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[物理学家小传]:Niels Bohr

已有 5462 次阅读 2008-2-27 19:35 |个人分类:物理学家小传

关于Bohr的小故事敝人知之甚少,故这里也只能大略介绍Bohr身平。
20世纪初物理学晴空的两朵乌云引来了两场革命:量子力学和相对论。相对论改变了人们的时空观,而量子力学让人们认识到微观粒子的行为,两者一起改变了我们现在的世界。它们的出现也让物理学变得更为玄妙和复杂,艰深的数学理论是这两个理论的基础,也让物理学从以前单打独干走向了相互合作,从此再也没有伟人能做到独立提出一个自恰的完善理论出来。
量子力学的创立是一段传奇故事,从Plank的惶恐到Einstein睿智,再到Bohr(玻尔)天才,还有De Broglie(德布罗意)的偶得,接着是Heisenberg(海森堡)和Schordinger(薛定谔)的奠基,然后Dirac(狄拉克)领袖群伦,最后还有Feynmann(费曼)等人的点缀,其中还有无数著名的物理学家。看看下面这张索尔维会议照片就知道了,里面任何一个人都远远超过如今那些所谓的物理学家。(顺便提一下,其中康普顿是吴有训的导师,吴先生是江西高安人,曾在中央研究院物理研究所也就是物理所的前身,担任所长。他是现代中国物理学启蒙人之一,现在物理所图书馆里面还有一个巨大的书架是吴先生赠书。)在我的[物理学家小传]里面,我想介绍Einstein、De Broglie、Bohr、Pauli、Plank、Feynmann这么几个人,其中几个在前面已经介绍完,如今补充以下Bohr的介绍。
[img]http://images.blogcn.com/2006/8/3/12/penrose,20060803225830.jpg[/img]

