玻尔和量子力学

2018-12-04 03:04:22 飞碟探索2018年6期

吕雪萱

经典物理学的困境

量子力学的建立,是以研究光和热辐射为突破口的。

19世纪末,麦克斯韦就已证明,光是电磁波的一种。因此,光应遵从所有波遵从的定律,它的能量应是连续的。但在热辐射等问题上,经典力学却陷入了困境。1900年,普朗克提出了量子的概念,认为热辐射的能量是由一个个能量原子即量子构成的。1905年,爱因斯坦提出了光子的概念,指出在光电效应中光波表现出了“粒子”的特性,物理学家这才认识到光既是波又是粒子,即具有波粒二象性。

但物体为什么会发光?经典物理学认为是温度的上升使分子运动加剧,猛烈的互相碰撞使分子急速振动,开始发光。可是物体的分子在室温下也运动,为什么不发光?对此经典物理学瞠目结舌,无以回答。

1911年,英国著名物理学家卢瑟福根据经典物理学提出了一个原子模型。他认为原子里有核和电子,电子围绕原子核飞速旋转,做加速运动,同时辐射出电磁波。可问题又来了,电子由于辐射光,会把它的能量消耗干净。这样,电子很快就会坠落在原子核上,原子也随之毁灭。然而原子却生存着,物体加热之后依然发光!经典物理学又一次陷入了困境。它不能说明加热物体的发光,也解释不了光谱的本质。

崭新的原子模型

1912年,卢瑟福的学生、年仅27岁的丹麦物理学家玻尔提出了一个崭新的理论。他认为围绕原子核旋转的电子是沿一定的轨道运动的,不同轨道对应于不同的电子能量,只要电子继续在它的轨道内运动就不会发出光线;而某个外层能量较大的轨道中的电子跳到内层能量较小的轨道中时,多余的能量就以量子的形式从原子中抛射出去,这个量子也就是爱因斯坦所说的光子;反过来,根据光子能量和频率的普朗克关系可以确定光子的能量,这正是原子中老轨道与新轨道的能量差。

这种解释是何等的简单而精彩啊!

玻尔的理论克服了卢瑟福原子模型遇到的困难,一举说明了对经典物理学来说一筹莫展的热辐射理论,其过程中的量子性质昭然若揭。

在室温下,原子撞击虽然是很寻常的,但电子的能量一般都很低,它围绕自己的轨道运动时,是发不出很多光线来的。当温度升高后,原子热运动更有力,碰撞得更频繁、更猛烈。电子朝远离原子核的外层轨道跳跃,当它们再从那些轨道跳回时,电子将产生非常有力的光子。随着光子数目的增加和频率的增高,发射的光线就更亮。

这个理论很快为大多数科学家所承认。更重要的是,玻尔把经典力学与量子理论结合起来,从而引起了原子理论的革命,对量子力学的建立起到了极为重要的作用,他也因此获得了1922年度的诺贝尔物理学奖。年轻的玻尔成为举世瞩目的人物。

脚踏实地地前进

1885年10月7日,玻尔出生在哥本哈根。父亲是著名的自然科学家。还在中学的时候,玻尔就对物理学发生浓厚的兴趣,常常根据书上的论述自己动手做物理实验。1907年,他依照英国物理学家瑞利的著作,在父亲的实验室里做水表面张力的研究实验,为此还获得了哥本哈根科学院的金质奖章。玻尔是幸运的,他没有经历其他一些著名物理学家曾经遇到过的困难。还在大学二年级时,他就做了教授的助手,须知连爱因斯坦取得大学文凭之后还久久地等待高等学校助教的空缺职位呢。

1911年,玻尔在哥本哈根大学毕业后,先到英国剑桥卡文迪许实验室,不久又来到曼彻斯特的卢瑟福实验室工作。正是在这之前不久,爱因斯坦的光子理论和相对论轰动了整个世界,也激励着年轻的玻尔思想更为大胆,提出了他闻名遐迩的量子模型,为量子力学的创立奠定了基础。

