伟大的犹太人（上）

第六节 尼尔斯·玻尔——原子物理学之父

　　他是丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。他从1905年开始他的科学生涯，一生从事科学研究，整整达57年之久。他的研究工作开始于原子结构未知的年代，结束于原子科学已趋成熟，原子核物理已经得到广泛应用的时代。他对原子科学的贡献使他无疑地成了20世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的、最伟大的物理学家之一。爱因斯坦如此评价他：“发现了原子光谱线和电子壳层的最主要规律，包括它们的化学意义在内，我一直觉得这是个奇迹，就是现在，仍然觉得它是个奇迹。”

　　少年英才

　　尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。1885年10月7日生于哥本哈根，玻尔家族在丹麦是个很有名望的家族，丹麦人用一句古老的谚语来评价这个家族——“有天花板那么高”，形容这是一个善良、聪有的人家。

　　玻尔的父亲是哥本哈根大学的生理学教授，母亲是一个金融家的女儿。他们一共有三个孩子，物理学家尼尔斯·玻尔排行第二，弟弟海拉德后来成了有名的数学家。

　　在这个幸福的家庭里玻尔受到了良好的教育，玻尔不但从小就热爱科学，而且对待事物非常认真，从不隐瞒自己的观点，经常诚实勇敢地表达自己的想法。

　　七岁的时候，玻尔进入了小学。他的其他科目成绩都很好，就是作文课的成绩很差，因为小玻尔喜欢直截了当地表达自己的想法，不太会使用修辞。一次，老师出了这样一个作文题目：《自然力在庭中的应用》，玻尔对这个题目非常反感，于是在文章的末尾写道：“我们家不用自然力。”

　　有一次，他的同学问他：“如果你在考试的时候发现试题有错误，你会怎么做？”

　　玻尔说：“当然告诉他们什么是对的呀！”

　　当玻尔升到高年级，开始学习数学和物理时，他的显著才能就是人人有目共睹了。在19世纪、20世纪之交的年代里，高年级的物理课讲授十分简单。而玻尔所学的东西则早已超出了课本的范围。

　　没有多久，玻尔就对教科书中陈旧、错误的内容，根据自己从杂志里读来的物理学加以圈注了。一个同班同学问，如果在考试中涉及不对的内容，那该怎么办？玻尔诧异地回答：“当然告诉他们什么是对的呀！”

　　1903年，玻尔进入了哥本哈根大学。很快就成了哥本哈根大学足球俱乐部的明星守门员，他习惯在足球场上一边心不在焉地守着球门，一边用粉笔在门框上排演着公式。大学四年级时，由于俱乐部的成绩出众，立下汗马功劳的玻尔入选国家队。1908年的伦敦奥运会上，丹麦队获得男子足球项目的银牌，玻尔更多时候作为替补门将在场边挥舞着红白国旗。

　　入校之初，玻尔还被深奥的哲学问题所深深的吸引。他选修了哲学史和逻辑学两门课。特别是父亲的好友于夫丁的课，使玻尔佩服得五体投地。

　　教学中，于夫丁引导学生们回顾了16—18世纪的主要哲学派别，然而，他并不打算劝说学生们信奉其中的任何一种。他所强调的只是问题的提出，而非解答。他是这样解释的：“解释是死的，问题却是活的，否则，哲学就不会有生命力。”

　　玻尔如饥似渴地阅读了大量的哲学著作。他曾为荷兰近代伟大哲学家斯宾诺莎的心物平行论所吸引，更为实证主义大师穆勒的《一个丹麦学生的故事》心灵激荡。还是这本小册子，促使玻尔去探讨认识的辩证过程，以及所有知识的“伟大的内部联系”。

　　为了探讨哲学问题，尼尔斯和海德拉参加了一个以讨论哲学和科学为内容的小组。这个不超过12个人的小组每月数次聚集于咖啡馆，在那里，只要面前放上一杯咖啡或一杯啤酒，他们的谈话就能持续到第二天早晨。

