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尼尔斯·玻尔

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尼尔斯·玻尔1922年诺贝尔物理学奖得主
Niels Bohr
Niels Bohr.jpg
1922年的玻尔
出生尼尔斯·亨里克·达维德·玻尔(Niels Henrik David Bohr)
(1885-10-07)1885年10月7日
 丹麦哥本哈根
逝世1962年11月18日(1962岁-11-18)(77岁)
 丹麦哥本哈根
国籍 丹麦
母校哥本哈根大学
知名于
配偶玛格丽特·内隆德(1912年成婚)
儿女奥格·玻尔等六个儿子
奖项
科学生涯
研究领域物理学
机构哥本哈根大学
剑桥大学
曼彻斯特维多利亚大学
博士导师克里斯蒂安·克里斯蒂安森英语Christian Christiansen
其他指导者约瑟夫·汤姆孙
欧内斯特·卢瑟福
博士生汉斯·克拉默
其他著名学生列夫·朗道
受影响自
施影响于
签名
Niels Bohr Signature.svg

尼尔斯·亨里克·达维德·玻尔[a]丹麦语Niels Henrik David Bohr,1885年10月7日-1962年11月18日),丹麦物理学家,1922年因“他对原子结构以及从原子发射出的辐射的研究”而荣获诺贝尔物理学奖[1]

玻尔发展出原子的玻尔模型。这一模型利用量子化的概念来合理地解释了氢原子光谱。他还提出量子力学中的互补原理。20世纪20年代至30年代间量子力学及相关课题研究者的活动中心,哥本哈根大学的理论物理研究所(现名尼尔斯·玻尔研究所),也是由玻尔在1921年创办的。

20世纪30年代,玻尔积极帮助来自纳粹德国的流亡者。在纳粹德国占领丹麦后,玻尔与主持德国核武器开发计划的海森堡进行了一次著名会谈。他在得知可能被德国人逮捕后,经由瑞典流亡至英国,并于该国参与了合金管工程。这是英国在曼哈顿计划中承担的任务。战后,他呼吁各国就和平利用核能进行合作。他参与了欧洲核子研究组织[2]丹麦原子能委员会里瑟研究部英语Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy的创建,并于1957年成为北欧理论物理研究所英语Nordic Institute for Theoretical Physics的首任主席。为纪念玻尔,国际纯粹与应用化学联合会决定以他的名字命名107号元素,𨨏

早年

青年时代的尼尔斯·玻尔

尼尔斯·玻尔1885年10月7日生于丹麦哥本哈根。父亲克里斯蒂安·玻尔哥本哈根大学生理学教授。[3]母亲埃伦·阿德勒·玻尔出身于一个在银行业和政界都声名显赫的犹太富商家族[4]。姐姐珍妮后来成为一位教师[5]。弟弟哈拉尔德则成为一位数学家[3]。哈拉尔德还曾是丹麦国家足球队的成员,并代表丹麦参加了1908年夏季奥运会的足球比赛。尼尔斯也非常喜欢足球,并与弟弟一起曾为哥本哈根的学院足球俱乐部英语Akademisk Boldklub出场了几次比赛,司职守门员[6]

玻尔七岁起开始在伽末尔霍姆拉丁语学校学习,除了丹麦语写作之外,他的绝大部分科目都成绩优异。他在这一时期也已展示出对于物理学的热忱。[7]1903年,他进入哥本哈根大学学习物理。他的导师是该所大学当时唯一的物理学教授克里斯蒂安·克里斯蒂安森英语Christian Christiansen。玻尔还在托瓦尔德·蒂勒英语Thorvald Thiele教授的指导下学习了天文学与数学,并跟随父亲的好友哈拉尔德·许夫定英语Harald Høffding教授学习哲学。[8][9]

丹麦皇家科学院1905年举办了一场物理论文竞赛。题目是研究瑞利男爵在1879年提出的一种测量液体表面张力的方法:依据测量水射流的流速、截面面积与半径振动频率去估算其表面张力。由于哥本哈根大学当时没有物理实验室,玻尔只得在父亲的实验室进行一系列实验。为了完成实验,他还自行制作了截面为特定椭圆的玻璃试管。他最终的成果超过了原来设定的要求。他对于瑞利勋爵的理论与方法加以改善,提出了一种考虑到水的黏性的测量方法。而且他的方法不但能处理无限小振幅振动的案例,还能处理有限振幅振动的案例。他的论文尽管是在临近截止期限前几分钟提交的,但还是为他赢得了金牌。后来,他又将这篇论文加以改进,然后送交英国皇家学会,并在《自然科学会报》发表。[10][11][8][12]

玻尔在这一时期经由许夫定接触到丹麦哲学家索伦·奥贝·克尔凯郭尔的著作[13],并且曾经将克氏的著作送给弟弟作为生日礼物[14]。玻尔非常欣赏克氏的语言及行文风格,但他曾亲口承认不太赞同克氏的一些观点。这可能是克氏在其著作中宣扬的基督教教义与玻尔的无神论观点相抵触。[15][16][17]

