国家级运动员
世界级物理学家
上次超模君介绍海森堡的时候(传送门),说了波尔正在赶来的路上,今天终于是赶到了。。。
尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr,1885~1962)
足球?物理?
1885年,玻尔生于丹麦的哥本哈根,父亲是哥本哈根大学的生理学教授,母亲出身于一个富有的犹太人家庭,波尔还有一个弟弟(后来成为了剑桥大学的数学教授)。
父亲为两个儿子的教育可谓是操碎了心 ,他经常约一大堆朋友来到家里,一起讨论关于科学、哲学、文化甚至是政治的一些有趣的问题,希望在这样的熏陶下,儿子们能从小就热爱自然科学。除此之外,父亲也十分重视儿子的体质,培养他们的体育兴趣。
从童年时代开始,波尔就是一个优等生 ,做事专心,成绩一直名列前茅,特别是数学和物理。
同时,波尔爱好足球、兵兵球、帆船和滑雪等,他和弟弟从少年时代就成为了著名足球运动员,后来还打进了国家队,两兄弟(一个主力门将,一个主力前锋)称霸丹麦足坛 。
1908年,波尔兄弟作为丹麦国家代表队去参加了伦敦奥运会,不过,非常遗憾的是,哥哥波尔只能作为后补,没有上场。而弟弟作为主力前锋,为丹麦夺得了足球银牌 。
至于波尔为什么被列为后补,估计是因为他之前参加的一场战特维达队的比赛中不够专心,德国人外围远射时,波尔却倚在门柱边思考数学题,赛后,人们发现,这个门柱被写满了各种公式。。。
波尔除了学习成绩好,体育好,动手能力也是极强的。
父亲为了培养波尔的动手能力,为他购置了车床和工具。波尔很快就熟练地掌握了金工技术,并且会动手修理一切损坏了的东西,比如家里的钟表或自行车。
1903年,波尔中学毕业,以优异的成绩考入哥本哈根大学数学和自然科学系,专攻物理 。
其实,后来成为享誉世界的物理学家的波尔常常调侃 说:后悔放弃足球而选择入了物理这个坑。
刚开始,波尔沉迷实验,总是待在学校实验室做实验。后来,丹麦皇家科学院举办了一次优秀论文竞赛,波尔以有关水的表面张力的论文获得金奖以及一笔助学金,也正是有了这笔奖学金,波尔后来才有机会去到剑桥大学的卡文迪许实验室 深造。
卡文迪许实验室创建人麦克斯韦(传送门)
1911年,波尔获得哥本哈根大学哲学博士学位,随后便去到英国剑桥,跟着当时最有权威的物理学家汤姆逊(Thomson,Joseph John)学习。
汤姆逊
就像很多的天才一样,波尔与汤姆逊的第一次见面就直言不畏 ,指出了汤姆逊的一篇论文的错误之处。按照惯例,应该是如下剧情:
然而,汤姆逊表示有点介意 波尔如此年少轻狂,因此并没有重视对波尔的指导。
波尔也觉得他跟汤姆逊谈不来,便转而去到了曼彻斯特大学的卢瑟福实验室,从此与卢瑟福结下了深厚的友谊。
桃李满天下的卢瑟福(Ernest Rutherford)
虽然波尔仅仅在卢瑟福实验室工作了4个多月,但是收获却是巨大的,不仅结识了一大群青年才俊(盖革、马考瓦、马斯登、埃万斯、拉歇尔、法扬斯、莫寒莱、海鸟希、查兑克 、达尔文等),还了解到当时实验室研究的最前沿的问题,更重要的是卢瑟福的个人魅力、治学方式让波尔为之折服。
1912年9月,波尔回到哥本哈根大学担任编外副教授,开始他的教学生涯。
波尔的教学风格深受卢瑟福的影响,无论是多难理解的问题,他都会十分有耐心地给学生讲清楚,并且还会将内容讲得十分有趣。
与此同时,波尔开始研究原子辐射问题,并于1913年发表了具有划时代意义的长篇论文——《论原子和分子的结构》 ,提出了量子不连续性,成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质,构建了原子结构的玻尔模型。这篇论文由卢瑟福推荐在伦敦皇家学会的《哲学杂志》分三部分发表,人称“波尔三部曲 ”。
