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尼爾斯·波耳

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尼爾斯·波耳1922年諾貝爾物理學獎得主
Niels Bohr
Niels Bohr.jpg
1922年的波耳
出生尼爾斯·亨里克·達維德·波耳(Niels Henrik David Bohr)
(1885-10-07)1885年10月7日
 丹麥哥本哈根
逝世1962年11月18日(1962歲-11-18)(77歲)
 丹麥哥本哈根
國籍 丹麥
母校哥本哈根大學
知名於
配偶瑪格麗特·內隆德(1912年成婚)
兒女奧格·波耳等六個兒子
獎項
科學生涯
研究領域物理學
機構哥本哈根大學
劍橋大學
曼徹斯特維多利亞大學
博士導師克里斯蒂安·克里斯蒂安森英語Christian Christiansen
其他指導者約瑟夫·湯姆森
歐尼斯特·拉塞福
博士生漢斯·克拉默
其他著名學生列夫·朗道
受影響自
施影響於
簽名
Niels Bohr Signature.svg

尼爾斯·亨里克·達維德·波耳[a]丹麥語Niels Henrik David Bohr,1885年10月7日-1962年11月18日),丹麥物理學家,1922年因「他對原子結構以及從原子發射出的輻射的研究」而榮獲諾貝爾物理學獎[1]

波耳發展出原子的波耳模型。這一模型利用量子化的概念來合理地解釋了氫原子光譜。他還提出量子力學中的互補原理。20世紀20年代至30年代間量子力學及相關課題研究者的活動中心,哥本哈根大學的理論物理研究所(現名尼爾斯·波耳研究所),也是由波耳在1921年創辦的。

20世紀30年代,波耳積極幫助來自納粹德國的流亡者。在納粹德國占領丹麥後,波耳與主持德國核武器開發計劃的海森堡進行了一次著名會談。他在得知可能被德國人逮捕後,經由瑞典流亡至英國,並於該國參與了合金管工程。這是英國在曼哈頓計劃中承擔的任務。戰後,他呼籲各國就和平利用核能進行合作。他參與了歐洲核子研究組織[2]丹麥原子能委員會裡瑟研究部英語Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy的創建,並於1957年成為北歐理論物理研究所英語Nordic Institute for Theoretical Physics的首任主席。為紀念波耳,國際純粹與應用化學聯合會決定以他的名字命名107號元素,𨨏

早年[編輯]

青年時代的尼爾斯·波耳

尼爾斯·波耳1885年10月7日生於丹麥哥本哈根。父親克里斯蒂安·波耳哥本哈根大學生理學教授。[3]母親埃倫·阿德勒·波耳出身於一個在銀行業和政界都聲名顯赫的猶太富商家族[4]。姐姐珍妮後來成為一位教師[5]。弟弟哈拉爾德則成為一位數學家[3]。哈拉爾德還曾是丹麥國家足球隊的成員,並代表丹麥參加了1908年夏季奧運會的足球比賽。尼爾斯也非常喜歡足球,並與弟弟一起曾為哥本哈根的學院足球俱樂部英語Akademisk Boldklub出場了幾次比賽,司職守門員[6]

波耳七歲起開始在伽末爾霍姆拉丁語學校學習,除了丹麥語寫作之外,他的絕大部分科目都成績優異。他在這一時期也已展示出對於物理學的熱忱。[7]1903年,他進入哥本哈根大學學習物理。他的導師是該所大學當時唯一的物理學教授克里斯蒂安·克里斯蒂安森英語Christian Christiansen。波耳還在托瓦爾德·蒂勒英語Thorvald Thiele教授的指導下學習了天文學與數學,並跟隨父親的好友哈拉爾德·許夫定英語Harald Høffding教授學習哲學。[8][9]

丹麥皇家科學院1905年舉辦了一場物理論文競賽。題目是研究瑞立男爵在1879年提出的一種測量液體表面張力的方法:依據測量水射流的流速、截面面積與半徑振動頻率去估算其表面張力。由於哥本哈根大學當時沒有物理實驗室,波耳只得在父親的實驗室進行一系列實驗。為了完成實驗,他還自行製作了截面為特定橢圓的玻璃試管。他最終的成果超過了原來設定的要求。他對於瑞立勳爵的理論與方法加以改善,提出了一種考慮到水的黏性的測量方法。而且他的方法不但能處理無限小振幅振動的案例,還能處理有限振幅振動的案例。他的論文儘管是在臨近截止期限前幾分鐘提交的,但還是為他贏得了金牌。後來,他又將這篇論文加以改進,然後送交英國皇家學會,並在《自然科學會報》發表。[10][11][8][12]

波耳在這一時期經由許夫定接觸到丹麥哲學家索倫·奧貝·克爾凱郭爾的著作[13],並且曾經將克氏的著作送給弟弟作為生日禮物[14]。波耳非常欣賞克氏的語言及行文風格,但他曾親口承認不太贊同克氏的一些觀點。這可能是克氏在其著作中宣揚的基督教教義與波耳的無神論觀點相牴觸。[15][16][17]

克氏對於波耳到底產生了多大程度的影響仍然存在爭議。一些傳記作者認為克氏對於波耳的影響非常小,他們相信波耳對於克氏的反對言論是發自真心的[18]。另外一些傳記作者則認為波耳雖然不能接受克氏哲學的具體內容,但仍認同其總體的前提及架構[19][14]

