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尼尔斯玻尔

尼尔斯亨利克戴维玻尔(丹麦文:Niels Henrik David Bohr,1885年10月7日1962年11月18日),丹麦物理学家,哥本哈根大学硕士/博士,丹麦皇家科学院院士,曾获丹麦皇家科学文学院金质奖章,英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位,1922年获得诺贝尔物理学奖。

玻尔通过引入量子化条件,提出了玻尔模型来解释氢原子光谱;提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,他还是哥本哈根学派的创始人,对二十世纪物理学的发展有深远的影响。

1885年10月7日,玻尔生于哥本哈根,父亲克里斯丁玻尔是哥本哈根大学的生理学教授,母亲出身于一个富有的犹太人家庭,从小受到良好的家庭教育。玻尔爱好足球,曾经和弟弟哈那德玻尔共同参加职业足球比赛。

1903年,18岁进入哥本哈根大学数学和自然科学系,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,并先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习,先在剑桥J.J.汤姆孙主持的卡文迪许实验室,几个月后转赴曼彻斯特,参加了曼彻斯特大学以E.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,玻尔考察了金属中的电子运动,并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷,赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说。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。

1913年初,玻尔任曼彻斯特大学物理学教时,在朋友的建议下,开始研究原子结构,通过对光谱学资料的考察,写出了《论原子构造和分子构造》的长篇论著,提出了量子不连续性,成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质。提出了原子结构的玻尔模型。按照这一模型电子环绕原子核作轨道运动,外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子;较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。如果外层轨道的电子落入内层轨道,将释放出一个带固定能量的光子。

1916年任哥本哈根大学物理学教授。

1917年当选为丹麦皇家科学院院士。

1920年创建哥本哈根理论物理研究所并任所长,在此后的四十年他一直担任这一职务。

1921年,玻尔发表了《各元素的原子结构及其物理性质和化学性质》的长篇演讲,阐述了光谱和原子结构理论的新发展,诠释了元素周期表的形成,对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明,同时对周期表上的第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,玻尔由于对于原子结构理论的贡献获得诺贝尔物理学奖。他所在的理论物理研究所也在二三十年代成为物理学研究的中心。

1923年,玻尔接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。

1930年代中期,研究发现了许多中子诱发的核反应。玻尔提出了原子核的液滴模型,很好地解释了重核的裂变。

玻尔认识到他的理论并不是一个完整的理论体系,还只是经典理论和量子理论的混合。他的目标是建立一个能够描述微观尺度的量子过程的基本力学。为此,玻尔提出了著名的“互补原理”,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。这在后来量子力学的建立发展过程中得到了充分的验证。玻尔的学生海森堡在互补原理的指导下,寻求与经典力学相对应的量子力学的各种具体对应关系和对应量,由此建立了矩阵力学。互补理论在狄拉克、薛定谔发展波动力学和量子力学的过程中起到了指导作用。

在对于量子力学的解释上,玻尔等人提出了哥本哈根诠释,但遭到了坚持决定论的爱因斯坦及薛定谔等人的反对。从此玻尔与爱因斯坦开始了玻尔-爱因斯坦论战,最有名的一次争论发生在第六次索尔维会议上,爱因斯坦提出了后来知名为爱因斯坦盒子的问题,以求驳倒不确定性原理。玻尔当时无言以对,但冥思一晚之后发现巧妙的进行了反驳,使得爱因斯坦只得承认不确定性原理是自洽的。这一争论一直持续至爱因斯坦去世。

1937年5、6月间,玻尔曾经到过中国访问和讲学。期间,玻尔和束星北等中国学者有过深度学术交流,玻尔称束星北是爱因斯坦一样的大师。束星北的文章《引力与电磁合论》《爱因斯坦引力理论的非静力场解》是相对论早期的重要论述。

