波耳:主要是个哲学家 然后才是奠基量子力学的物理学家?

撰文: 01哲学团队
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今日是丹麦物理学家尼尔斯・波耳(Niels Bohr, 1885-1962)的生日,他是旧量子理论(old quantum theory)与后来量子力学(quantum mechanics)的奠基人之一。凭著对原子的结构及其辐射的研究,波耳于1922年荣获诺贝尔物理学奖。化学元素表上107号元素𬭛(Bohrium, Bh),就是为了纪念波耳而命名。

年青时的尼尔斯・波耳(Wikimedia Commons)

二十世纪初,在诸多科学家的努力下,科学再迈进了新的一大步。在量子力学方面,波耳的“波耳模型”为量子力学提供了很重要的基础。当康德哲学的时空观限制于第一至三维空间,科学界则已经推测与计算到第十一维度了。科学始终哲学息息相关,例如德勒兹(Gilles Deleuze)的奇点(singularity)概念,就跟数学和科学概念紧密连系。

量子物理学家海森堡(Werner Heisenberg)与波耳(Wikimedia Commons)

科学革新年代的天才

波耳早年已热衷于学习数理等学科。有趣的是,他读书时期习惯“改正”学校教科书上的谬误,可见他有超越跟他同龄学生的独立思考能力。这位早熟的天才投身物理学研究之时,正值科学界翻天覆地的革新年代:1897年(波耳十二岁之年),约瑟夫.汤姆森(J.J. Thompson)发现了电子(electron);1905年爱因斯坦于“奇迹一年”发表了四篇划时代的论文,研究范围包括光电效应、布朗运动、狭义相对论和质能代价等;同年,波耳以大学生的身分夺得丹麦皇家科学院主办的物理论文竞赛金牌,该比赛的题目是“测量液体表面张力(surface tension)的方法”。

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1911年,波耳跟随汤姆森在剑桥大学实验室做研究。就像他少年时改正教科书一样,波耳竟当面指出这位大教授著作的“谬误”,此后在实验室跟教授相处都不愉快。到了年底,波耳转而跟随另一位著名科学家拉塞福(Ernest Rutherford)的实验室工作。拉塞福在1908年因其放射化学研究夺得诺贝尔化学奖,翌年发现了原子核。但当时拉塞福提出的原子和电子的模型在物理学界却没有得到应得的回响。波耳却受到拉氏启发,在其博士论文中探讨电子在原子中的运行原理。

拉塞福的原子模型(资料图片)

波耳的原子模型

波耳毕生的研究改变了我们观看原子的方式。波耳在博士论文就提出经典物理学(classical physics)无法解释原子规模(atomic scale)的现象。后来他从马克斯.普朗克(Max Planck)和爱因斯坦的量子物理学中得到启示,并应用数学家约翰.巴耳末(Johann Balmer)提出的氢原子光谱波长的公式,重新解答了原子运作的难题。

简单而言,波耳提出的原子的运作原理,可粗略地比作一个微型的太阳系:如同行星围绕太阳系的轨道(orbit)运行那样,电子围绕原子核的特定轨域运行,并会释放一个特定频率的光子(photon)在固定的轨域之间跳跃。

波耳的原子模型(中央研究院)

齐克果的爱好者

或许让人颇意外的是,同为量子物理学家的海森堡(Werner Heisenberg),曾说波耳“主要是个哲学家,而不是物理学家”。事实上波耳非常喜欢丹麦哲学家齐克果(Søren Aabye Kierkegaard),更曾经将《生命道路的阶段》(Stages on Life's Way)送给弟弟作生日礼物,并说“这是我读过最赏心惬目的书之一”。然而,虽然波耳享受齐克果的文采与风格,但对于其哲学却有不同意的地方。某些波耳的传记作家认为是因齐克果信奉基督教,而波耳是无神论者。

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