1909年4月,波耳的弟弟比他早九個月獲得數學碩士學位。當時學生的學位論文題目只能由論文導師給定,而波耳的論文導師克里斯蒂安森所給的題目是金屬的電子理論。波耳後來又將他的碩士學位論文進一步發揮與擴充成其博士學位論文,在檢索相關文獻後,決定採用金屬電子理論模型。這一模型是由保羅·德汝德提出,後來又經亨德里克·勞侖茲詳細闡述,而模型中金屬的電子性質與氣體分子類似。波耳將勞侖茲的模型加以延伸,假定電子與離子之間的作用力與它們之間距離的n次方成反比,其中n為任意實數。波耳雖然通過這一假定推導出了較好結果,但仍不能對於湯姆孫效應霍爾效應等現象給出合理解釋。因此他推斷,古典電子理論並不能解釋金屬的磁性質。他個人認為這是一種量子效應。這篇學位論文1911年4月被接受。他在5月13日進行了論文的正式答辯。[20]波耳在博士論文中所做的工作雖然具有一定突破性,但由於是以丹麥語寫成的,因而並沒有引起北歐以外的學者的關注。1921年,荷蘭物理學家亨德莉卡·約翰娜·范萊文英語亨德莉卡·约翰娜·范莱文獨立地推導出了相同的結果。後世的物理學家因而稱這一金屬的磁性質理論為波耳—范萊文定理英語Bohr–van Leeuwen theorem[21]

波耳夫婦在訂婚儀式上的留影

1910年,波耳結識了瑪格麗特·內隆德(Margrethe Nørlund),她是數學家尼爾斯·埃里克·內隆德英語Niels Erik Nørlund的妹妹。[22]1912年8月1日,二人在斯勞厄爾瑟市政大廳舉行結婚儀式。波耳於婚前退出丹麥教會,他弟弟哈拉爾德也在結婚前離開教會。[23]尼爾斯和瑪格麗特伉儷情深。二人共育有6個兒子。[24]長子克里斯蒂安1934年死於船難[25],幼子哈拉爾德因腦膜炎早夭[24]奧格繼承波耳的衣缽研究物理,並獲得了1975年的諾貝爾物理學獎。漢斯、埃里克與歐尼斯特則分別成為內科醫生、化學工程師及律師。歐尼斯特還像他的叔叔那樣代表丹麥參加1948年倫敦奧運會草地曲棍球項目的比賽。[26][27]

二戰前的工作[編輯]

波耳模型[編輯]

氫原子的波耳模型。一個帶負電的電子被限制在原子軌道上繞著一個體積非常小的帶正電的原子核轉動。電子在軌道間躍遷時會放出或吸收一定量的電磁輻射

20世紀初期,關於原子及分子模型構造的理論研究絕大部分是在英格蘭完成的[28]。1911年,波耳獲得了卡爾斯伯格基金會英語Carlsberg Foundation的獎學金,成為劍橋大學卡文迪許實驗室博士後,跟隨實驗室主任約瑟夫·湯姆森進行研究。按照湯氏的建議,波耳做了一些有關陰極射線的研究,但並未獲得實質結果。波耳熟讀湯姆孫的著作,知道其計算在某處有瑕疵,並當面毫不諱言地指出了這些瑕疵。湯姆森在物理學方面造詣頗深,並且在教育後進方面也是相當熱忱,但忙於實驗室的種種事務,因而無暇顧及波耳的工作。而卡文迪許實驗室一些看來較有突破性的研究計劃對於波耳而言並不是那麼有吸引力。[29][30]

1911年底,波耳在曼徹斯特拜訪父親的友人時,遇到曼徹斯特維多利亞大學教授歐尼斯特·拉塞福。曼徹斯特維多利亞大學的物理系當時在諾貝爾獎得主拉塞福的努力經營下已成為全世界一流的放射現象研究實驗中心。拉塞福在那年年中提出了原子結構的拉塞福模型,這一模型與湯姆森1904年提出的梅子布丁模型相比有較大的改進。[31]波耳透露很想去曼徹斯特維多利亞大學做博士後研究放射現象[32],拉塞福表示歡迎,但需要獲得湯姆森的首肯。經過一系列程序後,波耳於翌年年初轉到曼徹斯特維多利亞大學做博士後研究[32]。在那裏,他結識了喬治·德海韋西以及被他稱為「真正的達爾文子孫」的查爾斯·高爾頓·達爾文英語Charles Galton Darwin[33]

1912年8月,波耳與瑪格麗特·內隆德在丹麥完婚。婚禮儀式後,二人環遊英格蘭和蘇格蘭度蜜月。回國後,波耳受聘為哥本哈根大學的無俸講師英語privatdocent,講授熱力學。1913年7月,在馬丁·克努森的引薦下,波耳擢升為講師。波耳從那時開始負責給醫學生講授物理。[34]同年,他的三篇著名論文[32]相繼發表在 《哲學雜誌英語Philosophical Magazine》該年的7月號,9月號以及11月號上[35][36][37]。在這三篇後來被人們稱為「三部曲」的論文中,波耳將馬克斯·普朗克所提出的量子理論運用於拉塞福所提出的模型,構建了具有突破性的波耳模型[36]。他在第一篇論文中利用波耳模型分析了氫原子,在第二篇論文中論述了其它原子結構與週期表,在第三篇論文中探討了分子結構[38]

