學家球星」。不過他也有分神的時候,據丹麥AB隊史料記載,在一場AB隊與德國特維達隊的比賽中,德國人外圍遠射,尼爾斯?玻爾卻在門柱旁邊思考一道數學難題。
尼爾斯·玻爾 講課圖

  尼爾斯·玻爾 講課圖

1903年,進入哥本哈根大學數學和自然科學系,主修物理學。
1907年,玻爾以有關水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學文學院的金質獎章,並先後於1909年和1911年分別以關於金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。隨後去英國學習,先在劍橋J.J.湯姆孫主持的卡文迪什實驗室,幾個月後轉赴曼徹斯特,參加了以E.盧瑟福為首的科學集體,從此和盧瑟福建立了長期的密切關係。
1912年,玻爾考察了金屬中的電子運動,並明確意識到經典理論在闡明微觀現象方面的嚴重缺陷,讚賞普朗克和愛因斯坦在電磁理論方面引入的量子學說。創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結合了起來。
1913年初,玻爾任曼徹斯特大學物理學助教時,在朋友的建議下,開始研究原子結構,通過對光譜學資料的考察,寫出了《論原子構造和分子構造》的長篇論著,提出了量子不連續性,成功地解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質。
1916年任哥本哈根大學物理學教授,
1917年當選為丹麥皇家科學院院士。
1920年創建哥本哈根理論物理研究所,任所長。他在此後的四十年,一直擔任這一職務。
1921年,玻爾發表了《各元素的原子結構及其物理性質和化學性質》的長篇演講,闡述了光譜和原子結構理論的新發展,詮釋了元素周期表的形成,對周期表中從氫開始的各種元素的原子結構作了說明,同時對周期表上的第72號元素的性質作了預言;
1922年,第72號元素鉿的發現證明了玻爾的理論,玻爾由於對於原子結構理論的貢獻獲得諾貝爾物理學獎。他所在的理論物理研究所也在二三十年代成為物理學研究的中心。
1923年,玻爾接受英國曼徹斯特大學和劍橋大學名譽博士學位。
1930年代中期,研究發現了許多中子誘發的核反應。玻爾提出了原子核的液滴模型,很好地解釋了重核的裂變。
玻爾認識到他的理論並不是一個完整的理論體系,還只是經典理論和量子理論的混合。他的目標是建立一個能夠描述微觀尺度的量子過程的基本力學。為此,玻爾提出了著名的「互補原理」,即宏觀與微觀理論,以及不同領域相似問題之間的對應關係。互補原理指出經典理論是量子理論的極限近似,而且按照互補原理指出的方向,可以由舊理論推導出新理論。這在後來量子力學的建立發展過程中得到了充分的驗證。玻爾的學生海森堡在互補原理的指導下,尋求與經典力學相對應的量子力學的各種具體對應關係和對應量,由此建立了矩陣力學。互補理論在狄拉克、薛定諤發展波動力學和量子力學的過程中起到了指導作用。
在對於量子力學的解釋上,玻爾等人提出了哥本哈根詮釋,但遭到了堅持決定論的愛因斯坦及薛定諤等人的反對。從此玻爾與愛因斯坦開始了玻爾-愛因斯坦論戰,最有名的一次爭論發生在第六次索爾維會議上,愛因斯坦提出了後來知名為愛因斯坦盒子的問題,以求駁倒不確定性原理。玻爾當時無言以對,但冥思一晚之後發現巧妙的進行了反駁,使得愛因斯坦只得承認不確定性原理是自洽的。這一爭論一直持續至愛因斯坦去世。
1937年5、6月間,玻爾曾經到過中國訪問和講學。期間,玻爾和束星北等中國學者有過深度學術交流,玻爾稱束星北是愛因斯坦一樣的大師。束星北的文章《引力與電磁合論》、《愛因斯坦引力理論的非靜力場解》是相對論早期的重要論述。
1939年,玻爾任丹麥皇家科學院院長。第二次世界大戰開始,丹麥被德國法西斯佔領。1943年玻爾為躲避納粹的迫害,逃往瑞典。
1944年,玻爾在美國參加了和原子彈有關的理論研究。
1947年,丹麥政府為了表彰玻爾的功績,封他為「騎象勛爵」。
1952年,玻爾倡議建立歐洲原子核研究中心(CERN),並且自任主席。
1955年,玻爾參加創建北歐理論原子物理學研究所,擔任管委會主任。同年丹麥成立原子能委員會,玻爾被任命為主席。
1962年11月18日,玻爾因心臟病突發在丹麥的卡爾斯堡寓所逝世,享年77歲。
二戰與戰後二戰期間德軍佔領丹麥,海森堡前往哥本哈根與玻爾相見,即哥本哈根會見。此次會談的內容各當事人說法不一,至今仍然在爭論之中,但可以確定的是海森
500丹麥克朗正面印有尼爾斯·玻爾的頭像

