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数学家传记

尼尔斯·玻尔Niels Bohr

出生
1885年10月7日 丹麦哥本哈根
逝世
1962年11月18日 丹麦哥本哈根

尼尔斯·玻尔最为人所知的是对原子结构的研究,以及在辐射方面的工作,这为他赢得了1922年诺贝尔物理学奖。

完整传记

尼尔斯·玻尔的父亲是Christian Bohr,母亲是艾伦·阿德勒。Christian Bohr于1880年在哥本哈根大学获得生理学博士学位,并于1881年成为该大学的Privatdozent。同年晚些时候,他与艾伦结婚,艾伦是弗洛伦斯·南丁格尔·大卫阿德勒的女儿,阿德勒是一位在丹麦政治和商业生活中地位很高的犹太政治家。克里斯蒂安和艾伦有三个孩子。最大的孩子是珍妮,1883年出生在大卫阿德勒拥有的豪宅中,该豪宅位于丹麦议会所在的克里斯蒂安堡宫对面。艾伦的母亲在丈夫大卫阿德勒于1878年去世后继续住在这所房子里,艾伦回到母亲家生下孩子。两年后,尼尔斯·玻尔在同一个庄严的宅邸中,于母亲25岁生日那天出生,艾伦再次回到母亲家生孩子。这个家庭的第三个孩子,后来成为著名数学家,是哈拉尔·玻尔,他比尼尔斯·玻尔小两岁。

当尼尔斯·玻尔只有几个月大时,他的父亲克里斯蒂安被任命为讲师,填补哥本哈根大学生理学教授彼得·帕努姆去世后留下的空缺,不久之后全家搬进了哥本哈根的帕努姆教授住宅。

Kennedy在[5]中写道:-

尼尔斯·玻尔、哈拉尔·玻尔和他们的姐姐Jenny在一个有教养且富有激励性的家庭中长大。从最早的时候起,他们就接触到一个充满思想和讨论的世界,各种相互冲突的观点得到理性而温和的审视,他们逐渐尊重所有寻求更深知识和理解的人。

1891年10月,尼尔斯·玻尔进入Grammelholms学校。他在这所学校完成了全部中学教育,他的兄弟哈拉尔·玻尔也是如此,并于1903年参加Studenterexamen考试。他在学校表现良好,但从未出类拔萃,通常在大约20名学生的班级中排名第三或第四。如果说他真正擅长某一科目,那也许是体育,这或许令人惊讶。他是一名出色的足球运动员,但不如他的兄弟哈拉尔·玻尔,后者曾代表丹麦参加足球比赛并获得银牌。尼尔斯·玻尔在学校时结交了一些好朋友,但他一生中最好的朋友是他的兄弟哈拉尔·玻尔

在学校的最后两年里,尼尔斯·玻尔专攻数学和物理学。确实有一些证据表明,他很快就意识到数学老师对这门学科的掌握并不如应有的那样好,并且这位老师对他这位非凡的学生尼尔斯·玻尔有些畏惧。在物理学方面,尼尔斯·玻尔也提前研读课本,并从中发现错误。与其说是学校的老师,不如说是他的父亲激发了他在数学和物理学方面的研究热情。他在1922年写道:-

我对物理学研究的兴趣是在我还上学时被唤醒的,这在很大程度上要归功于父亲的影响。

尼尔斯·玻尔于1903年进入哥本哈根大学学习。他以物理学为主修,同时辅修数学、天文学和化学。他的物理学老师是Christian Christiansen,哲学老师是Harald Hoffding。他认识这两人已有多年,因为他们是他父亲的密友,并且是一个定期讨论小组的成员,兄弟俩尼尔斯·玻尔和哈拉尔·玻尔一到能有所贡献的年龄就参与其中。尼尔斯·玻尔在大学里的数学老师是托瓦尔·尼古拉·蒂勒

在大学里,尼尔斯·玻尔无法进行物理实验,因为没有物理实验室。然而,他的父亲有一个生理学实验室,他的第一篇论文描述了他在那个实验室里进行的物理学实验工作。他向他的兄弟哈拉尔·玻尔口述了这篇论文。一位同学这样描述尼尔斯·玻尔和哈拉尔·玻尔:-