行星模型並不是一種新的構想,但波耳為構造模型所提出的假設卻可稱承先啟後、充滿創意[39]。達爾文曾於1912年探討電子在α粒子與原子核的交互作用中所扮演的角色[40]。波耳以達爾文的理論為起點[41]。他進一步明確了原子外層的電子的運動特點,並提出每種元素化學性質在很大程度上取決於外層電子的數量[42]。他還引入一個重要概念,即電子自高能軌道躍遷到低能軌道的過程是以釋出能量量子的方式完成。這一點後來成為舊量子論的基礎。[43]

20世紀上半葉原子模型的演進,自左至右依次是:梅子布丁模型拉塞福模型波耳模型電子云模型

約翰·巴耳末於1885年提出描述氫原子光譜中可見光譜線的巴耳末公式

式中是吸收或輻射出的光的波長,芮得柏常數[44]後來做實驗發現的譜線證實了這一公式。但在1885年後近三十年的時間裏,巴耳末公式一直只是一條唯象公式。並沒有人能說清它的理論原理。波耳在他的三部曲中的第一部曲裏,利用他的模型推導出芮得柏常數:

式中為電子質量,為其所帶電荷量,普朗克常數原子序數(對於氫原子來說,其則為1),就是芮得柏常數。[45]

波耳模型所面臨的第一個考驗是皮克林線系英語Pickering series。這一線系的譜線波長並不符合巴耳末公式。當阿爾弗雷德·福勒英語Alfred Fowler向其提出這一問題時,波耳給出的回應是這些譜線是由離子產生的,而非氫原子。波耳模型適用於這種離子。[45]老一輩物理學家,像湯姆森、瑞立勳爵以及亨德里克·勞侖茲,並不能接受波耳的三部曲。但是新一代的物理學家,像拉塞福、大衛·希爾伯特阿爾伯特·愛因斯坦馬克斯·玻恩以及阿諾·索末菲,卻將它們視為一項具有突破性的研究。[46][47]波耳模型能解釋當時其他模型所不能解釋的現象,並且預測了一些之後透過實驗證實的結果,因此之後得到科學界普遍接受[48]。它雖然現在已由其他模型取代,但仍是原子最為有名的理論模型之一,經常出現在中學教科書中[49]

波耳對於擔任博士生講師並不滿意,這令他沒有足夠的時間與資源做研究。他打算接受拉塞福的邀請,回到曼徹斯特填補達爾文留下的講師職缺。他在向哥本哈根大學請假後,與弟弟哈拉爾德和姨母漢娜·阿德勒啟程前往蒂羅爾度假。途中,他拜訪了哥廷根大學路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學,在那裡他結識了索末菲,並舉行了關於三部曲的討論班。當波耳一行人在蒂羅爾度假時,第一次世界大戰爆發,這使他們的歸途變得異常艱難。1914年10月,波耳與妻子瑪格麗特動身前往英格蘭。1916年7月,在接受哥本哈根大學特意為他設立的理論物理學教授職位後,波耳回到丹麥。雖然他的講師職位被同時撤消,但他仍需繼續向醫學生講授物理。當時的丹麥國王克里斯蒂安十世按照傳統公開會見了正在履新的波耳。在會見過程中,國王將波耳誤認為其胞弟,而波耳則直言不諱地進行澄清。這並不符合與王室成員公開會談時的規矩,所以當時的氣氛因而略顯尷尬。[50][51]

理論物理研究所[編輯]

1917年4月,波耳開始積極籌備組建理論物理研究所。他獲得了丹麥政府、卡爾斯伯格基金會英語Carlsberg Foundation以及來自丹麥各行各業的私人捐助者的大力支持。這些私人捐助者中很多是猶太人。有關籌建研究所的法案於1918年11月通過。研究所於1921年3月3日正式成立,並由波耳擔任主任。波耳一家搬入研究所大樓的一樓裏居住。[52][53]位於哥本哈根的這座研究所是二十世紀二三十年代間量子力學及其相關課題研究者的活動中心。當時世界上大多數的知名物理學家都曾來此與波耳共事過一段時間。早期來訪者包括來自荷蘭的漢斯·克拉默、瑞典的奧斯卡·克萊因、匈牙利的喬治·德海韋西、波蘭的沃伊切赫·魯比諾維奇英語Wojciech Rubinowicz以及挪威的斯韋恩·羅斯蘭。他們與波耳成為了知交,並認為他是一位能力出眾的共事者[54][55]。克萊因和羅斯蘭甚至在研究所正式開辦前即發表了研究所的第一份報告。[53]

理論物理研究所(即現今的尼爾斯·波耳研究所)

