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核物理学旗手,量子力学教父——玻尔 精选

已有 4895 次阅读 2023-2-27 07:44 |个人分类:外国人物|系统分类:海外观察

作者 高关中(德国汉堡)2023/2/21

丹麦是个小国,但在科学领域,丹麦人是足以自豪的。丹麦出过不少世界闻名的科学家,在科研史册上写下了辉煌的一页。哥本哈根大学教授奥斯特(Hans Christian Oersted1777-1851)第一次确定了电流和磁的关系,这-发现奠定了一个伟大的基础,我们今天使用的电话、收音机、电视机和电信设备的原理都源于此。因为重大发现而名垂青史的丹麦科学家还有:第谷(Tycho Brahe,1546-1601),被誉为近代天文学的鼻祖;斯縢森,拉丁文叫斯泰诺(Niels Stensen,或 Nicolas Steno,1638-1686),是地质学和解剖学的奠基人之一;罗默(Olaus Roemer,1644-1710)第一次测定了光速;芬森(Niels Ryberg Finsen1860-1904)向世界介绍了治疗皮肤病的现代光线疗法,1903年荣获诺贝尔医学奖。然而在丹麦科学界最著名的是玻尔教授(1855-1962)。他是20世纪世界一流科学家之一,堪称核物理学的旗手,量子力学的教父。

尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)1885年10月7日生于哥本哈根。父亲是生理学教授,母亲出身于一个富有的犹太人家庭,玻尔从小生活中学术气氛浓厚的环境中,并受到良好的家庭教育。他爱好足球,曾经和弟弟哈那德·玻尔共同参加职业足球比赛。

1903年,玻尔进入名校哥本哈根大学(创办于1479年)数学和自然科学系,主修物理学。1907年,玻尔以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章,并于1911年获得哥大的博士学位。随后得到丹麦嘉士伯基金会(Carlsberg,世界第四大啤酒制造商,于1847年创立)资助去英国学习,先在剑桥汤姆孙主持的卡文迪什实验室工作。不久玻尔有幸遇到了原子核物理学之父”卢瑟福,此时正在曼彻斯特大学担任教授,刚提出了原子的核结构模型”。玻尔到曼大参加了以卢瑟福为首的科学集体,从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。

1912年,玻尔任曼彻斯特大学物理学教师。他发现,卢瑟福关于原子结构的理论,还有进一步发展的余地,并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷。经过两个月废寝忘食的探索,汤姆孙写出论文《论原子和分子的结构》,在1913年分3次发表,被学界誉为“伟大的三部曲”,为20世纪核物理学开辟了道路。论文提出了原子结构量子模型。他创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来,构建了具有突破性的玻尔模型,并成功用该模型解释了氢原子结构和光谱(如霓虹灯发光)也圆满地解释了元素的周期性。他把化学推进到更深的层次,使物理和化学这两门学科统一到同一量子理论基础上来。这点燃了科学家们用该理论解释各种原子结构和光谱,以及研究元素周期表、发现新元素的兴趣。该成就也让他成为继普朗克和爱因斯坦之后,用量子理论解释自然现象第三位旗手玻尔曾对周期表上的第72号元素的性质作了预言。1922年,第72号元素铪的发现证明了玻尔的理论。今天看来,玻尔原子模型已经过时,但在定性方面还是正确的。

三部曲发表之后,许多大学都向玻尔抛来了橄榄枝。但玻尔毅然决定回到祖国丹麦,1916年任哥本哈根大学物理学教授。1921年创办哥大理论物理研究所(现称玻尔研究所)在此后近40年他一直担任所长。该所长期为世界原子物理学的中心。以玻尔为首,形成哥本哈根学派。对二十世纪物理学的发展有深远的影响。

1922年,玻尔因对研究原子的结构和原子的辐射所做得重大贡献而荣获诺贝尔物理学奖。为此,整个丹麦都沉浸在喜悦之中,举国上下都为之庆贺,玻尔成了最著名的丹麦公民。

玻尔凭借自己的崇高声誉、开明态度以及识人慧眼,汇集了一批极具才华的青年科学家,如海森堡、泡利、狄拉克、伽莫夫、朗道、布洛赫(Felix Bloch,1905 -1983,瑞士人)等。中国物理学家周培源(1902-1993)是第一个到玻尔研究所访问的中国物理学家。他于1929年4月到哥本哈根,参加了玻尔召集的会议,会见了当时很多知名的物理学家。据统计,20世纪20年代总共有17个国家的60多位物理学工作者在玻尔研究所工作过,而其中获得诺贝尔奖的就有十多位。