Bohr出生在一个物理世家,他的父亲已然是一位物理学教授,Bohr从小就受到物理的熏陶,而不像Einstein,从小只是替父亲看小杂货铺。Bohr也很早就在父亲的实验室工作,并且干得非常不错。
而后Bohr师从J.J. Thomson(电子的发现者),并到Rutherford(原子核的发现者)的实验室工作。在Rutherford的实验室,Bohr做出了最重要的一个贡献,那就是Bohr原子模型。自从Rutherford发现原子存在原子核,而且原子核的大小要远远小于原子,如果把原子比喻作一个足球场,那么原子核就只有场地中央一只蚂蚁那么大!原子的质量几乎全部集中在原子核,原子核外面是电子――这是J.J. Thomson发现的粒子。那么就遇到一个问题,电子在原子核外围那么大的空间是如何存在的?Rutherford提出了行星模型,就是电子像行星绕太阳运动一样绕着原子核运动,可存在一个问题:这样的运动需要足够的能量,按照电动力学,运动的电子会不断辐射电磁波,自身的能量就逐渐减低,这样的划,电子的轨道半径会越来越小,最终坍缩到原子核上,原子从一个足球场变成了蚂蚁!这当然是不对的,可没人提出更好的办法。Bohr的聪明在这时起到了用场,Bohr提出他的模型,他认为电子运动轨道是固定的几个,按照能量大小称为能级,不同能级上的电子能量不一样且按照不同的轨道运行,处在固定能级上的电子是稳定的,电子从高能级跃迁到低能级需要辐射能量,这个能量等于两个能级能量之差,存在一个最低能级,他称为基态,基态就是能量最低态,其他的能级都是激发态。从基态跃迁到激发态需要吸收能量(光子),从激发态跃迁到基态会辐射能量(光子)。同时他给出了能量跃迁之间的相关规律。这个模型虽然简单的很,但是非常实用,它很好地解释了氢光谱问题,同时理所当然地得到一个结论:电子跃迁辐射出的能量是一份一份的,也就是说光是由光量子(光子)组成的,这十分支持目前的一切实验证据。可以说Bohr的理论凭借他这几条天才的假设,取得了巨大的成功。可是Bohr无法说明为什么电子要处在能级上,而不是能量连续可变。
Bohr回国后在丹麦哥本哈根主持研究工作,在他的带领下,一批聪明的年轻人创立起了量子力学,并对原子核物理的研究做出了巨大贡献,后来哥本哈根成了量子力学的一大圣地。如今那里还有玻尔研究所,北京大学的曾谨言先生就在那里待过,师从Bohr本人,他回来后成为中国量子力学教学的中流砥柱。
后来量子论的进一步发展,一个叫Heisenberg的德国小伙子发现了矩阵力学可以推出光谱公式。他的导师叫做Bohn(波恩),在德国的哥廷根大学。于是哥廷根成为了量子力学创始的另一个圣地。哥本哈根和哥廷根,玻尔和波恩,还有他们的学生们一起创造了量子世界的神话。Heisenberg创立矩阵力学的时候是很有趣的一段故事,当时Heisenberg发现只有承认有乘法不可交换性,也就是A×B不等于B×A,这样就有可能推出光谱公式,但他不明白什么东西满足这个。后来Bohn问了数学家(当时物理学家还不知道用矩阵),才恍然大悟地告诉Heisenberg,原来他找了半天的东东就是矩阵。于是对矩阵代数一点都不懂的Heisenberg学习了矩阵这个工具,很快得到了他的结果。物理学家就是这样,当发现物理学现有的数学工具不够用时,就回去找数学家,总是能知道相应的数学工具来帮忙,好像数学家就是为物理学家未来的理论帮忙的,不过数学家要来学物理,他肯定会一塌糊涂的,因为严格的数学和喜欢近似凑合的物理根本无法跨越。广义相对论也是如此,当时小爱就找格罗斯曼来帮忙的,微分几何的注入也让广义相对论焕发新的活力。惟一在数学里都难以找到现成工具的物理理论就是超弦理论,从事超弦研究的有物理学家也有数学家。国内的李淼老师在超弦方面做的不错,他是个物理数学和文学兼备的才子(见我的博客链接)。哈佛的丘成桐先生是数学家,菲尔兹奖的获得者,他也在超弦领域很活跃,超弦里有用他名字命名的流形。还有很多人,Gross 、Witten、 Green等等,这些科学家共同走在数学和物理的最艰深的前沿。我有幸亲眼见过这些大牛,听过他们精彩的报告,作为学物理的来说,此生无憾矣!
Heisenberg经Bohn的推荐,后来到了Bohr门下,和Bohr成了好朋友。Bohr对待Heisenberg就像对待自己的亲生儿子一样亲昵,也许是与Bohr中年丧子有关吧。看过话剧《哥本哈根》的人就知道,在德国占领丹麦时候,Bohr和Heisenberg有一次神秘的会见,会见之后两人的友谊从此破裂。Bohr从此郁郁寡欢到终老。Heisenberg回到纳粹德国据说是在主持原子弹的制造计划,而当时奥本海墨已经率领Feynmann等一批盟军的科学家开始了原子弹的制造。盟军的原子弹先造出来,日本鬼子投降,德国也注定要失败。有人说是Heisenberg劝Bohr参与原子弹的计划,遭到Bohr的怒斥,有人说Heisenberg掌握了原子弹的核心技术,但是故意不造出来真正的原子弹,最后逼得希特勒走投无路。不管大家怎么猜测,Bohr和他弟子Heisenberg的友谊彻底破裂,Heisenberg也因为有帮纳粹的嫌疑而被所有科学家鄙视,从此他失去了国际学术交流的机会,下半辈子在忏悔中逝去。一代优秀的物理学家就这样在政治面前软弱无力,科学家是政治家的棋子,这话一点不假。稍微提一下的是,奥本海墨在日本被两颗原子弹炸了之后总是到处说他双手沾满了鲜血,原子弹的制造是为了和平不是战争,美国总统大为光火,吼道:“是老子下令投的,关他个P事!”后来奥本海墨被怀疑泄漏原子弹的秘密,比如苏联和中国为啥那么快能造出原子弹?他也在军事法庭里折腾了数年。物理学家就是不要涉足政治,否则下场及其可能是悲剧。(吴有训先生也曾被打为右派,最终迫害致死。是中国物理界的一大损失啊!)
Bohr的故事说明:
一、 要敢于做假设,哪怕没有任何理论支持,只要存在假设就有可能得出正确的结论;
二、 做一个高尚的人,一个纯粹的人,一个脱离低级趣味的人;
三、 政治是科学家的坟墓,战争是科学家的地狱,和平是科学家的责任。



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