波耳的模型對於氫原子相當適用,但對於結構更為複雜的原子則並不適用。1919年,波耳開始捨棄了電子繞原子核做軌道運動的想法, 並使用啟發法研究描述它們運動的方式。當時的化學家正苦於區分稀土元素,因為它們的化學性質非常相似。1924年,沃爾夫岡·包立提出包立不相容原理之後,這一問題有了重要進展。波耳基於這一原理預言當時尚未發現的72號元素並非稀土元素,而是一種類元素。這一想法當即受到法國化學家喬治·佑爾班英語Georges Urbain的質問。佑爾班當時聲稱已經發現了72號元素,並認為其為一種稀土元素。理論物理研究所的迪爾克·科斯特與德海韋西開始自行尋找72號元素以證明波耳的想法是正確的。由於對於該元素的化學性質已有明確的預言,因而尋找該元素的難度並不像之前那麼高。德海韋西等人試圖在從哥本哈根礦物學博物館得到的礦物樣本中尋找這種類鋯元素,並很快發現它的蹤跡。他們將這元素命名為「鉿」(拉丁語hafnium)。這個名字源自哥本哈根的拉丁語名「Hafnia」。他們還發現鉿元素比金元素分布得更廣泛。[56][57]

1922年,波耳以「對原子結構以及從原子發射出的輻射的研究」獲諾貝爾物理學獎[58]。在獲獎感言中,他詳述了當時舊量子論的原子結構和對應原理。對應原理闡明,在系統量子數非常大的情況下,對於系統的物理行為,利用量子理論所得到的結果應該與利用古典理論得到的結果非常近似[59]

出席1927年第五次索爾維會議的物理學家合影。波耳坐在中間一排的最右側,旁邊是馬克斯·玻恩。

阿瑟·康普頓在1923年發現的康普頓散射令當時大多數的物理學家相信光是由光子組成的,並且在電子和光子發生碰撞時,能量和動量守恆。1924年,波耳與荷蘭籍的克拉默以及當時與他們共事的美國物理學家約翰·斯萊特英語John C. Slater三人提出了波耳–克拉默–斯萊特理論英語BKS theory(簡稱為BKS理論)。由於沒有進行定量的理論論述,因此這理論不能被人們視為完整的物理理論,只能被視為一種研究計劃。BKS理論是量子力學史裏基於舊量子論的架構去理解物質與電磁輻射間交互作用的最後一次嘗試。由於BKS理論維持對於自由輻射場的古典連續性描述,但必將光子這一概念會被拋棄。[60][61][62][b]。BKS理論令舊量子論理論基礎所存在的困難再度受到關注[64]。在BKS理論所主張的系統的能量與動量並不需要在每個交互作用中都守恆,它們只需在統計意義上總體守恆即可的論點,被瓦爾特·博特漢斯·蓋革隨後發表的實驗結果所推翻[65]。得知結果後,他對達爾文說:「唯一能做的就是盡可能體面地埋葬我們為(物理學的)革命而付出的辛勞。」[66]

量子力學[編輯]

喬治·烏倫貝克薩穆埃爾·古德斯米特英語Samuel Goudsmit在1925年11月引入的自旋概念是量子力學發展史上的一座里程碑。他們猜想,電子會像太陽系中的行星那樣,除了會遵循舊量子論環繞著原子核進行「公轉」以外,還會進行類古典的「自轉」。波耳次月為慶祝亨德里克·勞侖茲獲得博士學位50周年而去造訪萊頓。當火車行至漢堡時,沃爾夫岡·包立奧托·斯特恩特來與他會面,並詢問他對於自旋理論的看法。波耳表示,這個猜想非常有意思。但存在一個問題:在原子核的電場中移動的電子怎麼會因為感受到磁場的作用而形成精細結構?在萊頓的火車站,波耳遇到保羅·埃倫費斯特和愛因斯坦。埃倫費斯特告訴他,愛因斯坦已經利用相對論找到這問題的解答[c]。離開萊頓後,波耳在哥廷根火車站與海森堡、帕斯庫爾·約當碰面,並告訴他們這個好消息。海森堡提到,他好像曾經聽到過類似論述,但他不記得具體是誰在甚麼時候給出這一論述的。回程時,在柏林火車站,波耳又遇到特別從漢堡乘火車過來的包立。他很想知道波耳是否已經找到答案。波耳告訴了包立詳情。但包立卻認為這是一個「新的哥本哈根異端」。返家後,波耳寫信給埃倫費斯特表示,自己已成為「電子磁福音中的先知」了。[68]

海森堡於1924年首度來到哥本哈根,擔任波耳的研究助理。波耳平時喜歡散步。波耳時常會與海森堡在研究所附近找一個風景優美的鄉村,邊散步邊談話。他們不只談論物理,還談論幾乎任何其它事情。索末菲是具有傳統風格的德國教授,講究師生關係。與索末菲大不相同,波耳很願意積極地與海森堡互相溝通。他覺得海森堡將會做出重大物理學貢獻。[69][70]次年6月,海森堡返回哥廷根。之後不久,他發展出量子力學的數學基礎。當海森堡向玻恩展示這個結果時,玻恩意識到其以矩陣的形式表述最為合適。物理學家將量子力學的此一表述稱為矩陣力學。海森堡的研究結果引起了英國物理學家保羅·狄拉克的注意。不久後,他也獨立發展出另一版本的量子力學表述。[71]狄拉克於1926年9月拜訪哥本哈根,並在那裏逗留了6個月。波耳偏好定性地論述,而狄拉克注重以方程式來論述。因此在學術方面,波耳並沒有對狄拉克產生甚麼影響。同年,奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格嘗試利用古典方式來詮釋量子力學,他找到描述微觀粒子物理行為的波動方程式,即著名的薛丁格方程式,並由此發展出量子力學的另一種表述,波動力學。這一工作令波耳印象深刻。1926年,他邀請薛丁格來哥本哈根的丹麥物理協會演講。波耳親自到火車站迎接薛丁格。在哥本哈根期間,波耳與薛丁格熱烈地討論量子力學的各種論題,特別是在詮釋方面的論題。波耳不能接受薛丁格以古典方式詮釋量子力學的嘗試,而薛丁格也不能接受量子跳躍與玻恩的統計詮釋。儘管如此,波耳認為這種數學形式「清晰而簡潔,與之前出現的量子力學表述形式相比,有了巨大進步」。[72]