克氏对于玻尔到底产生了多大程度的影响仍然存在争议。一些传记作者认为克氏对于玻尔的影响非常小,他们相信玻尔对于克氏的反对言论是发自真心的[18]。另外一些传记作者则认为玻尔虽然不能接受克氏哲学的具体内容,但仍认同其总体的前提及架构[19][14]

1909年4月,玻尔的弟弟比他早九个月获得数学硕士学位。当时学生的学位论文题目只能由论文导师给定,而玻尔的论文导师克里斯蒂安森所给的题目是金属的电子理论。玻尔后来又将他的硕士学位论文进一步发挥与扩充成其博士学位论文,在检索相关文献后,决定采用金属电子理论模型。这一模型是由保罗·德鲁德提出,后来又经亨德里克·洛伦兹详细阐述,而模型中金属的电子性质与气体分子类似。玻尔将洛伦兹的模型加以延伸,假定电子与离子之间的作用力与它们之间距离的n次方成反比,其中n为任意实数。玻尔虽然通过这一假定推导出了较好结果,但仍不能对于汤姆孙效应霍尔效应等现象给出合理解释。因此他推断,经典电子理论并不能解释金属的磁性质。他个人认为这是一种量子效应。这篇学位论文1911年4月被接受。他在5月13日进行了论文的正式答辩。[20]玻尔在博士论文中所做的工作虽然具有一定突破性,但由于是以丹麦语写成的,因而并没有引起北欧以外的学者的关注。1921年,荷兰物理学家亨德莉卡·约翰娜·范莱文英语亨德莉卡·约翰娜·范莱文独立地推导出了相同的结果。后世的物理学家因而称这一金属的磁性质理论为玻尔—范莱文定理英语Bohr–van Leeuwen theorem[21]

玻尔夫妇在订婚仪式上的留影

1910年,玻尔结识了玛格丽特·内隆德(Margrethe Nørlund),她是数学家尼尔斯·埃里克·内隆德英语Niels Erik Nørlund的妹妹。[22]1912年8月1日,二人在斯劳厄尔瑟市政大厅举行结婚仪式。玻尔于婚前退出丹麦教会,他弟弟哈拉尔德也在结婚前离开教会。[23]尼尔斯和玛格丽特伉俪情深。二人共育有6个儿子。[24]长子克里斯蒂安1934年死于船难[25],幼子哈拉尔德因脑膜炎早夭[24]奥格继承玻尔的衣钵研究物理,并获得了1975年的诺贝尔物理学奖。汉斯、埃里克与欧内斯特则分别成为内科医生、化学工程师及律师。欧内斯特还像他的叔叔那样代表丹麦参加1948年伦敦奥运会草地曲棍球项目的比赛。[26][27]

二战前的工作

玻尔模型

氢原子的玻尔模型。一个带负电的电子被限制在原子轨道上绕着一个体积非常小的带正电的原子核转动。电子在轨道间跃迁时会放出或吸收一定量的电磁辐射

20世纪初期,关于原子及分子模型构造的理论研究绝大部分是在英格兰完成的[28]。1911年,玻尔获得了卡尔斯伯格基金会英语Carlsberg Foundation的奖学金,成为剑桥大学卡文迪许实验室博士后,跟随实验室主任约瑟夫·汤姆孙进行研究。按照汤氏的建议,玻尔做了一些有关阴极射线的研究,但并未获得实质结果。玻尔熟读汤姆孙的著作,知道其计算在某处有瑕疵,并当面毫不讳言地指出了这些瑕疵。汤姆孙在物理学方面造诣颇深,并且在教育后进方面也是相当热忱,但忙于实验室的种种事务,因而无暇顾及玻尔的工作。而卡文迪许实验室一些看来较有突破性的研究计划对于玻尔而言并不是那么有吸引力。[29][30]

1911年底,玻尔在曼彻斯特拜访父亲的友人时,遇到曼彻斯特维多利亚大学教授欧内斯特·卢瑟福。曼彻斯特维多利亚大学的物理系当时在诺贝尔奖得主卢瑟福的努力经营下已成为全世界一流的放射现象研究实验中心。卢瑟福在那年年中提出了原子结构的卢瑟福模型,这一模型与汤姆孙1904年提出的梅子布丁模型相比有较大的改进。[31]玻尔透露很想去曼彻斯特维多利亚大学做博士后研究放射现象[32],卢瑟福表示欢迎,但需要获得汤姆孙的首肯。经过一系列程序后,玻尔于翌年年初转到曼彻斯特维多利亚大学做博士后研究[32]。在那里,他结识了乔治·德海韦西以及被他称为“真正的达尔文子孙”的查尔斯·高尔顿·达尔文英语Charles Galton Darwin[33]

