玻尔

尼尔斯•玻尔 (N. Bohr)

丹麦物理学家，20世纪一位能与爱因斯坦争雄媲美的科学巨人。

他不仅为原子物理学、量子力学和原子核物理学的开拓性发展做出贡

献，而且为量子物理学培养、组织了一支创新队伍，即哥本哈根学派。

玻尔的性格、精神和工作作风是罕见的，他对物理学和人类的影响是很

难充分估价的。下面将从科学贡献、哥本哈根学派以及相关趣事等几个

方面简单地介绍这位伟大的科学家。

1、科学贡献

1885年10月7日出生于哥本哈根，18岁进入哥本哈根大学的数学和自然科学系，主修物理学。1909年和1911年作硕士和博士论文的题目是金属电子论，并在这过程中接触到量子论。1912年在曼彻斯特大学卢瑟福的实验室里工作过四个月，从事原子物理方面的研究，并且取得了辉煌的成就。1916年，玻尔回到哥本哈根任教，并于1921年在哥本哈根大学创立哥本哈根大学理论物理研究所。由于在“研究原子结构和由此产生的辐射所做出的贡献”，1922年，玻尔荣获诺贝尔物理学奖。

他对现代物理学做出了多次根本性的重大贡献，主要表现在：

1.1 原子结构和原子光谱

玻尔在卢瑟福的实验室里工作期间，正值卢瑟福发表有核原子理论并组织大家对这一理论进行检验。玻尔很支持卢瑟福的有核原子模型，也很了解他的理论所面临的困难，他认为要解决原子的稳定性问题，必须对经典概念进行一番彻底改造，即靠量子假说。1913年7月、9月和11月，玻尔分三次在英国《哲学研究》杂志上发表了著名的“三部曲”，题名《论原子和分子的构造》——Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三篇论文。他进一步发展了普朗克和爱因斯坦的思想，提出了几条假说：定态假说、跃迁法则及其对应原理。他的这一理论完满的解释了氢原子光谱，并且确定了原子和分子中电子轨道的大小，成功地解释了元素的周期表，使原子物理取得了重大进展。

1.2 量子力学

玻尔在量子力学上取得的伟大成就是他的互补原理。互补原理是为了协调量子力学与经典力学之间的矛盾而提出的，其目的是为了更好地理解和解释微观粒子的测不准原理。玻尔的互补原理含有多层含义：（1）两类经典概念互补，比如微观粒子即具有波动性又具有粒子性。但并非同时出现,不论注意现象的连续性或不连续性，我们总会丢掉一面，即二者是互斥的。（2）两种实验装置互补。微观粒子即相互排斥又相互补的两种性质不可能在同一种实验装置和实验条件下观测，必须采取可以相互补充的实验安排，如电光效应实验只能观察微观粒子的粒子性，而在衍射实验的条件下可观测电子的波动性等。（3）时空描述和因果关系互补。类似于海森保的测不准关系（2,2 ≥∆⋅∆≥∆⋅∆t E p x ），如果位置x 完全确定，则动量p 完全不确定或无意义，反之亦然，这就必须放弃因果描述和时空描述。

玻尔的互补原理不但使量子力学得到进一步澄清，而且是一条无限广阔的哲学原理。图1 玻尔

在他的晚年，他用这种观点论述了物理科学、生物科学、社会科学和哲学中的无数问题，对西方学术界产生了相当重要的影响。

1.3 原子核物理

20世纪30年代中期，玻尔还提出了关于原子核构成的“液滴模型”、复合核概念等，促进了重核裂变的发现和原子核能的研究。玻尔对原子核物理的贡献还体现在为促进和平利用原子能所做出的不懈努力，并组织了1955年在日内瓦召开的第一次和平利用原子能大会，虽然他也参与了原子弹的研制计划。

2、哥本哈根学派和哥本哈根精神

玻尔的科学贡献不仅包括其学术成果，而且还包括其为量子物理学培养的哥本哈根学派。

1921年，在玻尔的倡议下，建立了哥本哈根大学理论物理学研究所（玻尔逝世后于1965年改名为玻尔研究所），并领导这一世界性的科学中心40年。他大约培养了600多名物理学家，我们所熟知的海森保、泡利等都曾在这里工作过，他们组成所谓哥本哈根学派，在量子力学的发展中起着独特的作用，取得了许多重大的成果。在玻尔手下工作和学习过的中国著名物理学家也不少，如周培源、张宗隧、胡宁、杨福家、曾谨严等。