　　在激烈的争论中，常常出现玻尔和海德拉对恃的局面。这兄弟俩的思路好象是并行的，他们不断改变自己和对方的表述，尽管激烈，却又以事实和道理维护自己的观点。但他们从不固执己见。随着讨论的深入，观点也变得愈来愈精辟。

　　1905年，丹麦科学文学院重奖征求有关液体表面张力的论文。玻尔自信地加入了这场竞争。在大量的参赛论文中，只有两篇被选中，其中就有玻尔的一篇。21岁的玻尔，以惊人的勇气和卓越的才能，对当代最有名的物理学家之一的泡利的基本理论作出了发展，他得出了出人意料的结论。即在确定表面张力时，还有附加因素应该考虑进去。

　　没有人能预见到和想象出，有关水的表面张力的知识，竟在35年后为研究原子结构提供了线索，而且还有助于发展原子弹和核能。玻尔几乎没有留下悬而未决的细节，他所涉及的每一点，都在后来曲折而无法预料的科学发展中再现了。因此，荣获了丹麦科学院颁发的金质奖章。

　　随后，这篇论文在英国伦敦皇家学会《哲学学报》——英国最著名的科学杂志上发表。

　　1907年，玻尔取得了学士学位。以后，玻尔深入研究了汤姆逊的著作，阅读了洛伦兹与德鲁德的文章，经过分析，他选择了金属的各种物理生质为研究题目，在电子理论的指导下研究金属的电导率，热导率，磁电现象和热电现象作为自己的硕士论文。他认为：金属的电子理论大有可为，他决定继续把它作为自己博士论文的研究内容。

　　论文完成后，答辩于1911年初举行。当地的一家报纸这样报道了这次答辩会：

　　26岁的科学巨匠尼尔斯·玻尔只用了一个半小时，就以博士身份离开了大学。时间之短是破天荒的……玻尔所写的东西，所提出的问题都是太新颖，太不寻常了，以致没有人能够对他提出问题。

　　就这样，26岁的玻尔博士毕业了，并当上了教授。

　　不断折冠

　　1911年秋，玻尔来到了剑桥。

　　剑桥是世界科学知识的中心，达尔文、牛顿、汤姆逊的剑桥！现在，他也来到了剑桥！他的脑子里闪现出斯宾塞的诗句：

　　剑桥，我的母亲！在她那顶冠冕上，缀有多少睿智，多少冥思。……

　　到剑桥后，玻尔希望能在物理学家汤姆逊的指导下在卡文迪许实验室继续从事电子理论的研究。但事情并没有象他想象的那样顺利。他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。

　　汤姆逊，此时只有55岁，但已在世界最著名的物理实验室——卡迪文许实验室里当了27年的主任了。

　　当时，这位处于科学颠峰的伟人很热情地接待了他，但对这位初出茅庐的年轻人所提出的问题并没有多大兴趣，对他花费很多心血写成的论文也很久未予处理。

　　玻尔所作出的其他努力，都同样徒劳无益。但玻尔并没有垂头丧气，他坚持自己的见解，一旦认准它是正确的，就百折不挠。后来，经过自己奋发努力地钻研，终于使电子理论研究取得了新的成就。

　　在剑桥工作了不久，在一次实验室年度聚餐会上他聆听了来访的卢瑟福的长篇演说，为他的性格和成就所折服，并且迅速决定：他应该和这位能以正确无误的能力深入科学真理核心的光辉人物一道工作。于是，玻尔在征得卢瑟福同意后，随即于1912年3月，转到了曼彻斯特随卢瑟福工作，这成了他一生的重要转折点。

　　玻尔来到了曼彻斯特，进入了卢瑟福的实验室，开始了他的新的工作。工作进展很顺利，他锲而不舍，才能超众，很受卢瑟福的赞赏。两人在交往中建立了亲密无间的关系，开创了科学史上原子理论的新时代。

　　在卢瑟福的支持和帮助下，玻尔从1912年起致力于原子理论的研究，在卢瑟福提出的原子行星模型的基础上，当年就取得了重要成果，推导出一个新论点：同位素。

　　当时，卢瑟福以原子理论的权威自居，不但对他的新论点没有认识，反而劝说他不要冒险。面对劝告，玻尔没有止步。他夜以继日地工作，大胆地在前人还没认识的科学领域里探索。他有选择地研究了大量材料，并结合自己研究的成果，对新论点给予精确的推论和阐述，很快，同位素论点被实践所证实，卢瑟福也为此高兴地连连点头。