波耳與愛因斯坦在討論問題(厄倫菲斯特攝於在萊頓的家中)

克拉默1926年離開研究所,擔任烏得勒支大學的理論物理學教授。波耳邀請海森堡回來接替克拉默位置。[73]海森堡1926年至1927年擔任哥本哈根大學講師以及波耳的助理。波耳時常會在晚上八九點鐘時跑到海森堡的房間談論問題,一直談到三更半夜才罷休。有時,海森堡還會幫忙聽寫波耳口述的論文或書信。[74]

愛因斯坦曾於1909年提出,在描述光的物理行為時,必須將其波動性與粒子性都納入考量。1923年,路易·德布羅意假定物質粒子也都具有波粒二象性,即具有波動和粒子的雙重性質。這一論述後來稱為德布羅意假說。1927年,戴維森-革末實驗證實了德布羅意假說。這一系列重要發展促使波耳與海森堡聚焦研究波粒二象性,可是,由於其極具難度,儘管絞盡腦汁研究探索,他們仍舊無法找到正確解答。[75]1927年2月,波耳在挪威療養時構想出了互補原理[76]。這一原理闡明,基於不同的實驗框架,事物會表現出像波粒二象性這樣明顯對立的雙重性質[77]。在同一段時期,海森堡也發展出不確定性原理。那年秋天,海森堡升遷為萊比錫大學的教授。從4月份開始,延續了一整個暑期,奧斯卡·克萊因負責聽寫波耳口述與修改關於互補原理的論文。同年9月,在義大利科莫召開的伏打會議英語Volta Conference中,波耳首次提出互補原理。[78]量子力學的新概念所衍生的哲學問題引起了廣泛的爭論。儘管為量子力學貢獻良多,愛因斯坦對於這些新概念還是提出了諸多批評。互補原理也不在例外。愛因斯坦與波耳後來就這些問題進行了曠日持久的論爭,直到愛因斯坦去世。[79]

嘉士伯釀酒廠的繼承人卡爾·雅各布森英語Carl Jacobsen於1914年將他的宅邸捐出,用作對科學、文學或是藝術做出最為傑出的貢獻的丹麥人的榮譽居所(丹麥語:Æresbolig)。哈拉爾德·許夫定是第一位住戶,並一直居住至1931年7月其去世。隨後,丹麥皇家科學院決定讓波耳住入。1932年,他們一家搬到了那裡。[80]1939年3月17日,波耳當選丹麥皇家科學院院長[81]

查爾斯‧艾里斯英語Charles Ellis從1927年完成的β衰變實驗中獲得了總結性結果:從β衰變釋出的電子所擁有的能量呈連續性分布。兩年後,波耳在寫給拉爾夫·福勒的信中表示,由於能量守恆定律源自於古典物理,因此可能不適用於量子理論,所以他建議放棄能量守恆定律。但1930年由包立提出的微中子假說以及1932年由詹姆斯·查兌克發現的中子給出了另外一種可能解釋。後來,恩里科·費米提出的費米理論英語Fermi's interaction對於整個β衰變的物理機制給出解釋:中子衰變為質子、電子與微中子。自此,波耳不再堅持β衰變違反能量守恆。但微中子非常難以探測。直到五十年代中期,克萊德·科溫弗雷德里克·萊因斯才從核反應爐的產物觀測到它的蹤跡。[82]

從在曼徹斯特做博士後研究放射現象的時期開始,波耳就對核子物理學情有獨鍾。1936年,在論文《中子俘獲與核子構造》裏,他提出複合核假說來解釋原子核是如何俘獲中子。之後數年,他與才華橫溢的助手弗里茨·凱爾卡爾(丹麥語Fritz Kalckar)合作對這模型進一步研究。他們認為,原子核的物理行為與液滴類似[d]:液滴的表面波與體波可以用來描述原子核的集體運動,而複合核的分解可以用分子從液滴表面蒸發來解釋。但很可惜的是,凱爾卡爾在1938年因腦出血猝然逝去,年僅28歲。波耳感到非常痛心。[84][85]

