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重读大师玻尔
2013-11-07 15:36

【博主按】距今100前的公元1913年,两位科学大师的发现彻底改变了这个世界,对人类文明做出巨大贡献,一位是丹麦伟大的物理学大师尼尔斯·玻尔,他打开了人类通向神秘原子的路径,使人类操纵原子成为可能;另一位是化学及工程大师,贡献也是惊天地、泣鬼神的!我将另行博文颂之。

尼尔斯·玻尔是近百年来唯一可以比肩爱因斯坦的科学巨匠,但与爱因斯坦相比,除了卓越的科学成就,玻尔更具独特的人格魅力与杰出的领导才能,爱因斯坦是独行侠,没有传人,但玻尔门生遍布天下,其中有17位诺贝尔奖得主,这样的功勋几乎无人能比,我们或许缺少爱因斯坦,但我们更需要的是玻尔。

本文是一篇旧作,曾发表于华东师范大学出版的全国核心期刊《化学教学》,今在博客贴出,个别词句略作修改。

 

中学讲原子结构与元素周期律,丹麦最伟大的物理学家、原子“教父”尼尔斯·玻尔(18851962)(1)是不能简单跳过去的,遗憾的是多数人除了可能听过“玻尔巧藏诺贝尔奖章”这个小故事及简单提到的玻尔原子结构模型外,其余知之甚少,这对无论从科学成就、人格魅力或是领导才能等方面都堪称典范的科学巨匠来说是远远不够的,我们有重读的必要!

1  卓越的科学成就

时间

科学成就

意义

1913

原子的结构与光谱的发射

“这是一个巨大的成就(爱因斯坦语)!”因为该理论“在理论物理学发展史上是一块奇特的里程碑,由此形成原子物理学的支柱(普朗克语)。”玻尔由此荣获1922年诺贝尔物理学奖。

1920年前后

对应原理

玻尔在对应原理的基础上追溯了元素周期表的理论解释;薛定谔的波动力学、海森堡的矩阵力学在创立过程中,也是依据了对应原理而对新力学做出恰当预言或孕育了思想伏线的;对应原理后来竟成为判定一种新理论是否正确的判据。

1921

元素周期表的理论诠释

玻尔对元素周期表的诠释是他对化学与物理学的最为划时代的贡献之一,如果说门捷列夫给了元素周期表躯体,那么是玻尔给这具躯体注入灵魂!1923年他指导的哥本哈根学派在锆矿石中寻找到第72号元素铪象任何人所能指望的那样优美的证实了玻尔的元素理论。

1927

互补原理

互补原理是量子力学的哲学基础。20世纪20年代,由于自己提出的原子结构存在缺陷而引发物理学危机,但互补原理的提出与发展帮助量子力学走上成功复兴的道路。玻尔晚年用互补原理论述了物理科学、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响。

1934

1939

①原子核的液滴模型

②有关原子核的一个概括理论(复合核)

③核裂变理论,并预言了由慢中子引起裂变的是铀-235而不是铀-238

原子核的液滴模型是历史上第一种相对正确的核模型(1934年),这个模型被证实对理解核裂变非常重要;之后(1936年)提出的有关原子核的概括理论成为随后十年来物理学家们的通用指南。

2  互补原理与中国的阴阳学说

1927年玻尔首次提出了互补性观点,其基本思想大意是:真理具有两个侧面,如同一枚钱币具有两个侧面一样。每个侧面都是正确的,它们是对立的,但又是互补的,只有把互补的两个侧面结合起来,成为比单独各个侧面更和谐的整体,我们对微观世界才能有全面的理解。由于微观粒子需要波动与粒子图像并协(互补)地加以描述,所以从原则上说,对微观粒子的描述只能是概率论的,而不是确定论的,在微观世界中,有“因”未必有“果”,因果律失去了意义。

玻尔的互补原理与中国的阴阳学说有异曲同工之妙:阴阳最初意义是指日光的向背,向日为阳,背日为阴。我国古代思想家认识到一切现象(天地、日月、昼夜、阴晴、寒暑、水火等)都具有正反两个方面,就用阴阳这对概念来解释自然界两种对立和相互消长的势力。《老子》提出:“万物负阴而抱阳”,认为任何事务都存在着阴与阳的矛盾,而阴阳二气又处于一个统一体之中;《易经》提出“一阴一阳之谓道”的原则,把阴阳概念上升为“范围天地”、“曲成万物”的最高哲学范畴,成为关于解释天地万物和宇宙原型的体系,形成比较系统完整的阴阳学说。

 伏羲先天八卦太极图(2是阴阳学说的直观表达四周有乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑的八个部分称为八卦,分别代表天、地、雷、风、水、火、山、泽八种基本自然现象,象征宇宙万物,由八卦可以演变成六十四卦乃至一百二十八卦。中间的核心部分是具有黑暗的阴(黑色)和明亮的阳(白色)的对称图案,表示任何既对立又统一的矛盾双方,俗称阴阳鱼。矛盾对立的每一方称为一个极。两级之间能动地联系在一起而形成对称的布局,但这种对称不是静态的,而是表示一种循环运动,黑白两部分形成互补图像,表明阴阳两级既相互对立,又相互依存,任何一方都不能脱离对方而单独存在。阴在下方最盛,而阳逐渐增多;阳在上方最盛,而阴逐渐增多,“阳还终始,阴极返阳。”图中的两个圆点象征着这样的概念,就是每当这两种力量中的一方达到自己的极端时,在其中就已经有了它的对立面的萌芽。