　　同时，玻尔还对原子和一切由原子组成的物质的稳定性提出了一种新的解释，小心翼翼地用了假设性语句，象这样的带根本性的概念，还很少有人能在这样短的时间内，以如此谦恭的方法提出来。

　　玻尔只在曼彻斯特呆了4个月，在这一次短短的期间内，他归纳出了即将导致一场物理学革命的观念。

　　1913年，玻尔的原子研究又取得了重大成果，他引入一种与经典电动力学不同的物理量，这就是普朗克恒量，或一般所说的基本作用量子。这个作用量子在原子结构中的引入，达到了一个决定性的阶段，并对整个理论在新的基础上进行了改造，就是修改人们所定的规则，当玻尔修改了规则后，结果是理论和实验很好地吻合在一起了。

　　尽管玻尔的原子不合许多旧教育培养出来的物理学家的脾胃，但是他们不能置之不理，因为它和事实相符。接着，他发表了阐明原子结构的著名论文，被人们尊称为“玻尔理论。”

　　后来，玻尔又提出了“对应原理”和“并协原理”，对现代物理学特别是量子论和量子力学的建立，起了非常重要的作用。

　　1914年的春天，玻尔只有29岁，但是全丹麦的人都知道他的量子原子理论深深地影响了物理学，玻尔自己也知道这一点，他的学识非常渊博。

　　1916年，响应祖国的召唤，玻尔回到了哥本哈根大学，并被授予以新设置的理论物理学教授的头衔。

　　为了克服说明其他元素光谱时遇到的困难，并且进一步解释光谱线的强度、偏振以及原子其他诸多性质。说明元素周期表的构成等，1918年玻尔提出了对应原理，它的大意是说：在同一问题的经典理论与量子理论之间，总可以从形式上找到相对应的类比关系。

　　玻尔认为：对一个周期性体系来说用经典理论（如用经典广义坐标中的傅立叶系数）来描述周期性体系的运动，和用量子理论（如体系的跃迁概率）来描述时，两者存在着简单的对应关系。这一理论后来导致了海森伯矩阵力学的发展。玻尔利用这一原理，合理地解释了众多的现象，如各元素的光谱与X射线谱、原子中电子的组态和元素周期表等。

　　玻尔学说代表着对经典物理学说的一次彻底突破。一些富于想象力的科学家（如爱因斯坦）迅即称颂玻尔的论文是一部杰作，虽然起初有许多其他人对新学说提出了质疑。

　　玻尔学说经受住了关键性的检验，圆满解释了氢原子光谱。长期以来人们就知道氢气遇高温时就开始进行光辐射。但是它辐射的光并不包括所有颜色的光，而只包括某些频率非常固定的光。玻尔原子学说的一个很大的优点在于它从几个简单的假说出发，以惊人的准确性解释了氢原子辐射的所有谱线（颜色）的精确长度。而且玻尔学说预示有更多的谱线存在，这些谱线以前并未观察到，而不久就被实验所证实。

　　此外，玻尔原子结构学说第一次明确地解释了原子为什么具有它们所有的体积。由于具备这些令人信服的证据；玻尔学说很快就被公认。

　　1922年，由玻尔领导的研究所，经过大量的研究，大量的实验，终于发现了元素周期表上的第72号元素——铪。同年，由于他对原子结构以及原子放射性的研究工作作出了贡献而被授予1922年度的诺贝尔物理奖，这是继爱因斯坦1921获奖之后，成为1922年的优胜者。

　　在玻尔知道这一消息的同时，他的名字已传遍了世界。祝贺电报和信函，象雪片似地从世界各地飞来。其中最使玻尔激动的是他的良师益友卢瑟福从英国发来的贺电和贺信。在饱含深情的复信中玻尔写道：