1939年,玻尔任丹麦皇家科学院院长。第二次世界大战开始,丹麦被德国法西斯占领。1943年玻尔为躲避纳粹的迫害,逃往瑞典。

1944年,玻尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。

1945年,玻尔回到丹麦,此后致力于推动原子能的和平利用。

1947年,丹麦政府为了表彰玻尔的功绩,封他为“骑象勋爵”。

1952年,玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心(CERN),并且自任主席。

1955年,玻尔参加创建北欧理论原子物理学研究所,担任管委会主任。同年丹麦成立原子能委员会,玻尔被任命为主席。

1962年11月18日,玻尔因心脏病突发在丹麦的卡尔斯堡寓所逝世,享年77岁。去世前一天,他还在工作室的黑板上画了当年爱因斯坦那个光子盒的草图。

1965年玻尔去世三周年时,哥本哈根大学物理研究所被命名为尼尔斯玻尔研究所。1997年IUPAC正式通过将第107号元素命名为Bohrium,以纪念玻尔。

其子奥格尼尔斯玻尔也是物理学家,于1975年获得诺贝尔物理学奖。

原子辐射理论

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获得诺贝尔物理学奖。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。为了支持正义与和平,玻尔将自己的诺贝尔金质奖章捐给了芬兰战争。后来,人们又为他募集黄金重铸了一枚,永远陈列在丹麦博物馆里。

1924年6月,玻尔被英国剑桥大学和曼彻斯特大学授予科学博士名誉学位,剑桥哲学学会接受他为正式会员,12月又被选为俄罗斯科学院的外国通讯院士。

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",奠定了哥本哈根学派对量子力学解释的基础,并从此开始了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像实验,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。

1933年,希特勒夺取了政权,德国成了法西斯国家,这对于丹麦来说是一个危险的邻邦。玻尔不是一个对什么都不关心的人,他既关心政治时事、国家生活,也关心国际事件。他对当时法西斯政权实行的种族迫害和政治迫害深感忧愁和愤怒,积极创立和参加了丹麦救援移民委员会,对从德国逃难到哥本哈根的科学家及其他难民,给予了尽力的支持相帮助。

1940年4月,德国侵占了丹麦,丹麦政府宣布投降。美国、英国等许多国家的大学打电报给玻尔,邀请玻尔全家到他们那里去避难和工作。玻尔非常不安,友好的关心和对自己命运的焦虑打动着他的心。但是,这一切都没能动摇他留在自己的岗位哥本哈根理论物理研究所的决心。

玻尔相信,这一切都是暂时的,不久都会过去。因此,不应该陷入苦闷,要坚持下去继续工作,抵抗侵略者,为共同的斗争做出贡献。在以后的一段时间里,玻尔日见消瘦,然而他却勇敢地和毫不妥协地坚持着。玻尔不隐瞒自己的好恶爱憎,拒绝与侵略者合作并不与支持侵略者的人来往。

1943年9月,希特勒政权准备逮捕玻尔,为了避免遭到迫害,玻尔在反抗运动参加者的帮助下冒着极大的危险逃到了瑞典。在瑞典,他帮助安排了几乎所有的丹麦籍犹太人逃出了希特勒毒气室的虎口。过了不久,林德曼来电报邀请玻尔到英国工作,玻尔在乘坐一架小型飞机飞往英国的途中几乎因缺氧而丧生。在英国待了两个月后,根据美国总统罗斯福和英国首相丘吉尔签署的魁北克协议,美国和英国物理学家应密切合作共同工作。于是玻尔被任命为英国的顾问与查德威克等一批英国原子物理学家远涉重洋去了美国,参加了制造原子弹的曼哈顿计划。玻尔由于担心德国率先造出原子弹,给世界造成更大的威胁,所以也和爱因斯坦一样,以科学顾问的身分积极推动了原子弹的研制工作。

但他坚决反对在对日战争中使用原子弹,也坚决反对在今后的战争中使用原子弹,始终坚持和平利用原子能的观点。他积极与美国和英国的国务活动家取得联系,参加了禁止核实验,争取和平、民主和各民族团结的斗争。对于原子弹给日本造成的巨大损失,他感到非常内疚,并为此发表了《科学与文明》和《文明的召唤》两篇文章,呼吁各国科学家加强合作,和平利用原子能,对那些可能威胁世界安全的任何步骤进行国际监督,为各民族今后无忧无虑地发展自己的科学文化而斗争。

玻尔原子模型

玻尔于1913年在原子结构问题上迈出了革命性的一步,提出了定态假设和频率法则,从而奠定了这一研究方向的基础。玻尔指出:

在原子系统的设想的状态中存在着所谓的"稳定态"。在这些状态中,粒子的运动虽然在很大程度上遵守经典力学规律,但这些状态稳定性不能用经典力学来解释,原子系统的每个变化只能从一个稳定态完全跃迁到另一个稳定态。

