尼爾斯·玻爾：量子力學的傳奇

天下 12-30

露露按：1913 年7 月，28 歲的丹麥理論物理學家尼爾斯·玻爾在英國發行的學術雜誌《哲學雜誌》（ Philosophical Magazine ）上發表了題為《關於原子和分子的結構（第 1部分）》的論文。之後，同年 9 月和 11 月又分別發表了第 2 部分和第 3 部分。至此，玻爾在總長達 70 頁的內容豐富的論文中將當時已知的實驗數據和理論與其驚人的洞察力結合起來，提出了我們今天在物理課本中看到的「玻爾原子模型」。

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氫原子光波：已預測但不知其含義

玻爾模型是試圖解釋在原子中觀察到的光波時產生的。原子中並不會發出連續波長的光，而只發出特定波長的光。玻爾領悟到，將此與電子的運動聯繫起來即可加以說明。也就是說，電子不是以連續電位，而是以不連續的，即只能以量子化的特定能量狀態存在。當其從一種狀態變為另一種狀態時，會釋放或吸收相應能量差值的光（光子）。

玻爾氫原子模型就像是圍繞太陽的行星軌道一樣，居於太陽位置的是原子核（陽離子），而電子位於軌道上的某一處，且只能存在於軌道上。由於各軌道都表示特定的能量狀態，所以電子的能量被量子化了。電子在各軌道間跳來跳去，此時就會吸收或釋放與能量差相當的光子，並呈現為光波形式。人們現在已經習慣以量子力學思考，可能不能體會其中的意義，但就當時來講，這是想像力的驚人飛躍。

將普朗克量子理論與盧瑟福模型結合

尼爾斯·玻爾 1885 年出生於丹麥哥本哈根，是哥本哈根大學生理學系克里斯蒂安·玻爾教授的次子，1903 年進入哥本哈根大學正式開始學習物理學。玻爾非常優秀，據說在整個丹麥，能夠正確理解其博士論文主題（《金屬的電子理論》）的人寥寥無幾。他 1911 年進入引領當時物理學發展的英國劍橋大學，跟隨發現電子的偉大物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜學習，但是並沒有取得什麼成果。

第二年，玻爾轉學至曼徹斯特的維多利亞大學，那裡有湧現的新星歐內斯特·盧瑟福。盧瑟福當時正在對其一年前提出的原子模型進行研究，試圖解開其中含義。實際上，原子模型是湯姆遜 1903 年最先發現的。根據其理論，原子結構表現為帶負電荷的小電子圍繞陽離子分布的空間不停運動，這就是所謂的「葡萄乾布丁」（plum pudding）模型。當然，電子就相當於葡萄乾。

盧瑟福在劍橋時曾是湯姆遜的屬下，他來到維多利亞大學之後做了各種各樣的實驗，其中之一是用放射性元素鐳中放射出的 α 射線（氦離子）穿透金箔。實驗中，多數 α 射線都能穿透金箔，但是極少數射線卻發生了大於90 度的偏轉，有一些甚至達到了 180 度。對此現象感到疑惑不解的盧瑟福認為，原子的正電荷並非像布丁一樣分散，而是在原子中的很小的區域集中起來形成原子核。他於 1911 年提出了這種原子模型。

也就是說，盧瑟福的試驗推翻了湯姆遜的模型。

盧瑟福

優秀的導師

年僅 28 歲就獲得驚人成就的玻爾 1916 年成為哥本哈根大學理論物理學教授，1920 年創建「物理學研究所」後擔任所長。玻爾的出現使曾經處於物理學邊緣丹麥逐漸稱為物理學的中心，並形成了後來的「哥本哈根學派」。世界各地新湧現的才能出眾的物理學家都會爭相訪問玻爾的物理學研究所並留下來，這已經成為慣例。1922 年，玻爾因解釋了原子結構和光譜而獲得諾貝爾物理學獎。

如今的丹麥哥本哈根大學

玻爾是位天才，而且難得的是，他對其他天才也予以照顧，並努力營造使其才能得以充分發揮的環境，最具代表性的受益者是 1901 年出生的（比玻爾小 16 歲）維爾納·海森堡。

自 1924 年起，海森堡曾多次留在哥本哈根的物理研究，他在和玻爾隨時進行討論的過程中取得了驚人的成就。海森堡 1925 年提出的矩陣力學和 1927 年提出的不確定性原理形成了現代量子力學的基礎，這都是他在物理研究所時做出的成績。

1926 年，奧地利的薛定諤開發了波動力學，而且不久後即證明，這與海森堡的矩陣力學內容相似。矩陣力學與波動力學的出現推翻了玻爾原子模型，但是玻爾並不介意，而是極力宣傳這些新人們的研究成果。

玻爾和海森堡

1927 年，玻爾提出互補原理，人們稱之為不確定性原理的基礎。不確定性原理是指，光或物質的波動性和粒子性是不能同時存在的，人們不能在同一時刻準確測量粒子運動的位置和速度。對於被稱為「哥本哈根解釋」的玻爾和海森堡的量子力學解釋，量子論創始人馬克斯·普朗克、對發現光電效應做出巨大貢獻的愛因斯坦、發現波動力學的薛定諤等進行了強力反駁，始終不接受這一解釋。

特別是，眾所周知，愛因斯坦和玻爾只要一見面，就會針對量子力學的解釋展開爭論。比玻爾年長 6 歲的愛因斯坦是物理學界的巨星，而在大眾心目中，玻爾是沒有資格與他相提並論的。但毫無疑問，海森堡或沃爾夫岡·泡利這些後世的物理學家都一致支持玻爾（薛定諤只比玻爾小 2 歲，他發現波動理論時已 39 歲）。

玻爾和愛因斯坦

第二次世界大戰結束後，玻爾回到丹麥，為復興歐洲物理學做出了很大努力。為了阻止人才流向美國，1952 年成立歐洲粒子物理學研究所（CERN）時，他也起到了重要作用。直至 1957 年，CERN 的理論研究小組都設在哥本哈根。1962 年 11 月18 日，77 歲的玻爾在其住宅因心臟病逝世。1965 年 10 月 7 日，為了慶祝玻爾誕辰 80 周年，該物理學研究所改名為「尼爾斯·玻爾研究所」。