1937年玻尔访问中国,当他见到我国古代的太极图时无比兴奋,如获至宝,认为太极图完美准确地表达了他的互补原理。阴阳两级标志着真理的两个方面,它们既是矛盾的、对立的,又是互补的、统一的,阴阳两方面综合起来,就能得到事物和现象的完备的描述。1947年,由于玻尔在科学上的杰出成就以及对丹麦文化的杰出贡献,丹麦国王破格授予玻尔“宝象勋章”(3,勋章的正中选用的图案就是太极图,意指玻尔的互补哲学,也饱含他对中国文化的诠释。

3  索尔维论剑

玻尔的互补哲学受到许多有影响学者如狄拉克、奥本海默、惠勒等的拥护,但由于互补原理与海堡的不确定原理迫使我们不得不放弃要求严格的物理学因果关系的思想,以致某些伟大的科学家如爱因斯坦等人从来不愿接受它,由此爆发了史无前例的学术大论战

在人类科学史上,曾经发生过许多次重大的学术论战,但论及双方的地位、论战的深入和影响,只有这一次才最有资格被称为巅峰对决。

爱因斯坦设想了一些理想化实验来反对不确定原理与互补原理,其中最著名的是1930年在第六届索尔维会议上提出的“爱因斯坦盒子”(图4),盒中装有一些辐射物质,盒子一侧有一个小洞,洞口有一块挡板。盒子里放有一只能控制挡板开关的钟,盒子的重量是可以测出来的。盒子里的钟能在某一时刻将小洞打开,放出一个粒子(光子或电子),这样粒子跑出前后盒子的重量也可以准确地测量出来,根据爱因斯坦的质能公式,粒子的能量也可以准确地确定,这样得出在准确地时间释放出准确的能量得结论,于是不确定关系以及互补原理不再成立,因果律和准确性都恢复了。

玻尔经过认真仔细地分析后指出:在粒子跑出盒子的过程中,盒子必然在重力方向上发生位移,而根据爱因斯坦广义相对论,钟在沿重力方向发生位移的过程中,它的快慢会发生变化。因此,由钟所读出的时间就会由于这个粒子的跑出而有所改变,由此引出的误差正好满足不确定关系。

以彼之道,还施彼身,爱因斯坦的这个光箱实验非但没能击倒量子论,反而成了它最好的证明,自此哥本哈根解释也被奉为是量子力学的正统解释。

现代科技手段已能对当年的部分理想实验进行论证,实验结果几乎指向玻尔是正确的,尽管如此,爱因斯坦的深刻质疑,对玻尔发展思想、深化论点、精练表述,起了有益的促进作用。

4  哥本哈根学派

1921年,在玻尔的倡议下成立了哥本哈根大学理论物理学研究所(5,玻尔领导这一研究所先后达40年之久。这一研究所培养了大量的杰出物理学家,在量子力学的兴起时期曾经成为全世界最重要、最活跃的学术中心,对量子力学的孕育、诞生和哲学诠释做出独到的贡献。有人统计,全世界有30多个国家的近千名现代物理学家曾经或长或短地在该研究所里工作过,其中有17人获得诺贝尔奖(涉及物理、化学与生理或医学奖),这是了不起的成就!

许多人都对在玻尔研究所的工作印象深刻,在离开那儿多年后仍十分怀念在那里的工作和生活,他们对玻尔更是充满敬意,在玻尔60岁寿辰的献词中,他们这么说:“‘父呵 !你乃大自然之发现者 ,吾等从你谨受教诲。’”这句对古代伟大原子论者的献词,我们也要把它献给现代原子理论的创立者

哥本哈根研究所之所以使物理学家有精神家园的感觉,主要原因在于那里有被后人称为哥本哈根精神的在判断和讨论方面完全自由的最卓越的精神,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。正是这种精神吸引着物理学家,同时这也是他们对玻尔充满感激和敬意的主要原因。

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。“哥本哈根精神”已成为物理学界最宝贵的精神财富,它对世界的贡献,也许不亚于玻尔的量子力学。

二十一世纪科学研究最需要的是什么精神?中国人进行科学研究最缺少的是什么精神?

——哥本哈根精神!