与电磁理论相反,稳定原子不会发生电磁辐射,只有在两个定态之间跃迁才会产生电磁辐射。辐射的特性相当于以恒定频率作谐振动的带电粒子按经典规律产生的辐射,但频率u与原子的运动并不是单一关系,而是由下面的关系来决定 h = E'-E"。这就是玻尔原子模型。

奖项

头衔

成功前的“准备”

玻尔在童年时代是一个行动缓慢但做事专心的孩子。他在学校里各门功课都很好,尤其是物理学和数学。他还酷爱文学,但本族语学得很费力。他一生都用功克服这一困难,花了很多时间一遍一遍地抄写手稿,不管是科学论文、大会发言稿,还是给朋友的信件。这反映了玻尔对准确性的迫切要求和使自己的著作能传递尽可能多信息的强烈愿望。为了培养玻尔的动手能力,他父亲为他购置了车床和工具。心灵手巧的玻尔很快就熟练地掌握了金工技术,并敢于修理一切损坏了的东西,家里的钟表或自行车坏了,都是玻尔自己动手修理。

足球轶事

玻尔进入哥本哈根大学后,很快就成了哥本哈根大学足球俱乐部的明星守门员,他习惯在足球场上一边心不在焉地守着球门,一边用粉笔在门框上排演着公式。玻尔后来进入科研机构,专心于原子物理研究,但他仍不忘心爱的足球,业余时间常把踢足球当做休息,成为一名不折不扣的“科学家球星”。不过他也有分神的时候,据丹麦AB队史料记载,在一场AB队与德国特维达队的比赛中,德国人外围远射,玻尔却在门柱旁边思考一道数学难题。

亦敌亦友

玻尔和爱因斯坦是在1920年相识的。那一年,年轻的玻尔第一次到柏林讲学,和爱因斯坦结下了长达35年的友谊。但也就是在他们初次见面之后,两人即在认识上发生分歧,随之展开了终身论战。他们只要见面,就会唇枪舌剑,辩论不已。1946年,玻尔为纪念爱因斯坦70寿辰文集撰写文章。当文集出版时,爱 因斯坦则在文集末尾撰写了长篇《答词》,尖锐反驳玻尔等人的观点。他们的论战长达30年之久,直至爱因斯坦去世。但是,长期论战丝毫不影响他们深厚的情谊,他们一直互相关心,互相尊重。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,是因为爱因斯坦作出了奠基性的贡献。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。”

关于氧气面罩

二战与战后二战期间德军占领丹麦,海森堡前往哥本哈根与玻尔相见,即哥本哈根会见。此次会谈的内容各当事人说法不一,至今仍然在争论之中,但可以确定的是海森堡的话让玻尔十分生气,并损害了他们俩的友谊。为避免被德军扣留,玻尔被迫于1943年逃离丹麦,坐船前往瑞典,然后坐一架小飞机到达伦敦。为了防止被人发现,飞机要飞得很高。据说玻尔因为专心思考,而忘记了戴氧气面罩;另一种说法是玻尔的头太大,面罩尺寸不合适,使得玻尔在空中曾失去了知觉。

访华

1937年初,尼尔斯玻尔与夫人玛格丽特和儿子汉斯玻尔访问美国。2月初,当时在美国的周培源受北京大学和清华大学的委托,邀请玻尔访华。2月27日,北平清华大学吴有训教授致电玻尔(美国加州伯克利转),邀请他顺访北平。3月11日,吴有训又致电玻尔,邀请他访问中国。3月27日,中央研究院、国立北平研究院、国立北京大学、国立清华大学、国立中央大学和中华教育文化基金会等的领导人蔡元培、李书华、蒋梦麟、梅贻琦、罗家伦、孙洪芬联合发出正式邀请信,请玻尔访华。4月10日,北平国立清华大学吴有训再次致函玻尔,邀请他访华。

1937年4月30日玻尔给吴有训回信,感谢来自中国大学和科学机构的邀请,并告知将于5月20日到达上海,在中国逗留两三个星期。在中国讲演的题目是“原子核”和“原子物理中的因果性”。5月7日,玻尔又致函吴有训,信中说收到了浙江大学的邀请,所以想把杭州之行纳入他在中国的旅行日程之中。5月7日吴有训回复玻尔,寄上玻尔在中国旅行的日程草案,征求他的同意。