  500丹麥克朗正面印有尼爾斯·玻爾的頭像

堡的話讓玻爾十分生氣,並損害了他們倆的友誼。為避免被德軍扣留,玻爾被迫於1943年逃離丹麥,坐船前往瑞典,然後坐一架小飛機到達倫敦。為了防止被人發現,飛機要飛得很高。據說玻爾因為專心思考,而忘記了戴氧氣面罩。另一種說法是玻爾的頭太大,面罩尺寸不合適,使得玻爾在空中曾失去了知覺。隨後玻爾從倫敦前往美國,任洛斯阿拉莫斯實驗室所進行的負責研製原子彈的曼哈頓計劃的顧問。按照著名物理學家費曼的說法,當時玻爾就如同物理界的神一般受到大家尊敬。1945年,玻爾回到丹麥,此後致力於推動原子能的和平利用。1962年11月18日,玻爾在哥本哈根去世,去世前一天,他還在工作室的黑板上畫了當年愛因斯坦那個光子盒的草圖。
1965年玻爾去世三周年時,哥本哈根大學物理研究所被命名為尼爾斯·玻爾研究所。1997年IUPAC正式通過將第107號元素命名為Bohrium,以紀念玻爾。
其子奧格·尼爾斯·玻爾也是物理學家,於1975年獲得諾貝爾物理學獎。

2量子力學

玻爾從1905年開始他的科學生涯,一生從事科學研究,整整達57年之久。他的研究工作開始於原子結構未知的年代,結束於原子科學已趨成熟,原子核物理已經得到廣泛應用的時代。他對原子科學的貢獻使他無疑地成了20世紀上半葉與愛因斯坦並駕齊驅的、最偉大的物理學家之一。
原子結構理論模型
在1913年發表的長篇論文《論原子構造和分子構造》中認為氫原子的原子核是一個質子,
氫原子光譜的巴爾末系