5  玻尔的人格魅力

玻尔为人温和而幽默,和别人争论时也轻声细语。他特别爱护年轻人,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。”正是不怕在年青人面前承认自己知识的不足,1922年夏天,他应邀到德国哥廷根大学发表演讲时发现了海森堡和泡利,而这两位1932年、1945年的诺贝尔物理奖得主,后来成为哥本哈根学派主力干将(6),为量子力学的发展做出了卓越的贡献。

爱因斯坦本来早该获得诺贝尔奖,但由于当时有不少人对相对论持有偏见,直到1922年秋才回避相对论的争论,授予他上年度诺贝尔物理奖,并决定把本年度的诺贝尔物理奖授予玻尔,这两项决定破例同时发表。爱因斯坦当时正赴日本,在途经上海时接到了授奖通知。而玻尔对爱因斯坦长期未能获得诺贝尔奖深感不安,怕自己在爱因斯坦之前获奖,因此,当玻尔得知这一消息后非常高兴,立即写信给旅途中的爱因斯坦。玻尔非常谦虚,他在信中表示,自己之所以能取得一些成绩,是因为爱因斯坦做出了奠基性的贡献,因此,爱因斯坦能在他之前获得诺贝尔奖,他觉得这是“莫大的幸福”。爱因斯坦在接到玻尔的信后,当即回了信,信中说:“我在日本启程之前不久收到了您热情的来信,我可以毫不夸张地说,它像诺贝尔奖一样,使我感到快乐;您担心在我之前获得这项奖金,您的这种担心我觉得特别可爱——它显示了玻尔的本色。”

玻尔热爱自己的祖国,他一再婉言拒绝外来的高薪聘请,决心在人口不到500万的小国建立起物理学的国际中心。确实,玻尔获得成功,他把哥本哈根建成了物理学家“朝拜的圣地”。

玻尔一直引用丹麦童话作家安徒生的名言:“丹麦是我出生的地方,是我的家乡,这里就是我心中的世界开始的地方。”以此来陶冶自己的思想情操,激励自己为祖国的昌盛建功立业。

科学无国界,科学家却有自己的祖国。

6  原子“教父”

普朗克、爱因斯坦与玻尔是量子理论的三大先驱,代表量子理论的三个不同阶段。普朗克提出了能量子的概念,但是他是个不情愿的革命者,并不充分认识量子理论的革命性,它意味经典物理学的终结;爱因斯坦发现了光量子,他立即认识到量子与经典理论的对立性,他对这种理论局面感到不舒服;玻尔是物质结构的量子理论的创立者,他把量子概念用于单个微观体系原子或分子,他也立即意识到量子理论的革命性,适应了新的理论局势,并对这种局势做出哲学概括。

综观玻尔的科学之旅,是从定性到定量,最后再到定性的过程:定性→定量→定性。后一个定性比前一个定性要高级、丰富、生动,因为它已经拥有了一个非常精确的定量这个中间环节,这最后一个定性包括三大成分:惊叹、敬畏和惆怅。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意,玻尔就说过:如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。

这才是科学的极致!互补原理与对应原理就是这样的极致!玻尔理论看似模糊,但其中包含丰富的内容,给后来物理学家提供了很大的发展空间。

玻尔从1905年开始他的科学生涯,一生从事科学研究达57年之久。他的研究工作开始于原子结构未知的年代,结束于原子科学已趋成熟、原子核物理得到广泛应用的时代,从开始到结束,玻尔那种充满着高度创造性,锐敏和带有批判性的精神,始终指引着他的事业的方向,使之深入,直到最后完成。今天,我们的现代文明,从电脑,电视,手机到核能,航天,生物技术,几乎没有哪个领域不依赖于原子理论。他对原子科学的贡献使他无疑地成了20世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的、最伟大的物理学家与哲学家之一(7)。

爱因斯坦这样评价玻尔:“作为一位科学思想家,玻尔所以有这么惊人的吸引力,在于他具有大胆和谨慎这两种品质的难得融合;很少有谁对隐秘的事物具有这一种直觉的理解力,同时又兼有这样强有力的批判能力。他不但具有关于细节的全部知识,而且还始终坚定地注视着基本原理。他无疑是我们时代科学领域中最伟大的发现者之一。”

玻尔集高尚的人格、卓越的领导才能和批判性、开创性的科学研究于一身,纵观人类科学史这样的大师难觅第二人,他是物理学天才,更是网罗人才的天才,令无数立志科学探索的青年学子竟折腰。遗憾的是,我们并不重视对玻尔的研究,相对爱因斯坦甚至等科学家,我们做的都还远远不够。

我给每届学生都讲玻尔:“我们或许缺少爱因斯坦,但我们更需要的是玻尔。”

是的,我们更需要玻尔!

 

 

参考文献:

[1]亚伯拉罕·派斯(戈革译).尼耳斯·玻尔传[M].北京:商务出版社,2001

[2]尼耳斯·布莱依耳(戈革译).和谐与统一(尼耳斯·玻尔的一生)[M].上海:东方出版中心,1998

[3]李增智,吴亚非,孟湛祥等.物理学中的人文文化[M].北京:科学出版社,2005197-241

[4]约翰·西蒙斯(王首燕,姜栋译).科学家100人:历史上最具影响力的科学家排行榜[M].北京:当代世界出版社,200610-13

[5]秦克诚.邮票上的物理学史[M].北京:清华大学出版社,2005

 

 

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