这与玻尔爱护青年，善于发现和培养人才分不开的。研究所从一开始就强调了培养青年科学家的重要性：“……要不断吸收相当数量的年轻人，让他们熟悉科学研究的结果和方法……，通过青年人自己的贡献，新的血液和新的思想就会不断涌入科研工作。”另外，该学派强调集体的研究方式而不是孤军奋战。例如，玻尔的对应原理导致了海森保矩阵力学的形成；在相互的启发鼓励下涌现了玻恩对波函数的概率诠释、海森伯的不确定原理，以及后来玻尔提出的互补原理等。图2和图3分别给出了玻尔和海森保、泡利以及哥本哈根学派的年轻学者探讨问题的情形。在玻尔的领导和影响下，先后有10多位获得诺贝尔物理学奖（比如：海森保、薛定额、狄拉克、玻恩、泡利等）。足见，玻尔不但在学术上是一个伟大的开拓者，而且是科学力量的组织者和领导者；而后者恰恰就连爱因斯坦都无法与他相比。

而“哥本哈根精神”则具体体现在下面两点：

（1） 在完全不拘形式的情况下，在自由的学术气氛之中，去探究物理学最为前

沿、最为迫切的问题。

（2） “统一与和谐”是哥本哈根学派的哲学理念，“开放性”是哥本哈根精神

保持青春活力的动力源泉。

图2 玻尔（左）和海森保（中）和泡利

（右）在一起 图3 玻尔和哥本哈根学派的年轻人探讨问题

3、 玻尔与其他科学家之间的争论

哥本哈根学派自由、开放的探究精神，使得玻尔不但与那些年轻的、尚未成熟的学者之间展开紧张而热烈的自由讨论，而且还与一些伟大的科学家之间产生一些争论。

3.1 J.汤姆孙与玻尔之争

1911年9月，玻尔在拿到博士学位之后，到英国剑桥卡文达什实验室进修。据说他第一次与导师J.汤姆孙见面时，就操着不熟练的英语把他论文中批评汤姆孙的段落当面指出，使导师大为光火，因而给以冷遇。随即于1912年3月转到了曼彻斯特随卢瑟福工作，从事原子物理的研究，这也成了他一生的重要转折点。

3.2 薛定额与玻尔之争

1926年9月，玻尔邀请薛定额到哥本哈根讲波动力学，薛定额以其特有的性格坚持微观物理中无所不在的连续性、抨击玻尔的量子跃迁的观念。他们有时从早晨争论到晚上。最后，当玻尔引证爱因斯坦1910年关于跃迁几率的论文来为自己的不连续性观念辩护时，薛定额绝望地喊叫：“如果我们一定要坚持这个该死的量子跃迁，那么我就要为我曾为量子理论做了一点工作而感到遗憾”。对此，玻尔回答：“但是我们都感谢你，因为你为了澄清量子理论做了这么多贡献”。

3.3 爱因斯坦与玻尔之争

量子力学的物理诠释以及相与俱来的科学哲学问题，引起了一场激烈复杂的学术大辩论，这就是著名的爱因斯坦－玻尔论战。两个人的第一次正面交锋是在1927年的第五界索耳维物理讨论会上，玻尔在会上公开阐述的互补性观点对爱因斯坦一直坚持的连续性和因果原理是一次公开的挑战，两人展开了激烈的争论。他们的争论是在会上和会下同样进行的。每天早上，爱因斯坦就会提出一个假想实验来试图驳倒位置和动量之间的测不准关系式，而到了晚上，玻尔就会做出答复，论证那个实验是和测不准关系是恰恰一致的。经过多年的较量，爱因斯坦发现这个堡垒是无法攻破的，但到他生命的最后时刻，他还是拒绝接受测不准关系。在爱因斯坦和玻尔分别于1955年和1962年逝世以后，作为他们个人之间的论战当然结束了，但是两种观点之间的争论却远远没有结束，它继续发展着，表现出一些新的形式，而且至今没有分出什么结果。但这两位伟人之间的跨世纪之争却使得量子力学理论不断地得到澄清，一步步的深入其本质含义。

4、玻尔的中国情结——玻尔的族徽

自从1913年成名以来，玻尔先后得到了各国政府和学术

团体所赠予的许多崇高的荣誉和头衔，并且多次访问世界各国。

1937年夏季，玻尔应当时任清华大学校长的吴有训之邀访问中

国的上海、南京、杭州和北平等地，表达了对中国人民的友谊。

此次中国之行使得玻尔对我国古代阴阳八卦说、老子思想等有

了非常深入的了解，对“太极图”尤为喜爱。他认为波和粒子

可以像阴阳二气一样视为微观物质的两种不同形态，自然也就

可以将阴阳二气之间所持有的互补性，完全地引入到波和粒子

之间的互补性上来，即量子力学中著名的互补性原理。

1947年，丹麦政府决定授子他级别很高的勋章，要求受

勋者有一个族徽。玻尔亲自设计了他的族徽，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（图4）。

另外，他还用八卦太极图作为他们哥本哈根学派的标志。它不但以简单的形式给出了宇宙万物对立统一的运动模式，同时充分体现了微观粒子世界的和谐美。

图4 玻尔家族的族徽