1916年回国后,玻尔任哥本哈根大学理论物理学教授及该校理论物理研究所所长。从1939年起直至逝世,他一直是丹麦科学院院长。

不怕暴露自己的愚蠢

尽管玻尔是量子力学创始人之一、哥本哈根学派的领袖,在理论物理学界享有极高的声誉,但他从不盛气凌人、趾高气扬。相反,他总是谦虚诚恳、平易近人,尤其对待年轻的科学家更是如此。他身边总是聚集着五六十名国外物理学家,海森堡、狄拉克、泡利、朗道等人都先后在他身邊学习、工作过。许多世界著名的理论物理学家怀着自豪而崇敬的心情,称自己是玻尔的学生。

波尔和他的妻子

玻尔的住宅坐落在一个美丽的公园中心,仿若郊外宫殿,内部有圆柱大厅,这是丹麦科学院为表彰他的功勋送给他的。这里成了当时科学生活的中心,成了各国原子物理学家的“麦加圣地”。许多年轻科学家慕名前来这里,向玻尔求教。

玻尔总是悉心帮助青年物理学家,激励他们的科学思想,同他们赤诚相见。他甚至要求他们一起审查自己的文稿,逐字逐句地反复推敲、仔细琢磨,对每个论点都做长时间的讨论和修改。有一次,他与自己的学生对一篇科学文稿连续修改几个昼夜,由于过度疲劳,最后签名竟签错了地方。

当时,他与学生海森堡多次就测定电子的位置和动能问题进行深入的讨论,有时甚至展开激烈的争论。但正是基于这种深刻的认识和讨论,海森堡于1927年提出了“不确定性原理”,认为要在同一时间以同样精度测定电子的位置和动量是不可能的,只能精确测定两者之一。而玻尔又将海森堡的不确定性原理加以完整的理论形式,提出著名的“并协原理”。这件事成为理论物理学界的佳话。有人问玻尔,他何以能吸引这么多青年理论家聚集在身边,玻尔说,“我只是不怕在年轻人面前暴露自己的愚蠢”。

一瓶重水

之后,玻尔又对原子核反应理论进行研究,在裂变力学,尤其是解释重核裂变现象方面做出了重要的贡献。

1940年,希特勒军队侵入丹麦,当时玻尔仍然留在国内。作为反法西斯专制的不屈战士和“半个犹太人”,纳粹分子视他为最危险的敌人。

1943年年底,玻尔获悉德国人准备将他劫往德国。在丹麦抗敌组织的帮助下,玻尔和家人逃到瑞典,再从瑞典飞往伦敦。

临行前,年近花甲的玻尔在实验室陷入了沉思,深邃的双眼深情地望着各种实验仪器。台上放着一个盛着重水的啤酒瓶和一枚熠熠闪光的金质诺贝尔奖章……最后,他决定把奖章溶入强酸,带上盛有重水的啤酒瓶上路。

波尔和爱因斯坦

玻尔被安置在“蚊”式飞机的弹舱里,飞行时飞机被气浪颠上抛下,再加上随时可能出现的德国飞机,情况十分危急。只要飞行员一扳手闸,玻尔就会像一枚炸弹一样被丢进大海里。尽管环境如此险恶,蜷缩在弹舱里的玻尔依然在全神贯注地思考亟待解决的问题。他没有戴飞机上联系必需的联络耳机,因此没有听到飞行员让他戴上氧气面罩的通知。当飞机爬升到空气稀薄的高空时,玻尔昏过去了。降落到伦敦机场后,欢迎他的人群发现这位伟大的物理学家已经奄奄一息。然而使玻尔大为懊恼的是,在匆忙的出逃中,他取错了瓶子,在生死攸关的航程中豁出命来保护的,竟真的是一瓶地地道道的丹麦啤酒!

不久,玻尔又从伦敦飞往美国,作为顾问,在洛斯阿拉莫斯实验室指导了世界上第一颗原子弹的制造。

1962年11月28日,玻尔完成工作休息时安静地入睡了,再也没有醒来。

?