丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr,1885-1962）| 圖源：Wikipedia
20世紀(jì)初，物理學(xué)出現(xiàn)了幾大突破，普朗克開啟了用量子概念描述黑體輻射現(xiàn)象（1900）的先河；愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了狹義相對論（1905），同年還發(fā)表了用量子解釋光電效應(yīng)的論文；電子之父湯姆森提出了“葡萄干布丁原子結(jié)構(gòu)模型”（1903），幾年后，其博士后學(xué)生盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子核（1909），否定了湯姆森原子模型。
撰文 | 董潔林
責(zé)編 | 王一葦
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1911年5月，26歲的玻爾完成博士學(xué)位的新聞登載在哥本哈根市的報紙上。那時的丹麥，科學(xué)并不發(fā)達(dá)，博士很少，本地新聞關(guān)注新科博士是慣例。他的博士論文是關(guān)于電子在金屬中的運動，這在當(dāng)時的哥本哈根是頗為新穎的課題，但并非世界物理學(xué)前沿問題，該論文沒有公開發(fā)表。
玻爾于這年9月來到英國劍橋卡文迪許實驗室。他有太多話要對導(dǎo)師湯姆森說，比如他曾經(jīng)讀過的湯姆森論文、哪些令他震驚、哪些似乎不對，他也希望與大師討論自己的博士論文工作……但他們的第一次見面是令玻爾失望的，湯姆森似乎對這位來自名不見經(jīng)傳的哥本哈根大學(xué)的博士后興趣不大，害羞的玻爾 和他含有濃厚丹麥發(fā)音的英語也讓他們的交流頗有障礙。
在劍橋卡文迪許實驗室吹了幾個月玻璃管之后，玻爾有幸遇到了盧瑟福。這位于1908年由于 “對元素蛻變及放射化學(xué)的研究” 而榮獲諾貝爾化學(xué)獎的新銳學(xué)者，此時在曼切斯特大學(xué)擔(dān)任教授。他于1909年從α粒子散射實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)原子其實絕大部分是空的，猶如一個巨大的橄欖球場中間有一個帶正電的小 “球核”，該核集中了原子幾乎所有的質(zhì)量。他還于1911年提出了 “原子的核結(jié)構(gòu)模型”。玻爾表達(dá)了去曼切斯特學(xué)習(xí)的愿望，盧瑟福表示歡迎，1912年3月玻爾高興地加入了盧瑟福實驗室。
盧瑟福對科學(xué)、對同事都像一團(tuán)火。有趣的是，他這位諾貝爾化學(xué)獎得主，其12位學(xué)生和助手后來都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。玻爾在這里不僅向?qū)煂W(xué)習(xí)，與其他同齡人的交流也讓他受益非淺。在曼切斯特呆了短短的幾個月之后，玻爾一年博士后到期了，他得回到哥本哈根。從盧瑟福實驗室，他帶走了三樣寶貴的東西：一個研究課題、一種教學(xué)方式和幾位終身的朋友。
玻爾發(fā)現(xiàn)，研究原子模型是一個非常具有挑戰(zhàn)性而迷人的科學(xué)課題。作為哥本哈根大學(xué)的助理教師，他一邊給醫(yī)學(xué)院的學(xué)生上物理課、一邊把其余精力都投入到研究原子結(jié)構(gòu)之中。得益于與盧瑟福老師的持續(xù)通信討論和研讀大量文獻(xiàn)，玻爾于1913年相繼發(fā)表了三篇論文，提出了原子結(jié)構(gòu)量子模型，并成功用該模型解釋氫原子結(jié)構(gòu)和光譜，這點燃了科學(xué)家們用該理論解釋各種原子光譜和結(jié)構(gòu)，以及研究元素周期表、發(fā)現(xiàn)新元素的興趣。
該成就也讓他成為繼普朗克和愛因斯坦之后，用量子理論解釋自然現(xiàn)象的第三位旗手。玻爾受邀在英國和歐洲大陸各地報告他的原子量子模型，得到了一些肯定、也有很多質(zhì)疑。之后，越來越多的人采用量子理論來解釋各種自然現(xiàn)象。玻爾開始吸引一些外國學(xué)生前來求學(xué)。
