玻爾,N.
正文
丹麥物理學家,哥本哈根學派的創始人。1885年10月7日生於哥本哈根,1903年入哥本哈根大學數學和自然科學系,主修物理學。1907年以有關水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學文學院的金質獎章,並先後於1909年和1911年分別以關於金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。隨後去英國學習,先在劍橋J.J.湯姆孫主持的卡文迪什實驗室,幾個月後轉赴曼徹斯特,參加了以E.盧瑟福為首的科學集體,從此和盧瑟福建立了長期的密切關係。當時盧瑟福的有核原子模型剛剛確立,人們對於原子內部的結構和運動還所知甚少,而無論是光譜學方面的少數幾條定律還是化學方面的元素周期表,也還都停留在經驗規律的水平上,還根本沒有得到任何滿意的理論解釋。另一方面,盧瑟福的有核原子模型卻明顯地和經典物理學不相容,就是說,按照經典理論,盧瑟福模型將不會有物質原子所具有的那種穩定性。在這樣的形勢下,玻爾經一兩個月的廢寢忘食的探索,初步創立了他自己的原子結構理論。他於1912年夏回國,在母校任講師,利用課餘時間繼續研究擴展自己的理論。1913年,他以《論原子構造和分子構造》為題,先後分三大部分發表了長篇論文,為20世紀原子物理學開闢了道路。他在自己的理論中,採用了當時已有的量子概念,提出了幾條基本的“公設”,提出了至今仍很重要的原子定態、量子躍遷等概念;有力地衝擊了經典理論,推動了量子力學的形成。玻爾的理論在解釋氫原子光譜的頻率規律方面取得了相當圓滿的結果,在說明星體光譜中某些線系的起源方面糾正了流行的看法,他的定態概念得到了越來越確切的實驗驗證,他的某些理論預見也得到了實驗的證實,成就十分巨大。但是,在開始時,這種理論還不能很好地說明其他元素的光譜,而且根本無法說明任何一條光譜線的強度和偏振,而玻爾的宏偉目標卻從一開始就是要說明各種原子和分子的形形色色的物理性質和化學性質,特別是說明顯示這些性質的變化情況的元素周期表,為了達到這樣的目的,為了更深入地探索經典理論和量子理論之間的關係,玻爾逐步發展並於1918年初次闡述了他的理論。他認為,按照經典理論來描述的周期性體系的運動和該體系的實際量子運動之間存在著一定的對應關係;具體地說,體系的經典廣義坐標傅立葉係數和體系的躍遷幾率之間存在著簡單的對應關係。後來這一理論被稱為對應原理。這一原理在當時的發展水平上成了從經典理論通向量子理論的橋樑,而且後來也形成了海森伯矩陣力學的直接的前奏。玻爾的理論觸發了大量的研究工作。玻爾吸收了別人的研究成果,利用自己的對應原理,對各種元素的光譜和X射線譜、光譜線的(正常)塞曼效應和斯塔克效應、原子中電子的分組和元素周期表,甚至還有分子的形成,都提出了相對合理的理論詮釋。由於這些輝煌的成績,他獲得了1922年的諾貝爾物理學獎。
1921年,在玻爾的倡議下成立了哥本哈根大學理論物理學研究所。玻爾領導這一研究所先後達40年之久。這一研究所培養了大量的傑出物理學家,在量子力學的興起時期曾經成為全世界最重要、最活躍的學術中心,而且至今仍有很高的國際地位。
當量子力學的數學表達形式在1924~1926年間基本上確立以後,M.玻恩很快地提出了波函式的幾率詮釋(統計解釋),而W.K.海森伯也緊接著提出並按照自己的理解闡述了他的測不準原理。這兩種相互關聯的看法形成了所謂哥本哈根觀點的重要內容,而作為哥本哈根學派的“精神領袖”的玻爾,也就在這種基礎上提出了他的"互補性"觀點(後來被稱為“互補原理”),並逐步發展了他的“互補哲學”。
海森伯原理的提出,引起了一系列的哲學爭議:物質微觀運動的基本規律統計性是否是實質的?是否必須放棄或推廣決定論或因果原理?量子力學能否看成一種“完備的”理論?微觀客體和測量儀器之間到底是什麼樣的關係?人對事物的認識有沒有最終的界限?如此等等。
玻爾在1927年首次提出的互補性觀點就是企求回答這許多問題。這一觀點並無固定的成文的表達,玻爾在不同的場合提出了不同的說法。按照他的看法,物質世界中的客體,精神世界中的概念,語言文字中的單詞,全都各自具有許多不同的“方面”,有如數學中同一個多值函式的許多不同的值。對於同一個研究對象來說,人們一經承認了它的某些方面就必須放棄另外的一些方面,在這種意義上二者是"互斥的"。然而,那些另外的方面卻又不是可以徹底廢除的,因為在另外的適當條件下人們還必須用到它們(這時就必須放棄在前面提到的條件下所應承認的那些方面)。在這種意義上二者又是“互補的”。例如,玻爾認為,微觀客體的“粒子性”和“波動性”,就是這樣既互斥又互補的兩個方面。這種想法,就是所謂互補原理的基本內容。