波尔的声望越来越高,1914年波尔应邀去到曼彻斯特大学任副教授,而到1916年,波尔正式成为哥本哈根大学物理学教授,接着在1917年,又被评选为丹麦皇家科学院院士。
1918年,卢瑟福专门设置了一个哲学博士职务,想要邀请波尔来担任,不过,波尔正在为发展丹麦的物理学研究而努力,计划筹建哥本哈根理论物理研究所,便婉言拒绝了卢瑟福的邀请。
1920年9月,哥本哈根理论物理研究所(即波尔研究所)终于建成。这个研究所吸引了无数热爱物理的年轻人以及世界知名物理学家前往。
海森堡、克拉迈尔斯、狄拉克、泡利、赫韦希、哈尔特列、朗道、派耶尔斯等无数位杰出物理学家都曾来到这里进行学术研究。
在研究所里,波尔完全没有作为领导人的架子,不会对学生们进行干涉,任由他们发挥。在这样平等、自由、团结的学术研究氛围下,很多物理学最深奥的问题都得以解决,就这样慢慢形成了“哥本哈根学派 ”,哥本哈根大学也成为了世界主要科研中心。
而当别人问波尔是如何做到将这么多有才华的青年团结到一起的时候,波尔如此回答:“因为我不怕在年青人面前承认自己知识的不足,不怕承认自己是傻瓜。 ”
1922年,波尔因对研究原子的结构和原子的辐射所做得重大贡献而获得诺贝尔物理学奖。
而当时丹麦报纸普遍采用的标题是这样的:《著名足球运动员尼尔斯·玻尔被授予诺贝尔奖》 。
波爱之争
波尔与爱因斯坦相识于1920年的柏林,初次见面,相安无事。
从此以后,他们两个便围绕关于量子力学理论基础的解释问题开始了终身论战 ,只要一见面,就会唇枪舌剑,辩论不已。而“波爱之争”的主要战场就是在索尔维会议上,其中十分重要的三个回合分别是在1927 年、1930 年以及1935年的索尔维会议上。
在1927年的第五届索尔维会议上,众星云集,可谓是前无古人后无来者的物理盛会。
爱因斯坦 举着相对论大旗,头顶光电效应的光环,玻尔 高举着他的“氢原子模型”,玻恩口口声声念叨着“概率”,德布罗意骑着他的“波”,康普顿西装上印着“效应”二字,狄拉克夹着一个“算符”,薛定谔挎着他的“方程”,身后还藏了一只不死不活的“猫”,布拉格手提“晶体结构”模型,海森伯和他的同窗好友泡利形影不离,两人分别握着“不确定原理”和“不相容原理”,埃伦费斯特也紧握他的“浸渐原理”大招牌,还有居里夫人“镭和钋”、洛伦兹的“变换”、普朗克的“常数”、朗之万的“原子论”、威耳逊的“云雾室”等等。
这次会议分成两派,一派是以爱因斯坦为首的理论物理学家(薛定谔、德布罗意等),一派是波尔掌门的哥本哈根学派(海森堡、泡利等),两边人数、实力旗鼓相当。
海森堡提出的不确定原理被认为是物理学的一个基本定律,而在这次索尔维会议上,波尔基于不确定原理作出了大胆的推论:粒子运动的轨迹是不确定的。
波尔认为在原子世界测量会影响到被测物体。“关键一点在于我们无法分清所看到的到底是原子本身的行为,还是原子与测量仪器之间的作用,在观察存在的伟大舞台上,我们既是观众,又是演员。”
波尔的这个推论就像一个重磅炸弹,完全颠覆了传统物理关于“实在”的认识,立即在物理界引起了轩然大波。
然而,爱因斯坦完全不认同海森堡的不确定原理,他认为一个完备的物理理论应该具有确定性、实在性和局域性。
于是,对于波尔的推论,爱因斯坦麻马上举了一个α 射线粒子的例子来反击:“很抱歉,我没有深入研究过量子力学,不过,我还是愿意谈谈一般性的看法。”
不过,很快,波尔就会想出了另一个例子来证明爱因斯坦所举的例子与他的推论并不矛盾。
在1930年的第六届索尔维会议上,爱因斯坦提出了著名的思想实验——光子盒 。在这个实验里,时间和能量可以做到同时准确测量,因此,不确定原理是不成立的。
波尔也不甘落后,在第二天就通过爱因斯坦自己的相对论证明了这一个思想实验是有缺陷的。
这时,尽管爱因斯坦有被波尔震惊到,但还是“嘴硬 ”,说:“量子论也许是自洽的,但却至少是不完备的!”