1912年8月,玻尔与玛格丽特·内隆德在丹麦完婚。婚礼仪式后,二人环游英格兰和苏格兰度蜜月。回国后,玻尔受聘为哥本哈根大学的无俸讲师英语privatdocent,讲授热力学。1913年7月,在马丁·克努森的引荐下,玻尔擢升为讲师。玻尔从那时开始负责给医学生讲授物理。[34]同年,他的三篇著名论文[32]相继发表在 《哲学杂志英语Philosophical Magazine》该年的7月号,9月号以及11月号上[35][36][37]。在这三篇后来被人们称为“三部曲”的论文中,玻尔将马克斯·普朗克所提出的量子理论运用于卢瑟福所提出的模型,构建了具有突破性的玻尔模型[36]。他在第一篇论文中利用玻尔模型分析了氢原子,在第二篇论文中论述了其它原子结构与周期表,在第三篇论文中探讨了分子结构[38]

行星模型并不是一种新的构想,但玻尔为构造模型所提出的假设却可称承先启后、充满创意[39]。达尔文曾于1912年探讨电子在α粒子与原子核的相互作用中所扮演的角色[40]。玻尔以达尔文的理论为起点[41]。他进一步明确了原子外层的电子的运动特点,并提出每种元素化学性质在很大程度上取决于外层电子的数量[42]。他还引入一个重要概念,即电子自高能轨道跃迁到低能轨道的过程是以释出能量量子的方式完成。这一点后来成为旧量子论的基础。[43]

20世纪上半叶原子模型的演进,自左至右依次是:梅子布丁模型卢瑟福模型玻尔模型电子云模型

约翰·巴耳末于1885年提出描述氢原子光谱中可见光谱线的巴耳末公式

式中是吸收或辐射出的光的波长,里德伯常数[44]后来做实验发现的谱线证实了这一公式。但在1885年后近三十年的时间里,巴耳末公式一直只是一条唯象公式。并没有人能说清它的理论原理。玻尔在他的三部曲中的第一部曲里,利用他的模型推导出里德伯常数:

式中为电子质量,为其所带电荷量,普朗克常数原子序数(对于氢原子来说,其则为1),就是里德伯常数。[45]

玻尔模型所面临的第一个考验是皮克林线系英语Pickering series。这一线系的谱线波长并不符合巴耳末公式。当阿尔弗雷德·福勒英语Alfred Fowler向其提出这一问题时,玻尔给出的回应是这些谱线是由离子产生的,而非氢原子。玻尔模型适用于这种离子。[45]老一辈物理学家,像汤姆孙、瑞利勋爵以及亨德里克·洛伦兹,并不能接受玻尔的三部曲。但是新一代的物理学家,像卢瑟福、大卫·希尔伯特阿尔伯特·爱因斯坦马克斯·玻恩以及阿诺·索末菲,却将它们视为一项具有突破性的研究。[46][47]玻尔模型能解释当时其他模型所不能解释的现象,并且预测了一些之后透过实验证实的结果,因此之后得到科学界普遍接受[48]。它虽然现在已由其他模型取代,但仍是原子最为有名的理论模型之一,经常出现在中学教科书中[49]

玻尔对于担任博士生讲师并不满意,这令他没有足够的时间与资源做研究。他打算接受卢瑟福的邀请,回到曼彻斯特填补达尔文留下的讲师职缺。他在向哥本哈根大学请假后,与弟弟哈拉尔德和姨母汉娜·阿德勒启程前往蒂罗尔度假。途中,他拜访了哥廷根大学路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学,在那里他结识了索末菲,并举行了关于三部曲的讨论班。当玻尔一行人在蒂罗尔度假时,第一次世界大战爆发,这使他们的归途变得异常艰难。1914年10月,玻尔与妻子玛格丽特动身前往英格兰。1916年7月,在接受哥本哈根大学特意为他设立的理论物理学教授职位后,玻尔回到丹麦。虽然他的讲师职位被同时撤消,但他仍需继续向医学生讲授物理。当时的丹麦国王克里斯蒂安十世按照传统公开会见了正在履新的玻尔。在会见过程中,国王将玻尔误认为其胞弟,而玻尔则直言不讳地进行澄清。这并不符合与王室成员公开会谈时的规矩,所以当时的气氛因而略显尴尬。[50][51]

理论物理研究所

1917年4月,玻尔开始积极筹备组建理论物理研究所。他获得了丹麦政府、卡尔斯伯格基金会英语Carlsberg Foundation以及来自丹麦各行各业的私人捐助者的大力支持。这些私人捐助者中很多是犹太人。有关筹建研究所的法案于1918年11月通过。研究所于1921年3月3日正式成立,并由玻尔担任主任。玻尔一家搬入研究所大楼的一楼里居住。[52][53]位于哥本哈根的这座研究所是二十世纪二三十年代间量子力学及其相关课题研究者的活动中心。当时世界上大多数的知名物理学家都曾来此与玻尔共事过一段时间。早期来访者包括来自荷兰的汉斯·克拉默、瑞典的奥斯卡·克莱因、匈牙利的乔治·德海韦西、波兰的沃伊切赫·鲁比诺维奇英语Wojciech Rubinowicz以及挪威的斯韦恩·罗斯兰。他们与玻尔成为了知交,并认为他是一势能力出众的共事者[54][55]。克莱因和罗斯兰甚至在研究所正式开办前即发表了研究所的第一份报告。[53]