1937年5月20日(星期天)下午4时,玻尔偕夫人及儿子汉斯玻尔乘客轮抵达上海,受到中央研究院物理研究所所长丁燮林及上海科学界著名人士的热烈欢迎。下榻花园饭店。

5月21日上午10时,丁燮林陪同玻尔父子参观物理研究所。下午又陪玻尔到上海交通大学讲“原子核”。演讲后由交大校长黎照寰设茶点款待。晚7时,中央研究院物理研究所所长丁燮林和化学研究所所长庄长恭在北四川路新亚酒楼联合宴请玻尔教授及夫人和公子。物理研究所顾静徽女士(她是中国第一位女物理学博士)在座。

5月22日上午10时,丁燮林、杨肇濂等陪同玻尔一家到上海市中心区参观。晚上,由中国物理学会、化学会及中国科学社设宴款待。

5月23日玻尔一家由浙江大学文理学院院长胡刚复陪同,于8时25分乘火车赴杭州。12时30分到达杭州,受到物理系主任张绍忠教授、何增禄、束星北、王淦昌等物理学家的欢迎,下榻西泠饭店。下午游西湖。晚7时,竺可桢校长在大华饭店设宴招待。竺可桢因事未能出席,由一位哲学家(可能是郑晓沧)代表主持。

5月24日上午9时,胡刚复、束星北、王淦昌、何增禄、张绍宗、梅光迪夫人陪同玻尔一家游览了西湖、灵隐寺、龙井、九溪十八涧、六和塔等地。下午5时,玻尔在浙大文理学院作了题为“原子核”的讲演。讲演时间约一小时半,会议由竺可桢校长主持。胡刚复作简要介绍。

晚7时半,浙江省政府主席朱家骅(及夫人朱程佩芬在省府设宴款待玻尔夫妇及公子。应邀作陪的有竺可桢、程远帆夫妇、梅光迪夫妇、楼光来、胡刚复和郑晓沧。

在玻尔访问杭州期间,王淦昌与束星北和他讨论了许多物理问题。王淦昌曾问他是什么原因引起了宇宙线中的簇射现象。玻尔回答说这个问题已经搞清楚了。这种现象是由电磁相互作用引起的。从1927年到1937年,玻尔和爱因斯坦已就量子力学的诠释问题进行长达十年的争论,其间1927、1930、1935是三次高潮。在杭州,束星北直截了当地问玻尔对这场大论战持什么看法。玻尔直率地回答,在这个问题上,他是对的,而爱因斯坦的想法不对。40多年后对量子“纠缠态”的实验确认,证明玻尔确实是对的。

5月25日上午8时,玻尔一家乘火车去上海,何增禄、王淦昌、束星北陪送至长安站告别。玻尔一家在上海进午餐和晚餐,晚12时,坐火车去南京;丁燮林到车站与玻尔告别。

5月26日(星期三)早晨,玻尔一家到达南京。中央研究院秘书王毅候和国立中央大学周教授(可能是周同庆)到车站迎接。中央研究院院长蔡元培在5月24日就留下了一封欢迎信,说明因自己不在南京,为不能到车站欢迎您深感遗憾,并希望玻尔在南京的短暂停留愉快。

在南京期间,玻尔在中央大学科学馆作了题为“原子核”的讲演,在中央大学讲了“原子物理中的因果性”,游览了明孝陵和中山陵,参观了中央研究院几个研究所,出席了若干活动,与国立中央大学校长罗家伦、中央研究院历史语言研究所的赵元任教授等进行了交流,并访问了金陵女子学院。

5月28日玻尔夫妇与公子于上午7时45分乘火车离开南京赴北平。

5月29日(星期六)下午1时55分,玻尔一行到达北平前门车站,受到清华大学理学院院长吴有训(正之)、北京大学理学院院长饶毓泰(树人)、北平研究院院长李书华、中华教育文化基金会干事长孙洪芬等文化教育界著名人士的热烈欢迎。下榻北京饭店501房间。下午游了北海公园。

5月30日上午9时,吴有训陪同玻尔夫妇与公子游了天坛,午餐后,又陪他们游览了故宫。晚7时,国立清华大学、中华文化教育基金董事会、国立北平研究院、国立北京大学联合宴请玻尔夫妇与公子,座设松公府北大教职员俱乐部。