奧托·哈恩在1938年12月發現的核分裂現象。幾天後,莉澤·邁特納與侄子奧托·弗里施對於這現象給出理論解釋並進行了實驗驗證。這一發現引起了眾多物理學家濃厚的興趣。弗里施將這結果告訴波耳,尋求他的意見。波耳聽到這個結果後表示同意,並且很驚奇為什麼自己先前沒有想到這結果。隔年1月,在第五屆華盛頓理論物理學會議的開場演講之時,波耳與費米共同發布了這消息,將這消息帶到美國。[86][87]過了幾天,波耳與朋友在普林斯頓大學吃早餐時,遇到喬治·普拉切克英語George Placzek並向他說所有有關鈾後元素懸而未決的問題都已有解答。普拉切克回應,還有一個問題尚未解決:實驗顯示,元素的中子俘獲在25eV出現共振,但是其核分裂在25eV並未出現共振,而是在10eV出現共振。波耳一時無言以對,他立刻決定返回研究室仔細研究這問題。在幾分鐘路程中,他深深地思考這問題。抵達研究室後,他告訴普列切克,萊昂·羅森菲爾德約翰·惠勒,他已經知道為什麼了。[88][e]波耳和惠勒提出了一種理論處理方法,並於同年發表在論文《核分裂的機制》中[90]。翌年,約翰·鄧寧通過實驗證實了波耳關於鈾元素和分裂的說法[86]

第二次世界大戰[編輯]

隨著納粹主義的崛起,很多學者或因其猶太出身或因與政府持不同政見而逃離了德國。1933年,洛克菲勒基金會專門劃撥出款項來援助這些流亡的學者。同年5月,波耳在造訪美國時與洛克菲勒基金會當時的主席馬克斯·邁森英語Max Mason討論了這個項目。波耳提供這些流亡學者臨時在他的研究所裡工作,給予他們資金援助,幫助他們獲得洛克菲勒基金會的資助,並最終幫助他們在世界各地的研究所找到工作。他曾經幫助過的學者包括圭多·貝克英語Guido Beck費利克斯·布洛赫詹姆斯·法蘭克喬治·德海韋西奧托·羅伯特·弗里施希爾德·利瓦伊莉澤·邁特納、喬治·普列切克、尤金·拉賓諾維奇英語Eugene Rabinowitch斯特凡·羅森塔爾英語Stefan Rozental、埃里希·恩斯特·施奈德、愛德華·泰勒阿瑟·馮·希佩爾英語Arthur R. von Hippel以及維克托·魏斯科普夫[91]

1940年4月,納粹德國占領了丹麥[92]。為了防止德國人發現馬克斯·馮·勞厄以及詹姆斯·法蘭克的諾貝爾金質獎章,波耳讓德海韋西將它們溶解在王水中,並存放在研究所的書架上直至二戰結束。戰後,諾貝爾基金會利用從中析出的黃金重新鑄造了兩枚獎章。波耳努力維持研究所的運營,但所有外籍學者此時都已經離開了。[93]

與海森堡的會面[編輯]

海森堡與波耳於1934年哥本哈根會議

波耳意識到了利用鈾-235製造原子彈的可能性,並在戰爭爆發不久後向英國與丹麥當局說明了這一點,但他當時並不相信以當時的技術能提純出足夠的鈾-235[94][95]。1941年9月,已成為德國核武器開發計劃首席科學家的海森堡拜訪了身處哥本哈根的波耳。在這次會面中,二人進行了一次私人談話。但談話的內容因來自各方大相逕庭的描述而引起後世諸多的猜測。[96]

在海森堡1957年寫給當時正在編著《比一千個太陽更耀眼:原子科學家們的個人史英語Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists》的羅伯特·容克的信中,他說當時拜訪哥本哈根的用意是想告訴波耳一些德國科學家有關原子彈的看法:只有在耗費巨大資源的前提下,才有可能製造出原子彈。在那時,德國科學家高估了需要耗費的資源,這使得雙方的科學家成為影響未來原子彈發展的決定性因素,因為他們可以讓納粹政府知道原子彈可能來不及用在戰場。[97]然而,當海森堡透露這看法給波耳知道時,波耳感到無比震驚,波耳以為海森堡想要將德國在製造原子彈上獲得重大成果的資訊傳達給他。很可惜的是,海森堡無法澄清這誤解,他不能更直白地說出他心裡的話,因為納粹政府很可能會監聽到這些話,並且未來用為迫害他的不利證據,而波耳已不再能夠信任他.波耳懷疑他不是不誠實,就是被納粹政府利用了。很明顯地,這次會談並未達成海森堡的目的,海森堡很不滿意這次會談的果效。[98][99]

當波耳讀到這本書的丹麥語譯本中的相關章節後,他起草一封致海森堡的信。在信裡,他讓海森堡知道,海森堡對於那次會談的記憶有誤,他又作出解釋,在會談時為什麼對海森堡的德國能獲得戰爭勝利以及德國能發展出原子武器的看法保持沉默是金的態度,這是因為他們應被視為在一場戰爭中的對立雙方代表,海森堡可能是過度緊張,因此把他的沉默誤認為震驚,如果他曾經表現出任何震驚的行為,那可能是因為他聽到有關德國正在參與一場原子武器競賽的消息,而並不是因為海森堡表示原子彈是可以被製成的。這封信並沒有寄出。[98][99]

麥可·弗萊恩在他1998年寫的戲劇《哥本哈根》中探尋了海森堡與波耳1941年的會面中可能發生了什麼[100]。2002年,由英國廣播公司製作的該劇的電視電影版英語Copenhagen_(2002_film)9月26日首次登上螢屏。[101]

曼哈頓計劃[編輯]