理论物理研究所(即现今的尼尔斯·玻尔研究所)

玻尔的模型对于氢原子相当适用,但对于结构更为复杂的原子则并不适用。1919年,玻尔开始舍弃了电子绕原子核做轨道运动的想法, 并使用启发法研究描述它们运动的方式。当时的化学家正苦于区分稀土元素,因为它们的化学性质非常相似。1924年,沃尔夫冈·泡利提出泡利不相容原理之后,这一问题有了重要进展。玻尔基于这一原理预言当时尚未发现的72号元素并非稀土元素,而是一种类元素。这一想法当即受到法国化学家乔治·佑尔班英语Georges Urbain的质问。佑尔班当时声称已经发现了72号元素,并认为其为一种稀土元素。理论物理研究所的迪尔克·科斯特与德海韦西开始自行寻找72号元素以证明玻尔的想法是正确的。由于对于该元素的化学性质已有明确的预言,因而寻找该元素的难度并不像之前那么高。德海韦西等人试图在从哥本哈根矿物学博物馆得到的矿物样本中寻找这种类锆元素,并很快发现它的踪迹。他们将这元素命名为“铪”(拉丁语hafnium)。这个名字源自哥本哈根的拉丁语名“Hafnia”。他们还发现铪元素比金元素分布得更广泛。[56][57]

1922年,玻尔以“对原子结构以及从原子发射出的辐射的研究”获诺贝尔物理学奖[58]。在获奖感言中,他详述了当时旧量子论的原子结构和对应原理。对应原理阐明,在系统量子数非常大的情况下,对于系统的物理行为,利用量子理论所得到的结果应该与利用经典理论得到的结果非常近似[59]

出席1927年第五次索尔维会议的物理学家合影。玻尔坐在中间一排的最右侧,旁边是马克斯·玻恩。

阿瑟·康普顿在1923年发现的康普顿散射令当时大多数的物理学家相信光是由光子组成的,并且在电子和光子发生碰撞时,能量和动量守恒。1924年,玻尔与荷兰籍的克拉默以及当时与他们共事的美国物理学家约翰·斯莱特英语John C. Slater三人提出了玻尔–克拉默–斯莱特理论英语BKS theory(简称为BKS理论)。由于没有进行定量的理论论述,因此这理论不能被人们视为完整的物理理论,只能被视为一种研究计划。BKS理论是量子力学史里基于旧量子论的架构去理解物质与电磁辐射间相互作用的最后一次尝试。由于BKS理论维持对于自由辐射场的经典连续性描述,但必将光子这一概念会被抛弃。[60][61][62][b]。BKS理论令旧量子论理论基础所存在的困难再度受到关注[64]。在BKS理论所主张的系统的能量与动量并不需要在每个相互作用中都守恒,它们只需在统计意义上总体守恒即可的论点,被瓦尔特·博特汉斯·盖革随后发表的实验结果所推翻[65]。得知结果后,他对达尔文说:“唯一能做的就是尽可能体面地埋葬我们为(物理学的)革命而付出的辛劳。”[66]

量子力学

乔治·乌伦贝克萨穆埃尔·古德斯米特英语Samuel Goudsmit在1925年11月引入的自旋概念是量子力学发展史上的一座里程碑。他们猜想,电子会像太阳系中的行星那样,除了会遵循旧量子论环绕着原子核进行“公转”以外,还会进行类经典的“自转”。玻尔次月为庆祝亨德里克·洛伦兹获得博士学位50周年而去造访莱顿。当火车行至汉堡时,沃尔夫冈·泡利奥托·施特恩特来与他会面,并询问他对于自旋理论的看法。玻尔表示,这个猜想非常有意思。但存在一个问题:在原子核的电场中移动的电子怎么会因为感受到磁场的作用而形成精细结构?在莱顿的火车站,玻尔遇到保罗·埃伦费斯特和爱因斯坦。埃伦费斯特告诉他,爱因斯坦已经利用相对论找到这问题的解答[c]。离开莱顿后,玻尔在哥廷根火车站与海森堡、帕斯库尔·约当碰面,并告诉他们这个好消息。海森堡提到,他好像曾经听到过类似论述,但他不记得具体是谁在什么时候给出这一论述的。回程时,在柏林火车站,玻尔又遇到特别从汉堡乘火车过来的泡利。他很想知道玻尔是否已经找到答案。玻尔告诉了泡利详情。但泡利却认为这是一个“新的哥本哈根异端”。返家后,玻尔写信给埃伦费斯特表示,自己已成为“电子磁福音中的先知”了。[68]