这两人形影不离。我从未见过有人像他们这样亲密。

这篇论文是尼尔斯·玻尔唯一一篇描述他所做实验的论文。凭借这篇论文,他因分析水注振动作为测定表面张力的一种方法而获得了丹麦皇家科学院1906年的金质奖章。他于1909年获得哥本哈根大学的硕士学位,并于1911年5月获得博士学位,学位论文题为Studies on the electron theory of metals。这是一篇基于经典物理学的论文,因此必然无法解释某些效应。尼尔斯·玻尔在这部著作中写道:-

在电子理论发展的现阶段,似乎不可能从这一理论出发来解释物体的磁性。

尼尔斯·玻尔将他的学位论文献给了几个月前,即1911年2月,因心脏病发作去世的父亲。此时尼尔斯·玻尔已与Margrethe Norlund订婚。两人于1912年8月1日结婚,理查·科朗特在尼尔斯·玻尔去世后谈到他们的婚姻时这样说:-

有些人猜测是幸运的境遇共同造就了尼尔斯·玻尔如此成功。我认为他生命的要素绝非偶然,而是深深植根于他的人格结构之中……不是运气,而是深刻的洞察力,使他在年轻时就找到了他的妻子,众所周知,她在使他整个科学和个人活动成为可能并和谐融洽方面起到了决定性的作用。

尼尔斯·玻尔于1911年5月向嘉士伯基金会申请了一笔旅行资助,获得批准后,于1911年9月前往英国,在剑桥跟随J J Thomson爵士学习。他本打算整个学习期间都留在剑桥,但他与Thomson相处得不好,因此,在1911年12月在剑桥与Ernest Rutherford会面后,尼尔斯·玻尔于1912年3月转到了曼彻斯特的维多利亚大学(现曼彻斯特大学)。时机非常偶然,因为在尼尔斯·玻尔和卢瑟福相遇前不久,卢瑟福发表了一项重要工作,表明原子的大部分质量集中在原子核中。

尼尔斯·玻尔与卢瑟福的小组合作研究原子结构。卢瑟福因其个人和科学品质成为尼尔斯·玻尔的榜样。利用马克斯·普朗克阿尔伯特·爱因斯坦提出的quantum思想,尼尔斯·玻尔猜想原子只能存在于一组离散的稳定能量状态中。今天存在着尼尔斯·玻尔科学进展的显著证据,因为他经常与他的兄弟哈拉尔·玻尔通信。他在1912年6月12日写信给哈拉尔·玻尔:-

你可以想象,在这里很好,有这么多人可交谈……而且是和那些对这些事情知道最多的人;卢瑟福教授对所有他认为有价值的事情都抱有如此浓厚的兴趣。在过去几年里,他研究出了一种原子结构理论,这似乎比迄今为止存在的任何理论都更加稳固。

写完这封信一周后,即6月19日,尼尔斯·玻尔向哈拉尔·玻尔报告了进展:-

也许我已经对原子的结构有所发现。不要跟任何人谈起这件事,否则我就不能这么快写信告诉你了。……你明白,我可能还是错的;因为这件事还没有完全弄清楚(但我认为它没错)。……相信我,我急于赶快完成它,为此我从实验室请了几天假(这也是个秘密)。

到7月13日他写道:-

事情进展得相当顺利,因为我相信我已经发现了一些东西;但可以肯定的是,我并没有像我愚蠢地以为的那样快地把它弄出来。我希望准备好一篇小论文,在我离开之前给卢瑟福看,因此我太忙了,太忙了。

尽管卢瑟福和尼尔斯·玻尔性格完全不同,但他们对物理学有着巨大的热情,而且彼此个人之间也很喜欢。然而,他们的关系从来都不是那种亲密朋友的关系,因为尼尔斯·玻尔总是把卢瑟福看作自己的老师。从1911年他们相识起,直到1937年,也就是卢瑟福去世的那一年,他们一直通信。