不过,用爱因斯坦的广义相对论回击了光子盒实验的波尔,心里也是不踏实的,因为他自知这是自己投机取巧所得到的推论,其中还有很多严格的概念需要澄清。波尔因此一直耿耿于怀,直到1962年去世,人们发现波尔实验室的黑板上还留着爱因斯坦光子盒的图。
波尔与爱因斯坦的长期论战并不妨碍他们建立深厚的友谊,他们会互相关心,互相尊重。
波尔曾为爱因斯坦迟迟不得诺贝尔奖而担忧,生怕自己在爱因斯坦之前获奖。因此,在1922年得知将1921年的诺贝尔物理学补颁给爱因斯坦,而自己获得1922年度的诺贝尔奖时,非常激动,便写信给爱因斯坦,谦虚地说:“我之所以能够取得这些成绩,是由于您做出的奠基性工作。”
爱因斯坦收到波尔的信之后,也非常开心,当即回了信:“我在日本启程之前不久收到了您热情的来信。我可以毫不夸张地说,它像诺贝尔奖一样,使我感到快乐。您担心在我之前获得这项奖金。您的这种担心我觉得特别可爱——它显示了玻尔的本色。”
对于这场发生在20世纪最伟大的两位物理学家身上的争论,众多物理学家都给予了高度的评价。
美国物理学家约翰·惠勒(John Archibald Wheeler)就曾这样说过:“没有矛盾和佯谬,就不可能有科学的进步。约丽斑驳的思想火花往往闪现在两个同时并存的矛盾的碰撞切磋之中。”
而当事人波尔认为这场争论是自己“许多新思想产生的源泉”。
爱因斯坦也对波尔给予了极高的评价:“作为一位科学思想家,玻尔所以有这么惊人的吸引力,在于他具有大胆和谨慎这两种品质的难得融合;很少有谁对隐秘的事物具有这一种直觉的理解力,同时又兼有这样强有力的批判能力。他不但具有关于细节的全部知识,而且还始终坚定地注视着基本原理。他无疑是我们时代科学领域中最伟大的发现者之一。 ”
爱因斯坦:上帝是不掷骰子的!
波尔:不用你告诉上帝该做什么。
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上个视频我们说了,原子结构的汤姆逊模型、长冈模型、卢瑟福模型,其中卢瑟福模型因为有实验的论证,所以最接近真理。
不过,卢瑟福的模型也遗留下了两个最重要的问题,第一个是原子的稳定性,第二个是核外电子的排布。
解决以上问题的人是:尼尔斯·波尔,他在量子论和量子力学的发展中起到了巨大的作用。
通读人类的科学史,尤其是近代科学史,你会发现为人类科学发展做出巨大贡献的人,绝大多数出自豪门,就算不豪,家庭条件也非常优越。
毕竟只有在吃饱穿暖的情况下,才有精力去思考自然哲学。像我们这样,为一日三餐奔波,被利益熏心的人,是无法静下心来思考学问的。
同样波尔也不例外,尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔,1885年7月10号出生于哥本哈根,他的父亲是哥本哈根大学的生理学教授,家里来的客人不是教授级别,就是皇家科学院院士,小时候的波尔常常在家里就能听到精彩绝伦的科学辩论。
波尔的母亲更是家世显赫,是名副其实的富二代,父亲是丹麦数一数二的人物,波尔的家里有三位女仆和一位保姆,整个童年波尔过的既舒适,又显贵,完全属于我们平常人够不到的上层社会。
1903年波尔考进哥本哈根大学,在大学期间他和弟弟哈罗德有个共同的爱好就是踢足球,不过他的弟弟比较厉害,参加过1908的奥运会,虽然在决赛中输给了英国,但这也算是相当不错的成绩。