海森堡于1924年首度来到哥本哈根,担任玻尔的研究助理。玻尔平时喜欢散步。玻尔时常会与海森堡在研究所附近找一个风景优美的乡村,边散步边谈话。他们不只谈论物理,还谈论几乎任何其它事情。索末菲是具有传统风格的德国教授,讲究师生关系。与索末菲大不相同,玻尔很愿意积极地与海森堡互相沟通。他觉得海森堡将会做出重大物理学贡献。[69][70]次年6月,海森堡返回哥廷根。之后不久,他发展出量子力学的数学基础。当海森堡向玻恩展示这个结果时,玻恩意识到其以矩阵的形式表述最为合适。物理学家将量子力学的此一表述称为矩阵力学。海森堡的研究结果引起了英国物理学家保罗·狄拉克的注意。不久后,他也独立发展出另一版本的量子力学表述。[71]狄拉克于1926年9月拜访哥本哈根,并在那里逗留了6个月。玻尔偏好定性地论述,而狄拉克注重以方程来论述。因此在学术方面,玻尔并没有对狄拉克产生什么影响。同年,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔尝试利用经典方式来诠释量子力学,他找到描述微观粒子物理行为的波动方程,即著名的薛定谔方程,并由此发展出量子力学的另一种表述,波动力学。这一工作令玻尔印象深刻。1926年,他邀请薛定谔来哥本哈根的丹麦物理协会演讲。玻尔亲自到火车站迎接薛定谔。在哥本哈根期间,玻尔与薛定谔热烈地讨论量子力学的各种论题,特别是在诠释方面的论题。玻尔不能接受薛定谔以经典方式诠释量子力学的尝试,而薛定谔也不能接受量子跳跃与玻恩的统计诠释。尽管如此,玻尔认为这种数学形式“清晰而简洁,与之前出现的量子力学表述形式相比,有了巨大进步”。[72]

玻尔与爱因斯坦在讨论问题(厄伦菲斯特摄于在莱顿的家中)

克拉默1926年离开研究所,担任乌得勒支大学的理论物理学教授。玻尔邀请海森堡回来接替克拉默位置。[73]海森堡1926年至1927年担任哥本哈根大学讲师以及玻尔的助理。玻尔时常会在晚上八九点钟时跑到海森堡的房间谈论问题,一直谈到三更半夜才罢休。有时,海森堡还会帮忙听写玻尔口述的论文或书信。[74]

爱因斯坦曾于1909年提出,在描述光的物理行为时,必须将其波动性与粒子性都纳入考量。1923年,路易·德布罗意假定物质粒子也都具有波粒二象性,即具有波动和粒子的双重性质。这一论述后来称为德布罗意假说。1927年,戴维森-革末实验证实了德布罗意假说。这一系列重要发展促使玻尔与海森堡聚焦研究波粒二象性,可是,由于其极具难度,尽管绞尽脑汁研究探索,他们仍旧无法找到正确解答。[75]1927年2月,玻尔在挪威疗养时构想出了互补原理[76]。这一原理阐明,基于不同的实验框架,事物会表现出像波粒二象性这样明显对立的双重性质[77]。在同一段时期,海森堡也发展出不确定性原理。那年秋天,海森堡升迁为莱比锡大学的教授。从4月份开始,延续了一整个暑期,奥斯卡·克莱因负责听写玻尔口述与修改关于互补原理的论文。同年9月,在意大利科莫召开的伏打会议英语Volta Conference中,玻尔首次提出互补原理。[78]量子力学的新概念所衍生的哲学问题引起了广泛的争论。尽管为量子力学贡献良多,爱因斯坦对于这些新概念还是提出了诸多批评。互补原理也不在例外。爱因斯坦与玻尔后来就这些问题进行了旷日持久的论争,直到爱因斯坦去世。[79]

嘉士伯酿酒厂的继承人卡尔·雅各布森英语Carl Jacobsen于1914年将他的宅邸捐出,用作对科学、文学或是艺术做出最为杰出的贡献的丹麦人的荣誉居所(丹麦语:Æresbolig)。哈拉尔德·许夫定是第一位住户,并一直居住至1931年7月其去世。随后,丹麦皇家科学院决定让玻尔住入。1932年,他们一家搬到了那里。[80]1939年3月17日,玻尔当选丹麦皇家科学院院长[81]

查尔斯‧艾里斯英语Charles Ellis从1927年完成的β衰变实验中获得了总结性结果:从β衰变释出的电子所拥有的能量呈连续性分布。两年后,玻尔在写给拉尔夫·福勒的信中表示,由于能量守恒定律源自于经典物理,因此可能不适用于量子理论,所以他建议放弃能量守恒定律。但1930年由泡利提出的中微子假说以及1932年由詹姆斯·查德威克发现的中子给出了另外一种可能解释。后来,恩里科·费米提出的费米理论英语Fermi's interaction对于整个β衰变的物理机制给出解释:中子衰变为质子、电子与中微子。自此,玻尔不再坚持β衰变违反能量守恒。但中微子非常难以探测。直到五十年代中期,克莱德·科温弗雷德里克·莱因斯才从核反应堆的产物观测到它的踪迹。[82]