1943年9月,波耳和他的弟弟哈拉爾德得到消息。由於他們的母親埃倫·阿德勒·波耳曾是猶太人,納粹將他們一家認定為猶太人。他們因此面臨被逮捕的危險。9月29日,丹麥抵抗組織幫助波耳和他的妻子經海路逃至瑞典。[102][103]次日,波耳力勸瑞典國王古斯塔夫五世公開瑞典為猶太流亡者提供政治避難的政策。1943年10月2日,瑞典政府通過廣播宣布已經準備好提供政治避難。隨後,丹麥國民開始自發進行大規模的丹麥猶太人拯救運動英語rescue of the Danish Jews。一些歷史學家認為波耳的行動是大規模拯救運動的直接誘因,而另外一些歷史學家則認為波耳儘管已為丹麥猶太人做了他所能做的一切,但他的行為並非這大規模行動的決定性原因。[103][104][105][106]最終,七千餘名丹麥猶太人逃到了瑞典[107]

當波耳出逃的消息傳到英國後,徹韋爾子爵向他發了份電報邀請他來英國[108]。波耳乘英國海外航空所屬的一架德哈維蘭蚊式轟炸機10月6日抵達蘇格蘭。為了用於裝載珍貴物資或是重要乘客,這種不帶武裝的高速轟炸機被改造為小型運輸機,由於飛行速度較快以及飛行高度較高,儘管當時挪威已被德國占領,它能夠穿過挪威上空而不被德國戰鬥機騷擾。在飛機的炸彈艙置放了一個褥墊,波耳躺在褥墊上度過了3個小時的飛行航程。[109]在飛行途中,由於飛行帽尺寸不合適,波耳沒有把飛行帽帶上,因此沒有聽到飛行員指示把氧氣面罩帶上,這導致了飛機在飛經挪威上空時,由於爬升至較高的飛行高度,波耳因高空缺氧而暈了過去。飛機飛到北海上空後,由於飛行高度略微下降,他才醒過來。[110][111][112]波耳的兒子奧格一周後乘另一個航班抵達英國,並成為他的個人助理[113][114]

波耳受到了詹姆斯·查兌克以及韋弗利子爵的熱情接待,但出於安全因素考量,波耳並沒有出現在公眾視野里。他被安排住在聖詹姆斯宮的一個公寓裡。[115]並與合金管工程團隊共事。波耳驚訝於當時核武器的發展進度。[113][114]查兌克安排波耳以合金管工程顧問的身份訪問美國,奧格擔任他的助手[116]。1943年12月8日,波耳到達華盛頓。在那裡,他與主持曼哈頓計劃萊斯利·格羅夫斯中將進行了會面。隨後他又拜訪了當時身處普林斯頓高等研究院的愛因斯坦與包立,並前往當時正負責核武器研發的洛斯阿拉莫斯國家實驗室[117]出於安全因素考量,官方為波耳父子取了化名。波耳的化名為尼古拉斯·貝克,他的兒子奧格的化名為詹姆斯·貝克。[118]

波耳並沒有留在洛斯阿拉莫斯。但在之後兩年,他又多次訪問那裡。羅伯特·歐本海默稱波耳「對於那些年輕人來說就像是科學事業上的父親一樣」。這些年輕人中就包括物理學家理察·費曼[119]波耳曾說:「他們在製作原子彈這件事上並不需要我的幫助。」[120]但歐本海默認為波耳在調製中子起爆器英語modulated neutron initiator的研製上做出了重要的貢獻。歐本海默說:「這個裝置一直是個難題。但1945年2月經波耳說明後,一切就變得十分清楚了。」[119]

波耳很早就意識到核武器會改變國際關係格局。1944年4月,他收到了彼得·卡皮察的來信。這封信是在波耳還在瑞典時寫的。信中卡皮察邀請波耳到蘇聯來,並告知波耳蘇聯已經意識到了英美的核計劃併力爭趕上兩國的進度。波耳在給卡皮查的回信中不置可否,並在寄出前交給英國當局審閱。[121]1944年5月16日,波耳面見溫斯頓·邱吉爾,卻發現與他意見迥異[122]。邱吉爾並不贊同將核計劃向蘇聯公開的想法。他在一封信中寫道:「波耳的活動應該受到限制,否則他很快就要到道德犯罪的邊緣了。」[123][124]

歐本海默建議波耳面見富蘭克林·羅斯福總統,說服他與蘇聯共享曼哈頓計劃以加快研發進度。波耳的朋友,時任美國最高法院大法官的費利克斯·法蘭克福特將波耳的意見告知總統。羅斯福1944年8月26日會見了波耳,並建議他回英國,嘗試去說服英國當局。[125][126]當邱吉爾和羅斯福1944年9月19日在海德公園會面時,決定不將核計劃公之於眾。而在他們談話的備忘錄中,還附加了這樣的條款:「應該對波耳教授的行動加以關注,並確保他能承擔不泄密的責任,特別是對俄國人。」[127]

1950年6月,波耳在寫給聯合國的一封公開信中呼籲國際社會就和平利用核能進行合作[128][129][130][131]。1950年代,在蘇聯進行第一次核試驗後,在國際原子能機構所採納的防止核武器擴散措施中可以找到波耳的一些點子[132]。1957年,波耳獲得了首次頒發的原子和平獎英語Atoms for Peace Award[133]