1912年7月24日,论文尚未完成,尼尔斯·玻尔离开了卢瑟福在曼彻斯特的小组,回到哥本哈根继续发展他的新原子理论,并于1913年完成了这项工作。同年,他发表了关于原子结构理论的三篇具有根本重要性的论文。第一篇关于氢原子,后两篇关于比氢更重的原子的结构。在这些论文中尼尔斯·玻尔[5]:-

……阐述了他那令人惊叹的尝试,将经典物理学的某些方面与马克斯·普朗克的作用量子概念结合起来。……这三篇著名论文……构成了尼尔斯·玻尔早期声誉的基础。他的工作虽然并未立即被所有人接受,却引起了同时代人的兴趣,使他们意识到需要一种描述原子层面事件的新方式。尼尔斯·玻尔原子虽然在科学上已被取代,但即使在今天,仍作为原子样貌的生动形象和物理学的象征,留存在许多人的心中。

1913年7月,尼尔斯·玻尔被任命为哥本哈根的一个讲师(Docent)。然而,这并非令他满意的处境,因为他无法继续发展自己正在形成的数学物理风格。1914年3月10日,他致信教育事务部:——

署名者冒昧请求该部促成在大学设立理论物理学教授职位,并另外可能将该职位委托于我。

这是一项大胆的举动,但尼尔斯·玻尔已有的崇高声誉意味着他会受到认真对待。大学评议会推荐他担任理论物理学讲席,但教育事务部决定推迟确认该职位。当然,1914年时局不定,尼尔斯·玻尔意识到不太可能迅速作出决定。因此,他欣然接受了卢瑟福的邀请,以Schuster Reader的身份加入其曼彻斯特团队。他预计在曼彻斯特待一年,期待届时他在哥本哈根的理论物理学讲席能得到确认。他在前往曼彻斯特之前于蒂罗尔度假时,第一次世界大战爆发,使他的旅程极为艰难,但他和妻子在途中绕过苏格兰北部、历经猛烈风暴后,于1914年10月抵达曼彻斯特。

尼尔斯·玻尔在曼彻斯特待的时间比他预期的更长,因为他的讲席直到1916年4月才得到确认。然而,那是一段非常富有成效且愉快的时期。Pais在[13]中写道:——

1916年初夏,玻尔一家返回丹麦。四年前,尼尔斯·玻尔离开曼彻斯特时,满脑子关于原子的激动人心却未经消化的想法。如今他离开时已是该领域的大师,作为哥本哈根的教授,身边是正怀着他们第一个孩子的妻子。

1917年,尼尔斯·玻尔当选为丹麦皇家科学院会士,并开始筹划在哥本哈根建立理论物理研究所。该研究所是为他而创建的,自1921年成立起,他便担任所长,直至终生[3]:-

该研究所很快成为世界各地理论物理学家的圣地,1933年后又成为许多逃离希特勒德国的科学家的避难所。他们的社交中心是“老嘉士伯”宅邸,由著名啤酒厂的创始人捐给国家,并于1932年交由尼尔斯·玻尔使用。在这里,在尼尔斯·玻尔美丽的妻子玛格丽特的慈母般照料下,来自各国的学生和学者聚集在一起吃饭、交谈、听音乐,还常常真真切切地坐在尼尔斯·玻尔的脚下,努力捕捉他以柔和的丹麦口音说出的挑战性言论、微妙的评论和温和的玩笑。

尼尔斯·玻尔最为人所知的是上文提到的原子结构研究,以及在辐射方面的工作,这使他获得了1922年诺贝尔物理学奖。1922年12月11日,他在斯德哥尔摩就获奖工作发表了演讲。他谈到了原子稳定性和电动力学理论,叙述了量子理论的起源、氢光谱,解释了元素之间的关系。他的解释涵盖了光谱线的吸收和激发,以及他在1918年至1922年间在三篇论文On the quantum theory of spectra中提出的对应原理。

1923年,尼尔斯·玻尔总结了这些想法:-

尽管这些假设从根本上背离了经典力学和电动力学理论的思想,但仍有可能在原子发射的辐射与粒子运动之间找到一种联系,这种联系与经典辐射起源思想所主张的有着深远的相似性。