从在曼彻斯特做博士后研究放射现象的时期开始,玻尔就对核子物理学情有独钟。1936年,在论文《中子俘获与核子构造》里,他提出复合核假说来解释原子核是如何俘获中子。之后数年,他与才华横溢的助手弗里茨·凯尔卡尔(丹麦语Fritz Kalckar)合作对这模型进一步研究。他们认为,原子核的物理行为与液滴类似[d]:液滴的表面波与体波可以用来描述原子核的集体运动,而复合核的分解可以用分子从液滴表面蒸发来解释。但很可惜的是,凯尔卡尔在1938年因脑出血猝然逝去,年仅28岁。玻尔感到非常痛心。[84][85]

奥托·哈恩在1938年12月发现的核裂变现象。几天后,莉泽·迈特纳与侄子奥托·弗里施对于这现象给出理论解释并进行了实验验证。这一发现引起了众多物理学家浓厚的兴趣。弗里施将这结果告诉玻尔,寻求他的意见。玻尔听到这个结果后表示同意,并且很惊奇为什么自己先前没有想到这结果。隔年1月,在第五届华盛顿理论物理学会议的开场演讲之时,玻尔与费米共同发布了这消息,将这消息带到美国。[86][87]过了几天,玻尔与朋友在普林斯顿大学吃早餐时,遇到乔治·普拉切克英语George Placzek并向他说所有有关铀后元素悬而未决的问题都已有解答。普拉切克回应,还有一个问题尚未解决:实验显示,元素的中子俘获在25eV出现共振,但是其核裂变在25eV并未出现共振,而是在10eV出现共振。玻尔一时无言以对,他立刻决定返回研究室仔细研究这问题。在几分钟路程中,他深深地思考这问题。抵达研究室后,他告诉普列切克,莱昂·罗森菲尔德约翰·惠勒,他已经知道为什么了。[88][e]玻尔和惠勒提出了一种理论处理方法,并于同年发表在论文《核裂变的机制》中[90]。翌年,约翰·邓宁通过实验证实了玻尔关于铀元素和分裂的说法[86]

第二次世界大战

随着纳粹主义的崛起,很多学者或因其犹太出身或因与政府持不同政见而逃离了德国。1933年,洛克菲勒基金会专门划拨出款项来援助这些流亡的学者。同年5月,玻尔在造访美国时与洛克菲勒基金会当时的主席马克斯·迈森英语Max Mason讨论了这个项目。玻尔提供这些流亡学者临时在他的研究所里工作,给予他们资金援助,帮助他们获得洛克菲勒基金会的资助,并最终帮助他们在世界各地的研究所找到工作。他曾经帮助过的学者包括圭多·贝克英语Guido Beck费利克斯·布洛赫詹姆斯·弗兰克乔治·德海韦西奥托·罗伯特·弗里施希尔德·利瓦伊莉泽·迈特纳、乔治·普列切克、尤金·拉宾诺维奇英语Eugene Rabinowitch斯特藩·罗森塔尔英语Stefan Rozental、埃里希·恩斯特·施奈德、爱德华·泰勒阿瑟·冯·希佩尔英语Arthur R. von Hippel以及维克托·魏斯科普夫[91]

1940年4月,纳粹德国占领了丹麦[92]。为了防止德国人发现马克斯·冯·劳厄以及詹姆斯·弗兰克的诺贝尔金质奖章,玻尔让德海韦西将它们溶解在王水中,并存放在研究所的书架上直至二战结束。战后,诺贝尔基金会利用从中析出的黄金重新铸造了两枚奖章。玻尔努力维持研究所的运营,但所有外籍学者此时都已经离开了。[93]

与海森堡的会面

海森堡与玻尔于1934年哥本哈根会议

玻尔意识到了利用铀-235制造原子弹的可能性,并在战争爆发不久后向英国与丹麦当局说明了这一点,但他当时并不相信以当时的技术能提纯出足够的铀-235[94][95]。1941年9月,已成为德国核武器开发计划首席科学家的海森堡拜访了身处哥本哈根的玻尔。在这次会面中,二人进行了一次私人谈话。但谈话的内容因来自各方大相径庭的描述而引起后世诸多的猜测。[96]

在海森堡1957年写给当时正在编著《比一千个太阳更耀眼:原子科学家们的个人史英语Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists》的罗伯特·容克的信中,他说当时拜访哥本哈根的用意是想告诉玻尔一些德国科学家有关原子弹的看法:只有在耗费巨大资源的前提下,才有可能制造出原子弹。在那时,德国科学家高估了需要耗费的资源,这使得双方的科学家成为影响未来原子弹发展的决定性因素,因为他们可以让纳粹政府知道原子弹可能来不及用在战场。[97]然而,当海森堡透露这看法给玻尔知道时,玻尔感到无比震惊,玻尔以为海森堡想要将德国在制造原子弹上获得重大成果的信息传达给他。很可惜的是,海森堡无法澄清这误解,他不能更直白地说出他心里的话,因为纳粹政府很可能会监听到这些话,并且未来用为迫害他的不利证据,而玻尔已不再能够信任他.玻尔怀疑他不是不诚实,就是被纳粹政府利用了。很明显地,这次会谈并未达成海森堡的目的,海森堡很不满意这次会谈的果效。[98][99]