1927年初,海森堡、玻尔、约尔丹、薛定谔、狄拉克等成功地创立了原子内部过程的全新理论量子力学,玻尔对量子力学的创立起了巨大的促进作用。1927年9月,玻尔首次提出了"互补原理"(complementarity又译并协原理),即宏观与微观理论,以及不同领域相似问题之间的对应关系。互补原理指出经典理论是量子理论的极限近似,而且按照互补原理指出的方向,可以由旧理论推导出新理论。互补原理奠定了哥本哈根学派对量子力学解释的基础,并从此引起了玻尔与爱因斯坦持续多年的关于量子力学意义的论战。爱因斯坦提出一个又一个的想象实验,力求证明新理论的矛盾和错误,但玻尔每次都巧妙地反驳了爱因斯坦的反对意见。这场长期的论战从许多方面促进了玻尔观点的完善,使他在以后对互补原理的研究中,不仅运用到物理学,而且运用到其他学科。

玻尔及其互补原理从哲学高度概括了量子力学的理论特性。而爱玻之争到最后,也演变成了哲学观念之争。而无论是爱因斯坦还是玻尔,他们在争论中都留下了丰厚的理论遗产,至今仍可细细品咂。

1930年起,玻尔的研究工作逐渐转到原子核结构和原子核衰变方面。他发现了许多中子诱发的核反应。1936年玻尔提出原子核的液滴模型,很好地解释了重的裂变。他预言铀235最易发生裂变。

1937年5、6月间,玻尔曾经到过中国访问和讲学。期间,玻尔和吴有训(1897-1977)、束星北(1907-1983)等中国学者有过深度学术交流。

1939年起,玻尔任丹麦皇家科学院院长。这一年德国发动了第二次世界大战。战争让人更切实地感受到科学无国界”“科学家有祖国这两句话的含义和张力玻尔庇护了不少犹太裔科学家1943年,他从德军占领下的丹麦逃往瑞典,不久到美国参加了第一颗原子弹的研制工作。

二战结束后,玻尔毅然与核武器制造断绝了关系,大力呼吁和平,并于1950年发表了《致联合国的公开信》。同时他大力推动核能的和平利用,1952年,玻尔倡议建立欧洲核子研究中心(简称CERN),积极主持

创建并且亲任主席。CERN的地址被选定在日内瓦这个研究中心是1954年9月根据联合国教科文组织的决议建立的,旨在对高能物理理论和实际运用的非军事化开发。它随时公布其研究结果,并使其能得到简易便捷的利用。欧洲23个国家参加了这个实验室的开发,并共同资助。1955年玻尔领导了在日内瓦召开的原子能和平利用第一次国际会议。

欧洲核子研究中心(CERN)坐落在日内瓦西部与法国交界的梅林地方(Meyrin),是世界上最大的物理核子实验室,为全球粒子物理研究的领跑者。它占地560公顷,拥有6部世界级的离子加速器。全球最大的环形强子对撞机(ring-tunnel)就在此研究中心,总长27公里的隧道,建在地下百米深处,用来解析微观世界核子中心现有来自20个成员国的3000多名工作人员,每年还有来自100多个国家的一万多名合作科学家及访问学者,其中有不少中国学者,是个真正的国际机构。杨振宁、丁肇中曾是这个实验室研究工作的主要负责人。除了核子研究工作,这个实验室还从事其他相关项目的科学实验。现在大家都使用的万维网(WWW)便是这个实验室1991年开发的成果。乘坐有轨电车来到梅林,首先看到一个巨型棕色大圆球,这就是欧洲核子研究中心的标志。该中心附设粒子物理学博物馆,来到这里参观,人们不禁会想起玻尔所做的重要贡献。

1947年,丹麦政府决定授予玻尔勋爵,要求受勋者有一个族徽。玻尔亲自设计,其中心图案采用了中国古代的太极图,来形象地表示他的互补思想。

1962年11月18日玻尔因心脏病突发在哥本哈根逝世,享年77岁。玻尔逝世后,哥大理论物理研究所(现称玻尔研究所)由他的儿子奥格·玻尔教授(Aage Bohr,1922-2009)主持,父子俩都是诺贝尔物理学奖的获得者,这也是很罕见的,在科学史上传为佳话。

1997年丹麦发行了绘有玻尔肖像的500克朗纸币。




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