　　不用说，诺贝尔奖金对我未来的生活和工作条件有着巨大的意义。而且，单就1921年的获奖者是爱国斯坦这一点来说，就使我感到登峰造极的快乐了。

　　在这一时期，玻尔做的还有一件事就是，倡议并建立了哥本哈根大学理论物理学研究所，并领导这一世界性的科学中心40年，形成著名的哥本哈根学派，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，并培养出大批优秀的学者。

　　例如，玻尔的对应原理导致了海森伯矩阵力学的形成；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。

　　也就是在这个阶段，玻尔完成了他的终生大事，他于1921年结婚，当时正值他从事伟大科研工作的黄金时代。婚后，他有五个儿子，其中的一个儿子阿基·玻尔获得1975年诺贝尔物理奖，这也使玻尔成为父子都是诺贝尔奖主获得者。

　　逃离纳粹魔掌

　　科学发展到20世纪30年代中期，核物理成了热门，世界各地的科学家几乎都转向了这个领域，致使核物理学飞速发展。

　　此时的玻尔的研究仍处于世界领先的地位。谁也不会忘记，在1935年的一次科学讨论会上，波德正在讲解自己的论文，而玻尔不断地打断他。后来，玻尔把一句话只说了一半，就突然停住坐了下来，脸色一下子都发了青，过了几秒钟，他站起来说：“我弄明白了”。

　　就在这几秒钟里，玻尔抓住了未来物理学的基本概念，还可以说找到了决定世界前途的基本概念。他从根本上了解了原子核内发生的事情及发生的原因，因而抓住了了解原子核的组成及其性质的线索，理出了原子嬗变和原子核裂变的头绪。

　　玻尔认为，原子核具有复合的成份，因此核反应是分两步进行的。首先，闯入的中子和原子核内的一个质子或中子碰撞。不过，这个粒子不会被撞出原子核，相反，它将撞击另一个粒子，这另一个粒子也会撞击别的粒子，直到所有的粒子都运动起来。这时，闯进来的那个中子原来所具有的能量，就转移到了这些粒子上面，接着，这个系统就要采取一种行动，以摆脱这部分多余的能量。他又一次发现了原子的结构，又一次发现了并协原理，他提出了如何验证这一设想的所胃“复合原子核”的方法。

　　对复合原子核这一概念，玻尔花了好几个月的时间才得到充分的发展。不过，正象牛顿和达尔文的发展一样，突如其来的见识与长时间的审核事实，再一次创造了科学史上又一个最伟大的进展。

　　玻尔继续向前展望，如果原子核受到了更猛烈的冲击，可能导致原子核的爆炸。

　　在此次期间，1937年夏季，玻尔及其子小玻尔曾到中国上海、杭州、南京和北平等地访问，表达了对中国人民的友谊。

　　1938年，玻尔去美国同爱因斯坦合作，在途中和抵美不长的一段时间里，他又完成了解释原子核裂变现象和裂变碎片具有放射性的实验。他写出了概论性的论文，对整个过程的理论进行了推导和说明。

　　不久，玻尔又揭示了铀的复杂现象，他指出：只有质量数为235的这种稀有同位素才能由慢中子引起裂变；而质量数为238的半度同位素则不能。这种差别仅仅是由于两种同位素含的中子数不同。这个发现，直接提出了解释放出巨大核能的链式反应的可能性。

　　但是，由可能变成现实还有很大一段距离，有很长一段时间，玻尔不相信能克服从大量铀238中分离微量铀235的实际困难。各国实验室的大量论文也没有使他改变看法。这个问题大复杂了，很长一段时间还没能用实验解决这个问题。

　　1939年9月3日，第二次世界大战爆发，整个世界都卷入了战争的漩涡。第二年年4月，德国占领了丹麦，玻尔落入德国人手中，和所有同胞一样，玻尔也很难过，他销毁了从德国和其他被占领国家他帮助外逃的科学家的有关材料，绝不能让记录落在纳粹的手里。

　　丹麦被占领的第二天，美国的朋友们和各大学就拍来电报，邀请玻尔和家属去美国。人们都关心着玻尔的安全，但玻尔认为他必须留下，尽自己最大可能保卫研究所以及它的工作人员。他的离去，对丹麦犹太人将是特别严重的打击。