当玻尔读到这本书的丹麦语译本中的相关章节后,他起草一封致海森堡的信。在信里,他让海森堡知道,海森堡对于那次会谈的记忆有误,他又作出解释,在会谈时为什么对海森堡的德国能获得战争胜利以及德国能发展出原子武器的看法保持沉默是金的态度,这是因为他们应被视为在一场战争中的对立双方代表,海森堡可能是过度紧张,因此把他的沉默误认为震惊,如果他曾经表现出任何震惊的行为,那可能是因为他听到有关德国正在参与一场原子武器竞赛的消息,而并不是因为海森堡表示原子弹是可以被制成的。这封信并没有寄出。[98][99]

迈克尔·弗莱恩在他1998年写的戏剧《哥本哈根》中探寻了海森堡与玻尔1941年的会面中可能发生了什么[100]。2002年,由英国广播公司制作的该剧的电视电影版英语Copenhagen_(2002_film)9月26日首次登上荧屏。[101]

曼哈顿计划

1943年9月,玻尔和他的弟弟哈拉尔德得到消息。由于他们的母亲埃伦·阿德勒·玻尔曾是犹太人,纳粹将他们一家认定为犹太人。他们因此面临被逮捕的危险。9月29日,丹麦抵抗组织帮助玻尔和他的妻子经海路逃至瑞典。[102][103]次日,玻尔力劝瑞典国王古斯塔夫五世公开瑞典为犹太流亡者提供政治避难的政策。1943年10月2日,瑞典政府通过广播宣布已经准备好提供政治避难。随后,丹麦国民开始自发进行大规模的丹麦犹太人拯救运动英语rescue of the Danish Jews。一些历史学家认为玻尔的行动是大规模拯救运动的直接诱因,而另外一些历史学家则认为玻尔尽管已为丹麦犹太人做了他所能做的一切,但他的行为并非这大规模行动的决定性原因。[103][104][105][106]最终,七千余名丹麦犹太人逃到了瑞典[107]

当玻尔出逃的消息传到英国后,彻韦尔子爵向他发了份电报邀请他来英国[108]。玻尔乘英国海外航空所属的一架德哈维兰蚊式轰炸机10月6日抵达苏格兰。为了用于装载珍贵物资或是重要乘客,这种不带武装的高速轰炸机被改造为小型运输机,由于飞行速度较快以及飞行高度较高,尽管当时挪威已被德国占领,它能够穿过挪威上空而不被德国战斗机骚扰。在飞机的炸弹舱置放了一个褥垫,玻尔躺在褥垫上度过了3个小时的飞行航程。[109]在飞行途中,由于飞行帽尺寸不合适,玻尔没有把飞行帽带上,因此没有听到飞行员指示把氧气面罩带上,这导致了飞机在飞经挪威上空时,由于爬升至较高的飞行高度,玻尔因高空缺氧而晕了过去。飞机飞到北海上空后,由于飞行高度略微下降,他才醒过来。[110][111][112]玻尔的儿子奥格一周后乘另一个航班抵达英国,并成为他的个人助理[113][114]

玻尔受到了詹姆斯·查德威克以及韦弗利子爵的热情接待,但出于安全因素考量,玻尔并没有出现在公众视野里。他被安排住在圣詹姆斯宫的一个公寓里。[115]并与合金管工程团队共事。玻尔惊讶于当时核武器的发展进度。[113][114]查德威克安排玻尔以合金管工程顾问的身份访问美国,奥格担任他的助手[116]。1943年12月8日,玻尔到达华盛顿。在那里,他与主持曼哈顿计划莱斯利·格罗夫斯中将进行了会面。随后他又拜访了当时身处普林斯顿高等研究院的爱因斯坦与泡利,并前往当时正负责核武器研发的洛斯阿拉莫斯国家实验室[117]出于安全因素考量,官方为玻尔父子取了化名。玻尔的化名为尼古拉斯·贝克,他的儿子奥格的化名为詹姆斯·贝克。[118]

玻尔并没有留在洛斯阿拉莫斯。但在之后两年,他又多次访问那里。罗伯特·奥本海默称玻尔“对于那些年轻人来说就像是科学事业上的父亲一样”。这些年轻人中就包括物理学家理查德·费曼[119]玻尔曾说:“他们在制作原子弹这件事上并不需要我的帮助。”[120]但奥本海默认为玻尔在调制中子起爆器英语modulated neutron initiator的研制上做出了重要的贡献。奥本海默说:“这个装置一直是个难题。但1945年2月经玻尔说明后,一切就变得十分清楚了。”[119]

玻尔很早就意识到核武器会改变国际关系格局。1944年4月,他收到了彼得·卡皮察的来信。这封信是在玻尔还在瑞典时写的。信中卡皮察邀请玻尔到苏联来,并告知玻尔苏联已经意识到了英美的核计划并力争赶上两国的进度。玻尔在给卡皮查的回信中不置可否,并在寄出前交给英国当局审阅。[121]1944年5月16日,玻尔面见温斯顿·丘吉尔,却发现与他意见迥异[122]。丘吉尔并不赞同将核计划向苏联公开的想法。他在一封信中写道:“玻尔的活动应该受到限制,否则他很快就要到道德犯罪的边缘了。”[123][124]