按照玻爾的看法,追究既互斥又互補的兩個方面中哪一個更“根本”,是毫無意義的;人們只有而且必須把所有的方面連同有關的條件全都考慮在內,才能而且必能(或者說“就算是”)得到事物的完備描述。
玻爾認為他的互補原理是一條無限廣闊的哲學原理。在他看來,為了容納和排比“我們的經驗”,因果性概念已經不敷套用了,必須用互補性概念這一“更加寬廣的思維構架”來代替它。因此他說,互補性是因果性的“合理推廣”。尤其是在他的晚年,他用這種觀點論述了物理科學、生物科學、社會科學和哲學中的無數問題,對西方學術界產生了相當重要的影響。
玻爾的互補哲學受到了許許多多有影響的學者們的擁護,但也受到另一些同樣有影響的學者們的反對。圍繞著這樣一些問題,爆發了歷史上很少有先例的學術大論戰,這場論戰已經進行了好幾十年,至今並無最後的結論,而且看來離結束還很遙遠。
作為盧瑟福的學生,玻爾除了研究原子物理學和有關量子力學的哲學問題以外,對原子核問題也是一直很關心的。從20世紀30年代開始,他的研究所花在原子核物理學方面的力量更大了。他在30年代中期提出了核的液滴模型,認為核中的粒子有點像液滴中的分子,它們的能量服從某種統計分布規律,粒子在“表面”附近的運動導致“表面張力”的出現,如此等等。這種模型能夠解釋某些實驗事實,是歷史上第一種相對正確的核模型。在這樣的基礎上,他又於1936年提出了複合核的概念,認為低能中子在進入原子核內以後將和許多核子發生相互作用而使它們被激發,結果就導致核的蛻變。這種頗為簡單的關於核反應機制的圖像至今也還有它的用處。
當L.邁特納和O.R.弗里施根據O.哈恩等人的實驗提出了重核裂變的想法時,玻爾等人立即理解了這種想法並對裂變過程進行了更詳細的研究,玻爾並且預言了由慢中子引起裂變的是鈾-235而不是鈾-238。他和J.A.惠勒於1939年在《物理評論》上發表的論文,被認為是這一期間核物理學方面的重要成就。眾所周知,這方面的研究導致了核能的大規模釋放。
玻爾一生愛好和平,崇尚民主,反對侵略,反對獨裁。1933年希特勒在德國上台以後,玻爾曾經親赴德國安排受迫害的知識分子出逃,後來就在丹麥組織了專門的機構來協助和營救這些人。當時一大批德、意等國著名學者受到過玻爾他們的幫助,這在學術文化的發展史上是起了不可低估的作用的。納粹德國控制丹麥以後,玻爾起初留在國內,和抗敵組織保持了密切的聯繫。直到1943年德軍總部下令逮捕他時,他才冒險出亡,經瑞典到英國,不久就到了美國。在美國期間,他曾參加研製核子彈的工作並作出了重要貢獻,但他的動機完全是為了反擊納粹,而且從一開始就意識到了核軍備競賽的危險。在此期間,他曾多次和英美兩國首腦接觸,建議他們及早作好控制和限制核武器的安排,但沒有成功。第二次世界大戰在1945年結束以後,他就毅然和任何核武器的製造斷絕了關係。從那時起,他大力呼籲和平,並於1950年發表了《致聯合國的公開信》。同時他大力推動核能的和平利用,鼓吹學術上的國際合作,倡議並領導了歐洲核子中心和北歐原子物理學研究所。
自從1913年成名以來,玻爾先後得到了各國政府和學術團體所贈予的許多崇高的榮譽和頭銜。他多次連任丹麥皇家科學院主席,多次訪問世界各國。1937年夏季,他曾來中國,訪問了上海、杭州、南京和北平,對中國人民很為友好。1947年,丹麥政府決定授予他級別很高的勳章,要求受勛者有一個族徽。玻爾親自設計了他的族徽,其中心圖案採用了中國古代的“太極圖”,來形象地表示他的互補思想。 玻爾於1962年11月16日在哥本哈根逝世。
參考書目
S.Rozental, ed., Niels Bohr, His Life and Work,North-Holland, Amsterdam, 1967.
R.Moore,Niels Bohr, The Man, His Science and the World They Changed,Alfred & A. Konpf, New York,1966.