　　当时，纳粹急于想利用玻尔尽快研制出原子武器，所以继续让他从事研究，并且从中索取秘密。但是，有关原子弹的研制，许多科学家认为在实际中因为存在许多困难，例如难以提炼大量的铀，难以控制反应速度等，所以认为原子弹难以造成。

　　就在这种情况下，玻尔指出慢中子裂变应归于稀有的同位素铀235.又是玻尔发明了有效分离同位素的方法，这就使得制造原子弹成为可行的事情。

　　玻尔的洞察力就要导致世界上最重大的事件了，而他本人在哥本哈根却一无所知。由于玻尔对纳粹公开采取不合作态度，而且还有为地下活动出力的嫌疑，盖世大保对玻尔进行了秘密监视。致使他和外界的联系很少。

　　战争仍在大规模进行着，英国、美国，法国万分焦急，深恐德国抢先制造出原子弹，他们得知世界上最著名的原子科学家玻尔已落入德国人手中，德国在挪威的重水工厂每年将生产1500公斤重水，这足以进行原子弹试验。又由于玻尔一贯主张把他的研究成果公诸于众，就在德国占领丹麦之后，他仍不改初衷，继续向德国人讲授原子的威力，这使英、美更加坐立不安。

　　于是，美国总统罗斯福向谍报人员发出命令，把玻尔带出来，参加曼哈顿计划，英国首相丘吉尔也听取汇报，亲自部署夺取玻尔的秘密行动，劝说他为盟方效力。因为玻尔天真地反对一切暴力，甚至想托人或直接找希特勒说情，以停止战争和迫害，所以，他起初拒绝逃往盟方。

　　与玻尔的愿望相反，纳粹的恐怖浪潮席卷了整个丹麦，并直接威胁到他的实验室。他的幻想破灭了，只好选择了逃往同盟国的道路。

　　此时的玻尔百感交集，心情格外沉重。眼看他苦心经营多年的理论物理研究所就要毁于一旦，自己在临走前能带走点什么呢？实验室的设施历历在目，诺贝尔金质奖章闪闪发光……玻尔来不及多想，就把金质奖章放在了酸溶液中，匆匆地从冰箱中取出一个啤酒瓶上路了。

　　玻尔之所以在奖章和啤酒瓶间选择了后者，是因为他认为事业比荣誉更重要。啤酒瓶中装有的重水是极其珍贵的物理实验材料，也是极其重要的战略资源。玻尔先到瑞典，又到英国、美国，仍不停顿地从事物理学研究。

　　德国总部很快获悉了这个消息，立即下令：逮捕玻尔！然而晚了一步，玻尔已在秘密组织的帮助下到了中立国瑞典。

　　赢得生前身后名

　　1943年10月6日，是一个让人难以忘记的日子。一架英国的蚊式轰炸机在斯德哥尔摩机场降落。玻尔坐到了弹仓里，因为只有这个地方能容纳这位特殊的乘客。

　　当飞机到最大高度时，驾驶员告诉玻尔打开氧气开关，而玻尔没有听到这一指令。因为飞行员的帽子戴在玻尔的大脑袋实在是太小了，耳机没能贴在耳朵上。

　　就这样，这位出逃的科学家不一会儿就缺氧而昏迷了。驾驶员从冒着这么巨大的危险由纳粹手中救出的这位著名教授那里得不到回答，还以为他死了呢。幸好，飞机一会儿降到了较低的高度，玻尔苏醒了过来，安全地飞到了伦敦。

　　到了伦敦，玻尔很快会见了丘吉尔，同意加入美国研究原子弹的行列。他说：“时代不好，为了抢救一个国家最宝贵的东西，我只得违背原则了。”