玻爾的性格與品質(zhì)也是他吸引世界各地青年科學(xué)家的重要原因。他心胸開放，對世界各地科學(xué)家一視同仁；他性格溫和、待人寬厚，但在學(xué)術(shù)問題上執(zhí)著、刨根問底，對他人無論是批評還是表揚(yáng)都無比真誠；他學(xué)術(shù)品格高尚，樂于做學(xué)生和合作伙伴的跳板，如果自己沒有重大貢獻(xiàn)（參與討論和論文修改不算重大貢獻(xiàn)），不會把名字加在他們的論文上。他一輩子發(fā)表了約兩百篇論文，大部分都是個人署名論文。
玻爾教學(xué)生涯的博士生很少，僅幾位大學(xué)生（如荷蘭的Hendrik Kramers、瑞典的Oskar Klein）來到哥本哈根師從玻爾。玻爾最喜歡與博士后和訪問學(xué)者階段的青年科學(xué)家合作。他非常善于發(fā)現(xiàn)年輕科學(xué)家的長處，鼓勵學(xué)生們做自己喜歡的課題，不斷拓展科學(xué)的疆域。
1922年11月，玻爾因其原子模型和氫原子光譜的工作而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。同時，諾獎委員會也通知愛因斯坦獲得1921年度的物理學(xué)獎。巨大的榮譽(yù)向玻爾涌來，更多一流青年科學(xué)家奔向哥本哈根。
功成名就的玻爾在科學(xué)探索的道路上繼續(xù)高歌猛進(jìn)，他喜好批判性思維、鼓勵辯論的學(xué)術(shù)風(fēng)格啟迪了量子力學(xué)的先驅(qū)者們，幫助自己和他人從經(jīng)典力學(xué)過渡到量子力學(xué)，他是量子革命的擺渡人。
1922年，22歲的泡利（奧地利）來到了到了玻爾的理論物理研究所做博士后。兩年后，海森堡（德國）也來了。他們都是德國慕尼黑大學(xué)索末菲教授的博士生。索末菲教授的課堂喜歡討論科學(xué)最前沿的內(nèi)容，量子物理、相對論、原子模型等剛問世不久就成為他的課程內(nèi)容。其實他對這些新理論未必了解，他自嘲地說：“如果我了解這些東西就不會開設(shè)這門課了?！?在這種教學(xué)風(fēng)格下，他的多位學(xué)生后來拿到了諾貝爾獎。而他自己雖然被提名84次，卻未能獲獎。
初到哥本哈根的海森堡已經(jīng)很熟悉玻爾的原子量子模型及其他量子現(xiàn)象，并了解該模型的局限性。當(dāng)時的量子理論就像一個大框，里面裝著各種經(jīng)驗規(guī)則和唯象理論，但凡新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象不能被已知理論解釋，人們就再發(fā)明一個理論扔進(jìn)筐子里。海森堡認(rèn)為量子現(xiàn)象需要一套完整的數(shù)學(xué)理論來解釋。
海森堡在哥本哈根最大的收獲來自與玻爾的辯論。玻爾的物理概念極其清晰，物理直覺和想象力都非常好，對各種物理現(xiàn)象和實驗結(jié)果很了解，但玻爾的數(shù)學(xué)功底不及他的學(xué)生們，哥廷根大學(xué)的波恩教授擔(dān)當(dāng)了新量子力學(xué)數(shù)學(xué)導(dǎo)師的角色。玻爾可以真誠而柔和地與學(xué)生辯論幾天幾夜，海森堡經(jīng)常被折磨得崩潰，但幾個回合之后，海森堡發(fā)現(xiàn)自己的物理學(xué)功力的確大漲了。1925年，海森堡開始構(gòu)建量子力學(xué)矩陣?yán)碚?。第一篇文章發(fā)表后，玻爾拿去給愛因斯坦看，得到肯定。哥廷根大學(xué)的波恩教授讀了海森堡文章后，立刻著手與他合作，構(gòu)建了更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧孔恿W(xué)矩陣數(shù)學(xué)體系。
1926年，奧地利科學(xué)家薛定諤提出了量子力學(xué)的波動方程，由于物理學(xué)家們比較熟悉解微分方程，薛定諤方程得到更多回響。1927年，狄拉克從英國來到了哥本哈根，通過數(shù)學(xué)證明，他認(rèn)為海森堡的矩陣量子力學(xué)與薛定諤波動力學(xué)是等效的。同時，狄拉克還把相對論引入量子力學(xué)模型中，預(yù)測了一些驚世駭俗的現(xiàn)象，比如反粒子。海森堡此時也在憋大招，他從矩陣量子力學(xué)推導(dǎo)出 “測不準(zhǔn)原理”，并又和玻爾老師開始了馬拉松辯論：這到底有何物理意義？如何用實驗檢驗這個原理？這個理論能夠預(yù)測什么新現(xiàn)象？
