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来自哥本哈根的尼尔斯·玻尔

If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet.

——Niels Bohr


今天,是尼尔斯·玻尔131岁的诞辰。


玻尔,作为20世纪最伟大的物理学家之一,他是爱因斯坦的老牌劲旅。如果你看过爱因斯坦的故事,那么你也应该会知道玻尔。他们两之间在上个世纪关于量子力学的本质展开了一场旷世古今的世纪论战。玻尔和爱因斯坦的故事都充满了传奇色彩,阅读他们的故事就像是欣赏了一部波澜壮阔的史诗。


尼尔斯·玻尔(1885年10月7日 - 1962年11月18日)


关于玻尔有许多故事都很有意思,但是有一些故事无从考究,很可能是八卦。罗伯森在《波尔研究所的早年岁月》一书中曾经写道:“在大多数情况下, 这些逸闻几经转述, 变得更具有寓言或象征性的含义, 它们既是一代物理学家留给下一代的部分遗产, 也是物理学史中围绕这一不寻常历史时期的不断增长的神话中的一部分”。不过事实也好,神话也罢,我今天的目的都不是要深究玻尔的这些事迹。而是要推荐一部电影《哥本哈根》(2002),讲述的是在1941年,那个动荡的年代,维尔纳·海森堡前往哥本哈根与玻尔会面的故事....


《哥本哈根》,B站有资源,前十分钟是迈克尔·弗莱恩和加来道雄的介绍。


《哥本哈根》原是迈克尔·弗莱恩缩写的戏剧。戏剧借用量子力学的不确定性原理,探讨了这次会面的多种可能性。本剧涉及到了量子力学、不确定性原理、哥本哈根诠释、二战、核武器计划和曼哈顿工程等等。


《尼尔斯·玻尔集》,共十二卷。


如果想全面的了解玻尔,推荐看戈革先生翻译的《尼尔斯·玻尔集》,共十二卷。在戈革先生的观点中,最受争议的也许是对玻尔的历史地位的评价。比如他在《尼耳斯 · 玻尔: 他的生平、 学术和思想》一书的序言中这样写道:


“真正全面地、 综合地、 历史地、 不偏不倚地考察起来, 无论就其深度、 广度、 强度来看还是就其持久性来看, 玻尔在二十世纪物理学中乃至在整个的人类思想领域中所起的作用, 无论如何不亚于爱因斯坦。”


当然,戈革先生的推崇遭到人很多了抨击。


下面我们简单了解下玻尔:


【关于玻尔】


早年的时候玻尔就已经显示出对物理的极度兴趣,1911年的时候他毕业于丹麦哥本哈根大学,获得博士学位。在他的博士期间,他研究了金属的电子理论,并且首次得知普朗克的早期量子理论,该理论把能量描述为微小的粒子,或量子。


1912年,玻尔前往英国在诺贝尔得主汤姆孙的手下工作,汤姆孙把他介绍给了卢瑟福。卢瑟福由于对原子核的发现以及发展了原子模型而获得了1908年的诺贝尔化学奖。在卢瑟福的指导之下,玻尔开始学习原子的性质。


上图为汤姆孙的原子模型,下图为卢瑟福的原子模型。


结合卢瑟福对原子核的描述和普朗克的量子理论,玻尔解释了在原子内究竟发生了什么,并且发展了自己的原子结构图景。1922年,玻尔获得了诺贝尔物理学奖,以表彰他在研究原子结构,特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献。



纪念玻尔的原子理论50周年的邮票。


【原子模型】


玻尔对现代物理学最大的贡献就是他原子模型。在玻尔模型描中,原子包含了一个带正电荷的原子核,并被电子围绕。他是第一个发现电子是在特定的轨道绕着原子核运动,轨道上原子核的数量决定了一个元素的性质。



玻尔模型。


为了纪念玻尔做出的贡献,元素周期表的107个元素就是以他命名的,即铍(Bh)。


【液滴模型】


玻尔的理论工作对科学家理解核裂变是至关重要的。他认为,原子核就像一滴密度均匀的球形液滴一样,核分裂的现象就像一滴水珠受到外力的冲击而分裂为两个小水珠一样。



玻尔在讲解液滴模型。


液滴模型为早期的核裂变研究提供了帮助。科学家于1930年代首次尝试分裂铀原子,这是发展原子弹重要的一步。尽管他在二战时期对原子弹的发明做了贡献,但他一直提倡要和平利用原子物理学。


【量子理论】


玻尔的另一项他引以为傲的贡献是,他在1927年科摩会议中提出的互补原理,它被认为是量子力学哥本哈根诠释的基石,同时也是玻尔对哲学的重大贡献。他在1933 - 1962年期间不断写了许多相关文章。微观物体具有波动性或粒子性,又是会表现出波动性,有时会表现出粒子性。当描述微观物体的量子行为时,必须同时考虑其波动性与粒子性。根据互补原理,不能用单独一种概念来完备地描述整体量子现象,为了完备地描述整体量子现象,必须将分别描述波动性、粒子性的概念都囊括在内。按照玻尔的说法,微观物体的波动性与粒子性互补。


但是很多人并没有搞懂玻尔的互补原理真正想表达的是什么。例如,玻尔在会议上提出互补原理后,维格纳最后总结了互补原理对会场的真正影响:“这篇演讲不会使我们中的任何人改变自己关于量子力学的见解。” 爱因斯坦也曾抱怨说:“尽管花了很大的精力,我还是不能得出玻尔互补原理的确切表述”。除了他们,还有狄拉克和艾伦菲斯特都无法对互补原理做出总结。当然,互补原理也是有支持者的,比如哥本哈根学派的核心人物——泡利和海森堡,他们很早就是互补原理的支持者。


现代的物理学家对量子力学的态度都接近于费恩曼的一个观点,那就是量子力学的核心之谜是无法通过任何“诠释”而得到真正澄清的,我们所能表述的只是量子力学是如何工作的。


尼尔斯·玻尔的纹章。你能看出什么吗?




既然这周的主题是诺贝尔奖,我再推荐几部电影:

  • 《Selma》(2014):以诺贝尔和平奖得主马丁·路德·金的故事为背景;

  • 《Madame Curie》(1944):讲述诺贝尔物理学奖和化学奖得主居里夫人的故事;

  • 《Rabindranath Tagore》(1961):讲述了诺贝尔文学奖得主罗宾德拉纳特·泰戈尔的故事;

  • 《My Boy Jack》(2008):讲述诺贝尔文学奖得主鲁德亚德·吉卜林的故事。

  • 《Einstein and Eddington》(2008):讲述的是爱因斯坦爱丁顿之间的故事与友谊。


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