1911年5月波尔拿到了博士学位,这时的爱因斯坦已经是布拉格日耳曼大学的全职教师,接下来摆在波尔面前有两条路,去德国的大学继续深造,这是绝大多数丹麦人的选择,他的父亲想让波尔去莱比锡大学,他的弟弟选择去歌根廷大学
而在波尔的心里,他觉得牛顿和麦克斯韦曾经待过的地方才算得上是“物理学的中心”,这是哪?英国的剑桥大学。
现在执掌英国剑桥大学物理学系的人正是我们前面提到过的约翰·汤姆逊。
汤姆逊出生于1856年,这时的汤姆逊已经不是当年那个,28岁就自告奋勇担任卡文迪许实验室主任的年轻小伙了,此时的汤姆逊已经是快60岁的人了。是电子的发现者,也是诺奖的获得者。
波尔心里很清楚他要见的是何许人也,所以一想到要跟汤姆逊见面波尔就头疼。1911年9月波尔来到剑桥,在见汤姆逊的时候,波尔手里紧紧地握着自己获得博士学位的论文。
博士论文是敲门砖,希望汤姆逊能抽出时间阅读自己的论文,并给出好评。可能是波尔想给汤姆逊留下好的印象,见汤姆逊的时候,还专门拿了一本汤姆逊写过的书,但是波尔用他那蹩脚的英语直接当着汤姆逊的面,说,你这书中有个方程不对,说就算了,还特意给汤姆逊指了出来。
这放给谁心里都会不舒服,不过还是出于礼貌,汤姆逊让波尔把论文放在桌子上,告诉波尔有时间会看他的论文,在波尔临走时还给波尔说,下星期天一起吃晚餐。
波尔高兴地走出办公室,心里觉得汤姆逊这人还不错,挺和气的,特意恶补了一段时间英语,想着下次见到汤姆逊的时候,能跟人家多交流交流。
令波尔没想到的是,这一去汤姆逊根本没有再联系他,波尔后来也总结了这次不完美的见面,他觉得汤姆逊可能嫌他的英语不好,或者是嫌他当面指出书中的错误,也可能是汤姆逊把他论文的事忘了,根本没有看。反正汤姆逊经常不看学生的论文是常有的事。
也许上天冥冥中自有安排,内心焦急的波尔在11月初去了曼彻斯特,拜访了父亲的一位学生,这位学生现在已经是曼彻斯特大学的生理学教授,在这期间波尔有幸见到了诺贝尔幼儿园园长:卢瑟福。
卢瑟福是曼彻斯特大学的物理系主任,刚刚在布鲁塞尔参加完第一届索尔维会议,卢瑟福十分喜欢波尔,波尔也觉得卢瑟福更加的平易近人,卢瑟福绘声绘色的给波尔讲了索尔维会议上讨论的物理学问题,以及物理学的前景和发展方向。
索尔维会议是比利时一位叫索尔维的实业家,出资举办的,这位老哥通过改进制碱法赚的是盆满钵满,腰缠万贯,有了钱以后就想起了年少时的梦想,他也想当个科学家。
可现在年过半百,穷得只剩下了钱,搞科学显然跟不上节奏,那怎样才能让自己在科学界留名,发钱颁奖已经被炸药大王诺贝尔搞了,自己搞个啥?正当索尔维有钱花不出的时候,遇见了德国物理学家能斯托;
能斯托觉得现在的物理学界被量子搞得乌烟瘴气,他自己倒是挺支持爱因斯坦的光量子,但是绝大部分的人不以为然,除了量子,还有原子辐射问题,也困扰着科学家。
那时科学家之间的交流只限于熟人之间的书信往来,所以能斯托觉得是时候把大家聚起来聊聊天,搞个世界性的科学大会。
能斯托把这个想法告诉了索尔维,两人一拍即合,索尔维告诉能斯托,科学圈你熟人多,你负责找人,剩下的事只要是钱能办到的你就不要管了。
索尔维包下了大都会饭店作为会议场所,环境奢华,服务周到,任何要求都予以满足,给每个前来参加会议的科学家都准备了大红包。