晚年[編輯]

尼爾斯·波耳的紋章

隨著第二次世界大戰告終,波耳在1945年8月25日回到了哥本哈根,並於9月21日重新當選為丹麥皇家科學院院長[134]。1947年10月17日,在克里斯蒂安十世的追悼儀式上,國王弗雷德里克九世宣布授予波耳大象勳章英語Order of the Elephant。通常只有王室成員和國家元首能獲此殊榮。國王說這一榮譽不僅僅只是授予波耳個人,更是授予整個丹麥科學界。[135][136]波耳設計了自己的紋章。紋章中附有太極圖以及格言「對立即互補」(拉丁語contraria sunt complementa)。[137][136]

在第二次世界大戰之後,各國政府發現,自然科學亟需大量的財力和物力的支持,特別是在物理領域。為避免人才進一步外流到美國,歐洲核子研究組織(簡稱CERN)被迅速組建發展,這是一所高能量實驗室,專注於對於物質的最小組分與他們所感受到的基礎力做理論與實驗研究。為了趕上其它國家的物理水準,並且發現新物理現象,CERN必須承擔更為龐大的大科學項目,即建造能量更高的新一代粒子加速器。在選址方面。波耳和克拉默認為位於哥本哈根的研究所會是一個理想的場所。但主持前期討論的皮埃爾·奧格英語Pierre Auger並不同意。他認為波耳的研究所已經不再是最一流的研究所了,而且波耳的存在會掩過其他的科學家。經過長期的爭論後,波耳在1952年二月表示願意向CERN提供援助。同年十月,CERN的地址被選定在日內瓦。在當地的研究設施就緒前,CERN的研究機構一直在哥本哈根作業至1957年。[138]後來就任CERN主任的維克托·魏斯科普夫說:「也許有其他人來構想和創建CERN。但如果沒有一個人的支持,其他人的熱情和才智都是遠遠不夠的。」[139][140]

1957年,斯堪地那維亞國家成立了北歐理論物理研究所英語Nordic Institute for Theoretical Physics,由波耳擔任其主任。1956年2月,波耳還參與了丹麥原子能委員會裡瑟研究部英語Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy的創建,並出任了其首任主任。[141]

波耳1962年因心臟衰竭在他的家中去世[142]。他的遺體被火化。他的骨灰與他父母、弟弟以及長子克里斯蒂安的骨灰一起安葬在位於哥本哈根阿西斯滕斯公墓英語Assistens Cemetery (Copenhagen)的家族墓地中。多年後,他妻子的骨灰也被安葬在那裡。[143]1965年10月7日,波耳冥誕80周年之際,理論物理研究所正式更名為尼爾斯·波耳研究所[144][145]

所獲榮譽[編輯]

波耳一生獲得榮譽無數。除了諾貝爾獎之外,他還獲得了休斯獎章(1921年)、馬泰烏奇獎章(1923年)[146]富蘭克林獎章(1926年)[147]科普利獎章(1938年)、大象勳章(1947年)、原子和平獎(1957年)以及桑寧獎英語Sonning Prize(1961年)[146]。1923年,他成為荷蘭皇家科學院的外籍院士[148]。1963年,丹麥舉行了波耳模型發表五十周年的紀念活動並發行了紀念郵票。郵票中繪有波耳的肖像以及氫原子能階差公式:。其他一些國家也發行了波耳的紀念郵票。[149]1997年,丹麥國家銀行發行了繪有波耳肖像的500丹麥克朗紙鈔英語Banknotes of Denmark, 1997 series[150]小行星3948[151]以及月球上的一個環形山[146]是以他的名字命名的。107號元素𨨏也是以他的名字命名的[152]

著述[編輯]

參見[編輯]

腳註[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ 丹麥語人名Bohr在現代人名翻譯中譯作「博爾」,但在指該物理學家時約定俗成譯作「波耳」。
  2. ^ 當電子自高能軌道躍遷到低能軌道時,BKS理論假定會涉及到兩種不同形式的能量,一是能量量子被釋出,二是電磁場的能量會呈連續性的改變。這兩種能量,一種是非連續性的,另一種是連續性的,怎樣能夠共同遵守能量守恆?BKS理論認為,單獨基礎事件不需遵守能量守恆,但是多個基礎事件必須統計性地遵守能量守恆,即不能違背平均能量守恆[63]
  3. ^ 在電子的靜止參考系,電子會感受到轉動中的電場,因此按照相對論,它也會感受到磁場的存在。[67]
  4. ^ 波耳的複合核模型可以視為喬治·伽莫夫於1930年提出的液滴模型的延伸。[83]
  5. ^ 對於慢中子(動能為≈25eV的中子屬慢中子)碰撞,高豐度的鈾-238會俘獲中子,但不會發生核分裂,只有稀有的鈾-235才會俘獲中子與發生核分裂;因此,通過使用石蠟降低中子能量,使其能量低於鈾-238俘獲中子的共振能級(25eV附近區域﹚,才可從自然鈾中觀測得到慢中子引發的核分裂。[89]

引注[編輯]

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參考文獻[編輯]

書籍[編輯]

會議論文[編輯]

期刊雜誌[編輯]

新聞[編輯]

網絡[編輯]

影像資料[編輯]

外部連結[編輯]