量子力学可以说在1925年诞生,两年后维尔纳·海森堡提出了他的不确定性原理。1927年9月,在意大利北部科莫举行的一次会议上,尼尔斯·玻尔提出了他的互补性原理,为维尔纳·海森堡的不确定性关系提供了物理解释。他提出了感知与图景、粒子与波、共轭变量、量子演化-经典测量等的互补性,作为量子理论基础的一种全新解释。尼尔斯·玻尔关于互补性的思想在[30]中得到了充分探讨。

尼尔斯·玻尔认为他的互补性思想可以在量子物理以外的领域发挥重要作用,他余生都在研究这些思想。他考虑了在生物学、心理学和认识论中的应用。有人提出互补性思想来自物理学之外,一些人认为这一思想的根源来自他还在上学时与父亲、Christiansen以及哲学家Hoffding的讨论。其他人,如[13]中的Pais,给出了令人信服的论据表明尼尔斯·玻尔并未有意受Hoffding哲学的影响。

最终被接受的是尼尔斯·玻尔的量子理论观点。阿尔伯特·爱因斯坦对尼尔斯·玻尔的解释表示严重怀疑,尼尔斯·玻尔、阿尔伯特·爱因斯坦保罗·埃伦费斯特花了很长时间深入讨论,但尼尔斯·玻尔的观点占了上风。尼尔斯·玻尔表达了这一观点,他说:-

在不同实验条件下获得的证据无法在单一图景中被理解,而必须被视为互补的,其意义在于只有现象的整体才能穷尽关于客体的可能信息。

H B G Casimir写道,描述了在他的研究所与尼尔斯·玻尔共事是什么样子:-

尼尔斯·玻尔比我们任何人都更专注、更有耐力,他在填字游戏、体育运动和诙谐的讨论中寻找放松。

除量子理论外,尼尔斯·玻尔的其他主要贡献还包括他在1920年前后对元素周期表的理论描述、1936年关于原子核是复合结构的理论,以及1939年他对铀裂变以同位素235为基础的理解。

1937年,尼尔斯·玻尔、他的妻子和他们的儿子汉斯进行了一次环球旅行。他们前往美国、日本、中国和苏联。同年,他参加了在伦敦威斯敏斯特教堂举行的卢瑟福的葬礼,并发表了感人的讲话:-

当我第一次有幸在他的亲自启发下工作时,他已经是声名最显赫的物理学家,但尽管如此,他当时以及始终都愿意倾听一个年轻人心中所想。……在我们心中,对他的思念将永远是鼓励与坚毅的宝贵源泉。

尼尔斯·玻尔虽然曾在基督教会受洗,但母系有犹太血统,因此当纳粹于1940年占领丹麦时,他的生活变得极其艰难。1943年,他不得不乘渔船逃往瑞典。从那里他被飞机送往英国,开始从事制造核裂变炸弹的项目。几个月后,他随英国研究团队前往美国的洛斯阿拉莫斯,他们在那里继续该项目的工作。

尼尔斯·玻尔深切关注核武器的控制,并从1944年起试图说服丘吉尔和罗斯福有必要进行国际合作。他于1950年写了一封致联合国的公开信,主张理性、和平的原子政策:-

人类将面临前所未有的危险,除非能及时采取措施,防止在如此可怕的军备上进行灾难性的竞争,并建立对强大材料制造和使用的国际控制。

尼尔斯·玻尔的儿子奥格也成为物理学家,并分享了1975年诺贝尔物理学奖。(这只是同一家族中著名科学家的一个例子。其他还有Van Vlecks以及布拉格父子和居里夫人及其女儿伊雷娜·约里奥。)

尼尔斯·玻尔于1957年获得首届美国原子能和平奖。1962年,他在家中因心脏病发作去世,此后世界各地的科学家和知名人士纷纷向他致敬。肯尼迪总统写道(例如见[53]):-

美国科学家,实际上所有知道尼尔斯·玻尔博士的名字及其伟大贡献的美国公民,在超过两代人的时间里都尊敬和崇敬他……

参考文献

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