5月31日,上午10时,北大饶毓泰教授陪同玻尔一家游览景山。下午3时,玻尔在北大理学院讲演厅作题为“原子核”的讲演。在讲演前,玻尔参观了北大物理实验室。在该室吴大猷、郑华炽等人做了研究拉曼效应的光谱实验,并在测量“苯”的光谱时发现了两条很相近的谱线,一条强度大,而一条却很弱。当玻尔看到光谱照片时,对我国物理学家能在当时条件下拍好需要几百小时的曝光时间才能拍下的照片表示十分赞赏。讲演以后在花园中饮茶喝咖啡。然后与北大校长蒋梦麟夫妇以及中国的物理学家、数学家等合影。

从6月1日到6月6日,玻尔游览了故宫、颐和园、十三陵、长城等名胜古迹。在吴有训陪同下,参观了清华大学赵忠尧和霍秉权的实验室,在梅贻琦校长家中用餐。他还参观了北平研究院、静生生物调查所、国立北平图书馆等机构,在北大理学院作有关“原子物理中的因果性”的讲演,参加了中国科学界、教育界、文化界举办的若干活动,与众多科学文化界人士曾昭抡、熊庆来、洪谦等进行了交流。

6月7日(星期一)上午10时,玻尔在北大又作一次非正式讲演并参加讨论,之后玻尔夫妇与公子一起被邀到北大校长蒋梦麟家中用午餐。晚上,玻尔一家乘火车去山海关,再转乘火车赴苏联。

在玻尔来华前在美国时,柯达胶卷公司送他一部小电影机和彩色电影胶卷(当时还是试用的非卖品)。玻尔在泸杭路的火车上,在杭州游览西湖、岳坟、灵隐寺时,在南京游览明陵和中山陵时,在北平游览十三陵时,拍了沿途风光。在北平还拍了用花轿迎亲的场面。特别珍贵的是,影片记录了浙江大学何增禄、王昌、束星北三教授在浙江长安车站翘首送别,依依不舍的情景。这可能是在中国拍摄的最早一部彩色电影(现存丹麦玻尔文献馆)。

在玻尔访问上海、杭州、南京、北平期间,上海《大公报》、杭州《东南日报》、南京《中央日报》、北平的《晨报》都有所报道。在玻尔离开中国以后,1937年7月1日出版的《学艺》杂志第16卷第3号,发表了戴运轨的“Bohr教授的讲演”和石延汉的“波尔(NilesBohr)氏和量子论”两篇文章。戴运轨的文章称玻尔是“20世纪原子物理学的开拓者”,并介绍了玻尔在南京中央大学的两次讲演。石延汉的文章称玻尔是“世界今日最大的物理学家之一”。

玻尔离开北平后一个月,就发生了卢沟桥事件,中国进入了8年艰苦卓绝的抗日战争以及后来的3年国内战争。在此期间,玻尔与中国联系不多,有交往的仅有张宗燧(物理学家,哲学家张东荪的儿子)、胡宁(物理学家)、罗忠恕(华西大学文学院院长、联合国教科文组织哲学顾问)等几位学者。特别是张宗燧,他在玻尔研究所工作时间最长,与玻尔交往最久,和玻尔一家建立了深厚的、感人的友谊。

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。爱因斯坦

玻尔成了丹麦的骄傲,全国广泛举行了庆祝他诞辰60周年和70周年的活动。在庆祝他60周年诞辰时,为他建立了40万克朗的独立基金,以便他用来鼓励各种研究活动。在祝他70周年诞辰时,国王授予他丹麦一级勋章,政府和科协会决定设立铸有他头像的玻尔金质奖章,用来奖励那些有卓越贡献的现代物理学家。

玻尔在暮年时,仍然积极参加组织活动和社会活动,为巩固各国科学家的国际合作而到处奔波,直到1962年11月18日与世长辞。

从此,人们失去了一位天才的科学家和思想家,一位争取世界和平和各国人民相互谅解的战士,一位纯朴、诚实、善良和平易近人的全人类的朋友。世界上许多国家的有关机构给丹麦皇家科学协会发来了无数唔电、信函,沉痛悼念这位科学巨人。


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