辯論不僅是玻爾的教學(xué)方式，也滿足了他與同行交流的需要。在辯論過程中，他們彼此成就、共同挖掘科學(xué)真諦。在與海森堡、泡利、狄拉克等一流學(xué)生辯論時，他無需注意學(xué)生的感受，辯論可讓科學(xué)在他們眼前變得更為深刻而清晰。對于不那么強(qiáng)大的學(xué)生，他會稍微節(jié)制一點，例如他讓學(xué)生首先按照他們自己的想法把文章寫完，然后再開始與老師同學(xué)們辯論。即使如此，由于玻爾的地位及強(qiáng)大的辯論能力，有的學(xué)生受不了這種風(fēng)格，感覺玻爾在代替他們思考，讓他們失去了科學(xué)探索的樂趣。也有學(xué)生在與他辯論之后放棄了自己原本正確的觀點，玻爾對此雖有歉意但不會改變做法。他認(rèn)為，不堅持自己正確觀點的人其實沒有真正搞懂，碰運氣發(fā)了論文也成不了偉大的科學(xué)家。
玻爾領(lǐng)導(dǎo)的學(xué)派是開放的、在科學(xué)討論中人人平等，他對來自外人和學(xué)生們的批評都樂于傾聽、多多益善。以博學(xué)多才、口尖舌利而著稱的泡利，決不會就科學(xué)問題因人情世故而妥協(xié)。玻爾特別重視泡利的意見，泡利離開哥本哈根之后，仍然經(jīng)?；卦L。師徒二人一直保持密切的通信交流，玻爾對泡利來信視若珍寶、隨身攜帶，見到合適的人就與之分享。
第五次索爾維會議于1927年11月召開，玻爾率領(lǐng)哥本哈根學(xué)派的新量子力學(xué)干將閃亮登場：波恩、海森堡、泡利、狄拉克、克雷墨斯……他們與愛因斯坦、普朗克等人類歷史上最杰出的科學(xué)家相聚。（注：索爾維國際物理學(xué)化學(xué)研究會是比利時業(yè)家歐內(nèi)斯特·索爾維于1911年在布魯塞爾創(chuàng)辦的一個學(xué)會，每三年召開一次國際學(xué)術(shù)會議，受邀參加者多為當(dāng)時的一流物理學(xué)家與化學(xué)家。）
這次會議最重要的事件即新量子力學(xué)正式誕生了，玻爾本人從舊量子理論的旗手華麗轉(zhuǎn)身為新量子力學(xué)的教父。該會議也是舊量子理論的三位旗手，普朗克、愛因斯坦和玻爾，分道揚(yáng)鑣的起點。普朗克慈祥地看著新量子力學(xué)的誕生，玻爾帶著一幫年輕人披荊斬棘，而愛因斯坦則成為保守派，不相信 “上帝會擲骰子”。
玻爾與愛因斯坦都是溫和而執(zhí)著的人。這次會議后，他們就波粒二象性、測不準(zhǔn)原理、幾率波、因果律、互補(bǔ)原理等物理和哲學(xué)問題進(jìn)行了幾十年的大辯論，成為科學(xué)史上一道靚麗風(fēng)景。雖然量子力學(xué)的 “哥本哈根解釋” 逐漸獲得了認(rèn)可，然而愛因斯至死也沒有與玻爾在他們辯論的科學(xué)問題上達(dá)成一致，但二人之間友誼深厚，他對玻爾的評價是：“玻爾從不認(rèn)為自己擁有真理，而是永遠(yuǎn)在求索?！?/span>
的確，追求科學(xué)真理猶如凝視黑暗的深淵和無盡的蒼穹，需要很多像波爾這樣執(zhí)著較真的科學(xué)家，前赴后繼。
二戰(zhàn)時期，面臨納粹德國的威脅，玻爾不僅庇護(hù)了不少猶太裔科學(xué)家，也持續(xù)倡導(dǎo)原子彈研發(fā)過程盡量公開透明，以減少人道災(zāi)難。
希特勒于1933年成為德國元首后，開始了排擠和屠殺猶太人的運動。玻爾的家和哥本哈根大學(xué)理論物理研究所成為很多猶太裔科學(xué)家的避難所，有些人路過待幾天，有些人在這里長期做研究。玻爾從美國的洛克菲勒基金會申請了特別資助來幫助這些科學(xué)家。科研活動仍然在哥本哈根繼續(xù)。
這段時間，玻爾研究所的研究重點轉(zhuǎn)到原子核結(jié)構(gòu)、量子電動力學(xué)和場論、以及生物物理等方面，涌現(xiàn)出一批新成果和學(xué)術(shù)新星。例如，玻爾和同事建立了原子核液滴模型，可用于解釋核裂變（fission）現(xiàn)象，玻爾的學(xué)生、奧地利的Otto Frisch與他的姨母 Lize Meitner 合作首先揭示了核裂變現(xiàn)象及其物理原理，他們被多次提名諾獎而未能獲獎，成為諾獎歷史上的重要憾事。玻爾還開創(chuàng)了生物物理方向，其中一位學(xué)生 Max Delbrück（德國）后來赴美國成為分子生物學(xué)領(lǐng)域的一代宗師，于1969年獲得諾貝爾生物和醫(yī)學(xué)獎。