奥本海默建议玻尔面见富兰克林·罗斯福总统,说服他与苏联共享曼哈顿计划以加快研发进度。玻尔的朋友,时任美国最高法院大法官的费利克斯·弗兰克福特将玻尔的意见告知总统。罗斯福1944年8月26日会见了玻尔,并建议他回英国,尝试去说服英国当局。[125][126]当丘吉尔和罗斯福1944年9月19日在海德公园会面时,决定不将核计划公之于众。而在他们谈话的备忘录中,还附加了这样的条款:“应该对玻尔教授的行动加以关注,并确保他能承担不泄密的责任,特别是对俄国人。”[127]

1950年6月,玻尔在写给联合国的一封公开信中呼吁国际社会就和平利用核能进行合作[128][129][130][131]。1950年代,在苏联进行第一次核试验后,在国际原子能机构所采纳的防止核武器扩散措施中可以找到玻尔的一些点子[132]。1957年,玻尔获得了首次颁发的原子和平奖英语Atoms for Peace Award[133]

晚年

尼尔斯·玻尔的纹章

随着第二次世界大战告终,玻尔在1945年8月25日回到了哥本哈根,并于9月21日重新当选为丹麦皇家科学院院长[134]。1947年10月17日,在克里斯蒂安十世的追悼仪式上,国王弗雷德里克九世宣布授予玻尔大象勋章英语Order of the Elephant。通常只有王室成员和国家元首能获此殊荣。国王说这一荣誉不仅仅只是授予玻尔个人,更是授予整个丹麦科学界。[135][136]玻尔设计了自己的纹章。纹章中附有太极图以及格言“对立即互补”(拉丁语contraria sunt complementa)。[137][136]

在第二次世界大战之后,各国政府发现,自然科学亟需大量的财力和物力的支持,特别是在物理领域。为避免人才进一步外流到美国,欧洲核子研究组织(简称CERN)被迅速组建发展,这是一所高能量实验室,专注于对于物质的最小组分与他们所感受到的基础力做理论与实验研究。为了赶上其它国家的物理水准,并且发现新物理现象,CERN必须承担更为庞大的大科学项目,即建造能量更高的新一代粒子加速器。在选址方面。玻尔和克拉默认为位于哥本哈根的研究所会是一个理想的场所。但主持前期讨论的皮埃尔·奥格英语Pierre Auger并不同意。他认为玻尔的研究所已经不再是最一流的研究所了,而且玻尔的存在会掩过其他的科学家。经过长期的争论后,玻尔在1952年二月表示愿意向CERN提供援助。同年十月,CERN的地址被选定在日内瓦。在当地的研究设施就绪前,CERN的研究机构一直在哥本哈根作业至1957年。[138]后来就任CERN主任的维克托·魏斯科普夫说:“也许有其他人来构想和创建CERN。但如果没有一个人的支持,其他人的热情和才智都是远远不够的。”[139][140]

1957年,斯堪的纳维亚国家成立了北欧理论物理研究所英语Nordic Institute for Theoretical Physics,由玻尔担任其主任。1956年2月,玻尔还参与了丹麦原子能委员会里瑟研究部英语Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy的创建,并出任了其首任主任。[141]

玻尔1962年因心脏衰竭在他的家中去世[142]。他的遗体被火化。他的骨灰与他父母、弟弟以及长子克里斯蒂安的骨灰一起安葬在位于哥本哈根阿西斯滕斯公墓英语Assistens Cemetery (Copenhagen)的家族墓地中。多年后,他妻子的骨灰也被安葬在那里。[143]1965年10月7日,玻尔冥诞80周年之际,理论物理研究所正式更名为尼尔斯·玻尔研究所[144][145]

所获荣誉

玻尔一生获得荣誉无数。除了诺贝尔奖之外,他还获得了休斯奖章(1921年)、马泰乌奇奖章(1923年)[146]富兰克林奖章(1926年)[147]科普利奖章(1938年)、大象勋章(1947年)、原子和平奖(1957年)以及桑宁奖英语Sonning Prize(1961年)[146]。1923年,他成为荷兰皇家科学院的外籍院士[148]。1963年,丹麦举行了玻尔模型发表五十周年的纪念活动并发行了纪念邮票。邮票中绘有玻尔的肖像以及氢原子能级差公式:。其他一些国家也发行了玻尔的纪念邮票。[149]1997年,丹麦国家银行发行了绘有玻尔肖像的500丹麦克朗纸钞英语Banknotes of Denmark, 1997 series[150]小行星3948[151]以及月球上的一个环形山[146]是以他的名字命名的。107号元素𨨏也是以他的名字命名的[152]

著述

参见

脚注

注释

引注

参考文献

书籍

会议论文

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