  氫原子光譜的巴爾末系

原子核帶正電,原子核外有一個電子,帶負電,它們之間的相互作用主要是庫侖力的吸引。電子環繞原子核運動時,只有滿足一個條件時,運動才是穩定的。這個條件被稱為量子化條件,量子化條件要求電子繞核運動的角動量不能取任意值,只能取約化普朗克常數的整數倍。這表明穩態氫原子的能量可取值也不能連續變化,而只能取某些分立的值。按照這個理論模型,穩態氫原子的能量是負的,並且與主量子數(principal quantum number)的平方成反比。當氫原子從能量較高的狀態變回能量相對更低的狀態時,多餘的能量就要以電磁輻射的形式放出,表現為有確定能量的光量子,形成巴耳末系。
玻爾的原子結構模型為一個「半經典物理學」的原子結構理論模型,這個模型很好地解釋了氫原子的結構問題,而且可以精確地導出普遍描述氫原子光譜的里伯德公式
v=R[(n^-2)-(n'^-2)]
其中v為頻率。n、n'為兩個不同的主量子數。
玻爾的原子結構模型還存在著一定的缺陷,但它是原子結構上里程碑式的認識,極大地啟發了海森堡、薛定諤、玻恩等人,為現代量子力學的結構模型奠定了基礎。
互補原理
1928年玻爾首次提出了互補性觀點,試圖回答當時關於物理學研究和一些哲學問題。其基本思想是,任何事物都有許多不同的側面,對於同一研究對象,一方面承認了它的一些側面就不得不放棄其另一些側面,在這種意義上它們是「互斥」的;另一方面,那些另一些側面卻又不可完全廢除的,因為在適當的條件下,人們還必須用到它們,在這種意義上說二者又是「互補」的。
按照玻爾的看法,追究既互斥又互補的兩個方面中哪一個更「根本」,是毫無意義的;人們只有而且必須把所有的方面連同有關的條件全都考慮在內,才能而且必能(或者說「就自是」)得到事物的完備描述。
玻爾認為他的互補原理是一條無限廣闊的哲學原理。在他看來,為了容納和排比「我們的經驗」,因果性概念已經不敷應用了,必須用互補性概念這一「更加寬廣的思維構架」來代替它。因此他說,互補性是因果性的「合理推廣」。尤其是在他的晚年,他用這種觀點論述了物理科學、生物科學、社會科學和哲學中的無數問題,對西方學術界產生了相當重要的影響。
玻爾的互補哲學受到了許許多多有影響的學者們的擁護,但也受到另一些同樣有影響的學者們的反對。圍繞著這樣一些問題,爆發了歷史上很少有先例的學術大論戰,這場論戰已經進行了好幾十年,至今並無最後的結論,而且看來離結束還很遙遠。
原子核
作為盧瑟福的學生,玻爾除了研究原子物理學和有關量子力學的哲學問題以外,對原子核問題也是一直很關心的。從20世紀30年代開始,他的研究所花在原子核物理學方面的力量更大了。他在30年代中期提出了核的液滴模型,認為核中的粒子有點像液滴中的分子,它們的能量服從某種統計分佈規律,粒子在「表面」附近的運動導致「表面張力」的出現,如此等等。這種模型能夠解釋某些實驗事實,是歷史上第一種相對正確的核模型。在這樣的基礎上,他又於1936年提出了複合核的概念,認為低能中子在進入原子核內以後將和許多核子發生相互作用而使它們被激發,結果就導致核的蛻變。這種頗為簡單的關於核反應機制的圖像至今也還有它的用處。
當L.邁特納和O.R.弗里施根據O.哈恩等人的實驗提出了重核裂變的想法時,玻爾等人立即理解了這種想法並對裂變過程進行了更詳細的研究,玻爾並且預言了由慢中子引起裂變的是鈾-235而不是鈾-238。他和J.A.惠勒於1939年在《物理評論》上發表的論文,被認為是這一期間核物理學方面的重要成就。眾所周知,這方面的研究導致了核能的大規模釋放。

3學派

1921年,在玻爾的倡議下成立了哥本哈根大學理論物理學研究所。玻爾領導這一研究所先後達40年之久。這一研究所培養了大量的傑出物理學家,在量子力學的興起時期曾經成為全世界最重要、最活躍的學術中心,而且至今仍有很高的國際地位。
玻爾是量子力學中著名的哥本哈根學派的領袖,他以自己的崇高威望在他周圍吸引了國內外一大批傑出的物理學家,創建了哥本哈根學派。他們不僅創建了量子力學的基礎理論,並給予合理的解釋,使量子力學得到許多新應用,如原子輻射、化學鍵、晶體結構、金屬態等。更難能可貴的是,玻爾與他的同事在創建與發展科學的同時,還創造了「哥本哈根精神」——這是一種獨特的、濃厚的、平等自由地討論和相互緊密地合作的學術氣氛。直到今天,很多人還說「哥本哈根精神」在國際物理學界是獨一無二的。曾經有人問玻爾:「你是怎麼把那麼多有才華的青年人團結在身邊的?」他回答說:「因為我不怕在年青人面前承認自己知識的不足,不怕承認自己是傻瓜。」實際上,人們對原子物理的理解,即對所謂原子系統量子理論的理解,始於本世紀初,完成於20年代,然而「從開始到結束,玻爾那種充滿著高度創造性,銳敏和帶有批判性的精神,始終指引著他的事業的方向,使之深入,直到最後完成。」