　　玻尔在英国逗留了一段时间后，又秘密地来到了美国的研制原子弹基地。同费米、奥本海默、西拉德等人共同合作，努力合作，终于使原子弹成形。

　　1945年7月16日，第一颗原子弹成功地在新墨西哥州阿拉莫戈多附近的沙漠里爆炸了。

　　原子弹所造成的后果是科学家远远没有料到的。玻尔力图把引而未发的力量用于为人类造福的方面上，而绝不想让它产生灾难。

　　然而，这时，一个重大问题又在玻尔的脑子里以新的强度出现了：要制止全世界竟相制造原子武器的局面出现。为了这一目的，玻尔到处奔波，主张人们应该把原子能用于人民的生活，为人民谋利，防止原子武器的灾难性扩散，同时把原子能研究的果实为所有愿意和平利用的人们共享。

　　由于玻尔的努力，这项工作取得了一定的进展，成立了一个正式机构“过渡委员会”，以考虑人类面临的最巨大的危险和最重大的机会。

　　1945年8月底，玻尔一家返回丹麦。人们热烈、激动、真挚地欢迎了他。回到丹麦后，玻尔担任了丹麦原子能委员会主席和丹麦皇家科学院院长。

　　此时，年逾花甲的玻尔感慨万分，他决心致力于研究所的发展壮大，并在有生之年恢复其国际科研中心的地位。在这个时期，国外的大学毕业生再次云集到他的研究所，许多科学家受到过他的指教。他自己也写出了大量的科学论文。

　　玻尔创建了原子时代的一大部分，又确定了核物理学的方向，因而，他在物理学界雄据了30年的支配地位。他所得到的各种奖金、头衔，名誉学位和各种会员资格比任何一个在世的科学家都要多。

　　玻尔在百忙中将溶解在酸液中的诺贝尔金质奖章用沉淀法提取出来，并重新进行了铸造。铸品上面缺少了圣母手持财富和科学智慧的号角，以及轻启伊茜丝女神的飘缈面纱的图景。有人说这只能算是诺贝尔奖章的赝品，然而通过这件“赝品”不更能折射出玻尔淡泊名利、追求科学的思想光辉么！

　　除了杰出的学术成就外，玻尔还有一个特点就是热爱祖国，二战后，功成名就后的玻尔，以他的决心和胆识，谢绝各种外来的高薪聘请，在一个人口不到五百万的丹麦国建立起物理学的国际中心，把哥本哈根建成了物理学家“朝拜的圣地”。他的一生就是不断地进取和创造。为后来人树立了光辉的榜样。

　　玻尔待人诚恳，善于激发年轻科学家们的科学热情。1961年访苏时，他的学生之一朗道问他有什么秘诀把许多才华横溢的青年团结在自己周围？他说：“没有什么秘诀，只是我不怕在他们面前显露我的愚蠢。”

　　1962年11月18日，因患脑出血，这位科学巨匠逝世，享年77岁。

　　玻尔的一生得到过很多荣誉，除诺贝尔物理奖外，还获得过英国、挪威、意大利、美国、德国、丹麦给予科学家的最高奖赏。得到各种学术头衔、名誉学位，会员资格比任何一位同时代的科学家都多。

　　这些荣誉对于玻尔来说是当之无愧的，在寥若辰星的历史巨人中，尼尔斯·玻尔是其中极为璨灿的明星。尽管他没有爱因斯坦那样声名显赫，但真正懂得物理学的人都深知：他完全可以和爱因斯坦并驾齐驱。

　　原子时代的到来，在很大程度上就有赖于他的科学研究，以及他所发挥的影响。从对于同时代和整个世界的生活发挥指导作用这一点说，很少有人能同他相提并论。他的影响之大已远远超出了他所从事研究的物理学领域。

　　在把人们引入神秘的微观领域，科学地揭开世界本来面目的道路上，在第二次世界大战向何处发展的进程中，以及战后如何利用原子能的问题上，他两次改变了世界的进程，这大慨是前无古人，后无来者的。

　　就是靠了这些，当代一批最强有力的人物和最卓越的科学家都信赖他，听命于他。他是卢瑟福的学生与合作者，爱因斯坦毕生不可缺少的备受尊敬的挑战人；他是丘吉尔的对立面；他是许多卓越科学家如：海森堡、泡利、狄拉克、奥本海默等人的良师益友，也是全世界所有物理学家的领袖，智囊和朋友。