能斯托也很给力,把当时各国顶尖的科学家基本上都请到了,有卢瑟福、金斯、洛伦兹、普朗克、居里夫人、庞加莱、郎之万、维恩、索末菲、鲁本斯、爱因斯坦;这些人的名字我们非常熟悉,因为他们都是大佬级别的科学家。
其中作为会议秘书,记录各位大佬发言的一位年轻人叫莫里斯·德布罗意。这个年轻人很关键,后面的视频我们会提到。
这次大会举行的时间是1911年10月30号,只有短短的五天时间,大佬们除了讨论了普朗克的黑体辐射理论,爱因斯坦的比热量子理论,原子放射性等问题以外,还吃了一个大瓜。
在会议期间,居里夫人被宣布获得了诺贝尔化学奖,这是他第二次获奖,可惜这时人们关心的并不是她再次获奖,而是她和朗之万的绯闻。
在会议期间,朗之万那脾气暴躁的妻子趁着朗之万不在,撬了他的抽屉,把朗之万和居里夫人之间的书信全部公布在报纸上,顿时天下大乱,各大报纸头版头条,连娱乐小报、狗崽队也跟着疯狂了一把,甚至编出了两人要私奔的故事。
尤其是在民间骂居里夫人的话非常难听,就是我们平时能想到的那些话,国外也一样,当时的社会对女性非常不友好,极其不公。
这张图片是当时索尔维会议留下的,此时的居里夫人也许不是在思考问题,居里夫人作为一个女性,能扎根在全是男性的科学圈里,已经是顶着巨大的压力,这次事件对居里夫人的打击非常大,工作再累,再怎么危险,她从来没有退缩,但这次她倒下了,住院好几个月。好在是科学圈的人都认为这是在胡说八道,力挺居里夫人。
爱因斯坦就说,索尔维会议是他第一次见到居里夫人,她没有看出来居里夫人和朗之万之间有什么特殊的关系,这些报道都是胡说八道,他还调侃说,居里夫人长的还没有到哪种对任何人构成危险的程度。
我个人觉得爱因斯坦是在胡说,居里夫人比米列娃要漂亮得多,比他的堂姐艾尔莎也漂亮,要不就是爱因斯坦的审美有问题。这一点他的父亲绝对赞同。
再来说玻尔,他在听了卢瑟福的一番妙趣横生的讲解以后,内心的希望又重新燃了起来,他觉得卢瑟福很好,特别好。此时心里就萌生了一个想法。
但他还是回到了剑桥,对汤姆逊依旧抱有一丝希望,可是结果大失所望,依旧等不到汤姆逊翻他的牌子。到了12月份,卡文迪许实验室举行了一年一度的聚会,卢瑟福作为这个实验室走出的人也参加的晚宴。
在宴会上,玻尔再次看见了卢瑟福,又一次被这个人的性格和风度深深地吸引,玻尔这时认真地思考了他的想法,准备改旗易帜,不管你是剑桥还是汤姆逊,老子不干了,要去曼彻斯特找卢瑟福。
在获得剑桥方面的同意之后,1912年3月玻尔来到了曼彻斯特,开始在卢瑟福的手下学习原子理论,曾经帮助卢瑟福做α散射实验的盖革和马斯登现在成为了玻尔的教员。
卢瑟福这个人并不喜欢理论学家,他认为科学要拿实验证据说话,而不是两个肩膀顶个脑袋去空想,单纯地去摆弄各种数字游戏,可不知道为何他就是看上了玻尔,当人们问起的时候,卢瑟福就说:玻尔这孩子不一样,他不完全是个理论物理学家,他还是个足球运动员。
由于卢瑟福这种重实验,不允许无端猜测的思想,让玻尔在接下来的日子里与一个重大的理论发现失之交臂,痛失了一次诺贝尔化学奖,但玻尔并没有因此怨恨自己的老师,因为他很快找到了一个可以让他名垂青史的重大发现。
这是我们下个视频的内容。
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