哥本哈根學(xué)派除了產(chǎn)生了十來位諾獎獲得者，還出現(xiàn)了多位未獲諾獎但影響很大的杰出人物，例如瑞典物理學(xué)家Oskar Klein，他于1930年代參與構(gòu)建的Kaluza-Klein理論是今天弦理論的前身，1938年他首先提出了非阿貝爾規(guī)范場概念，泡利于1953年和楊振寧等在1954年分別寫出了具體的非阿貝爾規(guī)范場方程，再后來其他人發(fā)展出標(biāo)準(zhǔn)模型以統(tǒng)一電磁力、弱力和強(qiáng)力。Klein于1954年到1965年間擔(dān)任諾貝爾物理學(xué)獎評獎委員會委員和主席。另一位是伽莫夫（G. Gamow，蘇聯(lián)），著名科普作家，因其核物理和宇宙物理等成就曾獲諾獎提名。還有佩斯（A．Pais，荷蘭），著名科學(xué)史和傳記作家，因其量子場論成就曾獲諾獎提名。
1939年9月，德國發(fā)動了第二次世界大戰(zhàn)。戰(zhàn)爭讓人更切實地感受到 “科學(xué)無國界” “科學(xué)家有祖國” 這兩句話的含義和張力。玻爾的學(xué)生們分崩離析，有些人背井離鄉(xiāng)逃避迫害，有些人為自己的祖國和理念而戰(zhàn)。期間玻爾最為令人矚目的兩位徒子徒孫是海森堡和奧本海默，前者是德國原子彈計劃的科學(xué)負(fù)責(zé)人、后者是美國原子彈計劃（曼哈頓計劃）的科學(xué)負(fù)責(zé)人。玻爾的另一位學(xué)生朗道，此時已被蘇聯(lián)當(dāng)局當(dāng)成 “德國間諜” 而下獄。
德國于1940年4月撕毀與丹麥的和平協(xié)議、占領(lǐng)丹麥。海森堡以占領(lǐng)者科學(xué)界領(lǐng)導(dǎo)的身份于1941年10月再訪哥本哈根理論物理研究中心，這是令人尷尬的訪問，師生之情不再、同門之義無存。其間玻爾與海森堡進(jìn)行了一對一的長談，玻爾了解到海森堡在領(lǐng)導(dǎo)德國的原子彈項目而大驚失色，因為他知道原子武器的毀滅力量。此時的玻爾對自己曾經(jīng)的學(xué)生充滿恐懼。
德國占領(lǐng)者決定從1943年10月開始清洗丹麥的猶太人。在英國物理學(xué)家 James Chadwick 的幫助下，一直堅守祖國的玻爾逃出丹麥。Chadwick是玻爾在盧瑟福實驗室學(xué)習(xí)時的同學(xué)，他是二戰(zhàn)時期英國原子彈計劃的科學(xué)負(fù)責(zé)人。玻爾到達(dá)英國之后，了解到英美在聯(lián)合研發(fā)原子彈。一方面他希望英美在與德國的軍備競賽中獲勝，另方面他認(rèn)為英美此舉不應(yīng)該背著盟友蘇聯(lián)，原子彈秘密應(yīng)該與所有盟友分享。于是，他在見英國丘吉爾首相時作此提議。丘吉爾拒絕了他的提議，并認(rèn)為他有犯罪的可能性。到美國后，他見到羅斯福總統(tǒng)時再次提議，被禮貌地敷衍。
二戰(zhàn)勝利后，西方陣營與蘇聯(lián)陣營的冷戰(zhàn)開始了。玻爾寫公開信給聯(lián)合國提議各主要國家在原子彈和原子能開發(fā)領(lǐng)域彼此透明公開，他認(rèn)為只有這樣才可能避免不必要的軍備競賽及人道災(zāi)難。他也把此信發(fā)給多國政要。然而，他的游說活動成果有限。單純的科學(xué)家走進(jìn)現(xiàn)實而劍拔弩張的政治漩渦中，與政治家共振非常不易。盡管1939年8月愛因斯坦給羅斯?？偨y(tǒng)寫信建議研制原子彈以打敗納粹，得到了快速響應(yīng)，但這是個特例，因其恰逢其時并投其所好是也。
鑒于玻爾在開拓多個重大學(xué)科、培養(yǎng)世界一流人才、進(jìn)行跨國界科學(xué)合作等多方面的卓越成就，以及其良知帶給人類的溫暖，他無疑是一位罕見的戰(zhàn)略科學(xué)家。玻爾于1962年去世，走完了他從原子物理學(xué)旗手到量子力學(xué)教父再到科學(xué)之良心的偉大人生三部曲。60年來，科學(xué)仍然在進(jìn)步，但玻爾 “科學(xué)屬于全人類” 的理想，壯志未酬。
謹(jǐn)以此文紀(jì)念玻爾去世60周年
主要參考文獻(xiàn)：
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