4爭論

愛因斯坦與玻爾圍繞關於量子力學理論基礎的解釋問題,開展了長期而劇烈的爭論,但他們始終是一對相互尊敬的好朋友。玻爾高度評價這種爭論,認為它是自己「許多新思想產生的源泉」,而愛因斯坦則高度稱讚玻爾:
「作為一位科學思想家,玻爾所以有這麼驚人的吸引力,在於他具有大膽和謹慎這兩種品質的難得融合;很少有誰對隱秘的事物具有這一種直覺的理解力,同時又兼有這樣強有力的批判能力。他不但具有關於細節的全部知識,而且還始終堅定地注視著基本原理。他無疑是我們時代科學領域中最偉大的發現者之一。」
友誼
玻爾與愛因斯坦

  玻爾與愛因斯坦

玻爾和愛因斯坦是在1920年相識的。那一年,年輕的玻爾第一次到柏林講學,和愛因斯坦結下了長達35年的友誼。但也就是在他們初次見面之後,兩人即在認識上發生分歧,隨之展開了終身論戰。他們只要見面,就會唇槍舌劍,辯論不已。1946年,玻爾為紀念愛因斯坦70壽辰文集撰寫文章。當文集出版時,愛因斯坦則在文集末尾撰寫了長篇《答詞》,尖銳反駁玻爾等人的觀點。他們的論戰長達30年之久,直至愛因斯坦去世。但是,長期論戰絲毫不影響他們深厚的情誼,他們一直互相關心,互相尊重。愛因斯坦本來早該獲得諾貝爾獎,但由於當時有不少人對相對論持有偏見,直到1922年秋才迴避相對論的爭論,授予他上年度諾貝爾物理獎,並決定把本年度的諾貝爾物理獎授予玻爾。這兩項決定破例同時發表。愛因斯坦當時正赴日本,在途經上海時接到了授獎通知。而玻爾對愛因斯坦長期未能獲得諾貝爾獎深感不安,怕自己在愛因斯坦之前獲獎。因此,當玻爾得知這一消息后非常高興。立即寫信給旅途中的愛因斯坦。玻爾非常謙虛,他在信中表示,自己之所以能取得一些成績,是因為愛因斯坦作出了奠基性的貢獻。因此,愛因斯坦能在他之前獲得諾貝爾獎,他覺得這是「莫大的幸福」。愛因斯坦在接到玻爾的信后,當即回了信。信中說:「我在日本啟程之前不久收到了您熱情的來信。我可以毫不誇張地說,它象諾貝爾獎一樣,使我感到快樂。您擔心在我之前獲得這項獎金。您的這種擔心我覺得特別可愛——它顯示了玻爾的本色。」

5運動員

他也是一個足球運動員,20世紀初丹麥一位頂級守門員,丹麥AB隊門將。
鮮為人知的是,1922年玻爾獲得諾貝爾獎時,丹麥報紙普遍採用的標題是:《授予著名足球運動員尼爾斯·玻爾諾貝爾獎》。玻爾18歲進入哥本哈根大學,很快就成為了哥本哈根大學足球俱樂部的明星守門員,他習慣在球場上一邊心不在焉地守著球門,一邊用粉筆在門框上排演著公式。但玻爾從未入選過國家隊。入選國家隊的是他的兄弟Harald August Bohr,丹麥數學家兼足球運動員。1908年的倫敦奧運會上,丹麥隊獲得男子足球項目的銀牌,玻爾更多時候作為替補門將在場邊揮舞著紅白國旗。玻爾後來進入科研機構,專心於原子物理的研究,但他仍不忘心愛的足球,業餘時間常把踢足球當做休息,並且堅持參加國家隊訓練或比賽,成為一名不折不扣的「科學家球星」。
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