雲霧繚繞的原子世界——尼爾斯·玻爾的量子論

能量是物理學家最熟悉的東西了，所有的能量都應該是連續變化的，這已為千百年來無數的事實所證明。有誰看到過馬路上急馳車輛的動能，會突然從一個數值跳到另一個數值而中間沒有過度？又有誰看到過瀑布濺落時，水的勢能的變化不是連續的，而是間斷成一段一段的呢？更有誰看過光和熱的發射是一份一份的呢？

普朗克發現：物體在吸收或輻射能量時，能量居然不是連續變化的，而是跳躍著變化的，即能量是一份一份地發射或吸收的，每一份能量都有一定的數值。這個發現當時連他自己都不相信。

接著，愛因斯坦發現，光的能量也是不連續的，是一份一份發射的，也就是說，光也是量子化的。量子概念衝破了傳統物理學中能量連續觀念的束縛，是人類認識史上的一次飛躍。但愛因斯坦和普朗克的量子論並不完善，所能解釋的物理現象也很有限。

現在，促進量子理論發展的第三個關鍵人物出場了，他就是丹麥的原子物理學家——尼爾斯?玻爾。他發現原子中的電子運動也是「量子化」的，電子向原子靠近和遠離核的過程不是連續的，而是一段一段地跳躍著的，這就是所謂的「量子躍遷」。

登台階的遊戲

雖然兩千多年前的古希臘哲學家就提到了「原子」的概念，但人們對原子的真正認識要到20世紀初了。1911年，英國著名物理學家盧瑟福提出了一個嶄新的原子結構模型：原子內部的大部分空間都是空虛的，它的中心有一個體積很小、質量很大、帶正電的核，帶負電的電子則以某種方式運動於核外的空間中。這個原子模型看起來更像一個微型的太陽系，原子核是太陽，電子是圍繞太陽運行的行星。

一個新的原子模型建立了，但還不完善，還有許多問題，尤其在電磁理論方面面臨著嚴重的困難。經典的麥克斯韋電磁理論預言，電子繞原子核運動時，由於電荷異性相吸，將會不可避免地相互靠近並釋放出輻射能量，最後原子的能量越來越小，電子最終落到原子核上消失。換句話說，盧瑟福描述的原子是不可能穩定存在超過1秒鐘的，以此構成的物質世界根本就不可能存在。

現在，盧瑟福原子模型需要一個更好的解釋，它在等待一種叫做量子化的理論解釋，等待一位即將跨過英吉利海峽，從丹麥遠道而來的年輕人——尼爾斯?玻爾。

1885年，玻爾誕生於丹麥哥本哈根的一個書香門第，他的父親是一位國際知名的生理學家，在哥本哈根大學任教授，曾被提名為諾貝爾生理學和醫學獎的候選人。童年時的玻爾經常旁聽父親和知識界朋友的閑談，大人們的廣泛話題使玻爾幼小的心靈深受熏陶。小學和中學時代的玻爾就表現出過人的聰慧，大學時代又浸潤了一股強烈的哲學氣質，哲學思維的廣闊性奠定了他以後空前的成功。

1911年，26歲的尼爾斯?玻爾滿懷希望和信心來到英國，師從盧瑟福。在原子模型構建的征途上，這一對師生組成的絕妙的團隊，很快就在科學史上激蕩起波瀾壯闊的奇觀。

在盧瑟福原子模型與麥克斯韋電磁理論遭遇到無法調和的矛盾時，年輕的玻爾面臨著一次學術信仰的抉擇，憑藉著對科學的遠見卓識，玻爾選擇了盧瑟福原子模型。他感覺，建立在宏觀物理現象上的經典電磁理論，在微觀領域不一定還起作用。就如同解釋輻射的「紫外災難」一樣，這一次或許又需要借用普朗克的量子化概念了。

1913年，玻爾在研究原子的光譜線問題時，發現原子的光譜線是不連續變化的，他由此受到啟發，認為電子遠離或者靠近原子核時的真實情況應該是呈梯度變化的，而不是連續變化的。這就好比一個人在400米高的摩天大廈中，在沒有電梯的情況下，他只能沿著樓梯一級一級地上或者下，永遠不可能把腳懸空踩在樓梯級之間。電子只能處於一個定態軌道中，兩個定態之間沒有緩衝地帶，那裡是電子的禁區，電子根本無法出現在那裡。

現在，我們再來看看那個惱人的盧瑟福原子模型，其實再簡單不過了。關鍵在於，電子只能在特定的不連續的軌道上運行，在能量最低的軌道，電子運動可以看成是在「平地」上的狀態。一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動力，向上「攀登」一個或幾個台階，到達一個新的軌道。當然，如果沒有了能量的補充，它又將從那個高處的軌道上掉落下來，一直回到「平地」狀態為止。這種過程被稱為電子躍遷，每次電子躍遷都要輻射或者吸收量子化的能量而產生一定的光譜。玻爾掃清了原子穩定性的問題，世界終於在人們的心中安全合理地存在了下來。

叛逆者的成功軌跡

起初，玻爾關於原子結構的新理論並不怎麼受保守物理學家們的歡迎。這個理論與經典電磁理論是如此的格格不入，在保守的衛道士眼中，量子帝國中的人們活脫脫就是一些企圖推翻麥克斯韋完美理論體系的狂妄之徒，真是大逆不道。玻爾在劍橋的導師，約瑟夫?湯姆遜，拒絕對他的新理論發表評論。而有的物理學家乾脆在課堂上宣布：「如果物理現象要用量子理論才能解釋的話，我情願沉默。」更激進的人則揚言，如果量子模型居然是真實的話，他們從此隱退物理學界。被完美的經典物理學公式統治了數百年的人們，即使前衛如愛因斯坦和波恩，也對這一理論進行了持久的抨擊。

但是事實勝於雄辯，玻爾創立的量子理論對原子輻射譜線的預言和實驗值僅相差千分之一，並且，進一步運用該理論預言氫原子尚未被發現的其它譜線，結論也很快被實驗驗證。勝利來得如此之快又徹底，玻爾本人都幾乎茫然無措。緊接著，在玻爾理論的基礎上，原子核外電子一層層往外排列的殼層模型也發展起來了。

每一天，新的報告和實驗證據都帶著相同的信息——量子模型是正確的，如同雪花飛到玻爾的辦公桌上。全世界都在祝賀一位理論的國王，無數的大學和社團都希望得到這位國王的蒞臨。玻爾已經成為原子物理方面的帶頭人，他的恩師盧瑟福希望他接受在曼徹斯特的高級職位，無論從財富還是學術上說，那將是最好的選擇。但是玻爾還是決定留在自己的祖國丹麥，做他的哥本哈根大學教授。後來他在那個彈丸之地建造起自己的研究機構。憑藉自己的人格魅力，他的研究所很快像磁場一樣吸引了各地才華橫溢的年輕人，這裡很快就變成了全歐洲的一個學術中心。年輕人充分地感受著這裡的自由氣氛和玻爾的關懷，在他們中間形成了一種充滿活力的工作態度和積極進取的學術精神，史稱「哥本哈根精神」。玻爾本人也因其理論的巨大成就而獲得了1922年度的諾貝爾獎金。

然而，玻爾對電子運動軌跡的認識仍然是不準確的。當海森堡確立測不準原理後，人們才發現，不但玻爾所認識到的何時何地發生電子躍遷是不確定的，就連電子類似行星的軌道也是莫須有的，在原子微觀領域，上帝好像只會擲骰子。玻爾很快認識到了電子行為的不確定性，並與愛因斯坦爆發了一場長達數十年的著名爭論。

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