人文科普:大名鼎鼎的諾貝爾獎,怎么頒給了足球運(yùn)動員?
發(fā)布時間:2022-03-22
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“我之所以能取得一些成績(并獲得今年的諾貝爾物理學(xué)獎),是因?yàn)槟鞒隽说旎缘呢暙I(xiàn)。因此,您能在我之前獲得諾貝爾獎,真是莫大的幸福?!?/p>

1922年11月的一天,丹麥哥本哈根大學(xué)理論物理研究所三樓辦公室里,丹麥皇家科學(xué)院院士、哥本哈根學(xué)派掌門人尼爾斯·亨利克·大衛(wèi)·玻爾放下咖啡,掏出鋼筆吸飽了墨水,鋪開信紙鄭重地寫下這段文字,再讓助手加急寄給遠(yuǎn)在日本的愛因斯坦。

自兩年前相識以來,他們既唇槍舌劍、辯論不休,又相互尊重、惺惺相惜,亦敵亦友,傳為科壇佳話。

玻爾得知自己被諾貝爾獎委員會提名的消息后,心中惴惴不安。因?yàn)樗X得雖然自己和普朗克、愛因斯坦都在量子論上做出了貢獻(xiàn),但愛因斯坦把他們的研究結(jié)合在一起,理應(yīng)在自己之前獲獎。

還好,諾貝爾獎委員會同時公布:愛因斯坦和玻爾分別獲1921、1922年諾貝爾物理學(xué)獎。如釋重負(fù)的他便給愛因斯坦寫了上面這封短信。

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玻爾和愛因斯坦在索爾維會議上 來源:環(huán)球世界網(wǎng)

其實(shí),玻爾短信中的“一些成績”純屬謙虛之辭。喜歡踢球的他沿著前輩研究量子力學(xué)的步伐,提出了電子能階原子結(jié)構(gòu)模型理論,解決了原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題,標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)大廈構(gòu)造基本完成。他也因此被稱為量子物理的“教父”。

01

足球場上鉆物理

1903年夏,18歲的玻爾以優(yōu)異的成績考入丹麥哥本哈根大學(xué)自然科學(xué)系,專修物理。

他有兩大喜好:一是鉆研物理,據(jù)說大一時就自修完大三上半期的物理課程;二是喜歡踢足球,入學(xué)不到半年就成為校足球俱樂部的守門員。

足球比賽時,他常常帶幾支粉筆:當(dāng)球在對方半場時,他就用粉筆在球門框上演算物理公式;當(dāng)球進(jìn)入己方半場時,他立馬丟掉粉筆守門。大學(xué)快畢業(yè)時他入選國家足球隊(duì),參加過不少比賽。

若干年后,玻爾投身原子物理研究領(lǐng)域,把踢球當(dāng)作休息或工作的調(diào)劑,并抽時間參加國家隊(duì)的訓(xùn)練或比賽,成為科壇上著名的“科學(xué)家球星”。

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青年物理學(xué)家玻爾 圖片來源:物理雙月刊網(wǎng)

大四時,玻爾在本校嶄露頭角。憑著一篇關(guān)于液體表面張力的論文,他獲得丹麥科學(xué)院頒發(fā)的金質(zhì)獎?wù)?。此文后來成為研究原子物理的重要線索。

1911年,獲得博士學(xué)位的玻爾前往前往英國進(jìn)修。他先到劍橋大學(xué)湯姆生主持的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí),半年后趕往曼徹斯特,加入物理巨擘厄內(nèi)斯特·盧瑟福的科研團(tuán)隊(duì),自此成為盧瑟福的得意門生。

玻爾對這位恩師推崇備至,給自己最小的兒子取名叫厄內(nèi)斯特·玻爾(中西文化不同,中國人很忌諱與前輩的名字相同)。

玻爾對盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)行星模型頗感興趣。當(dāng)時,很多科學(xué)家都致力于原子結(jié)構(gòu)的研究,其中以盧瑟福的行星模型最受歡迎。

此理論認(rèn)為,原子內(nèi)部就像一個太陽系,原子核就像太陽,電子就像行星,圍繞著原子核不停地轉(zhuǎn)動,電子運(yùn)行軌道會發(fā)生變化。

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原子模型的演變過程 圖片來源:物理雙月刊網(wǎng)

這個理論有一個明顯的問題,就是根據(jù)已知理論推斷,電子進(jìn)行電磁輻射后,會因能量損失而導(dǎo)致軌道變小,最終坍塌進(jìn)原子核里,而非圍繞原子核一直轉(zhuǎn)動。

問題到底出現(xiàn)在哪里呢?玻爾決定為恩師的理論找到合理的解釋。

02

“二月轉(zhuǎn)變”出新論

找到合理解釋并非易事。實(shí)驗(yàn)肯定不行,原子構(gòu)造太過微觀,觀察不到,很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最好的辦法就是先建立合理的理論,再用物理公式去驗(yàn)證理論。

理論研究要選合適的物質(zhì),所有物質(zhì)中,結(jié)構(gòu)最簡單的莫過于氫?!熬脱芯繗湓踊蝾悮湓拥臉?gòu)造?!北е@樣的念頭,玻爾投入到新一輪研究中。

1912年,回到丹麥哥本哈根的玻爾雖然全力研究氫原子的結(jié)構(gòu),但進(jìn)展一直不大。

次年2月,同事漢森登門拜訪時,提到數(shù)學(xué)家巴爾末關(guān)于譜線波長的經(jīng)驗(yàn)公式時,玻爾腦中靈光一現(xiàn):既然行星因萬有引力沿固定軌道圍繞太陽轉(zhuǎn),那電子豈不是也因特殊之力沿特定的軌道圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)呢?

要證明這個論點(diǎn),只需列出類似巴爾末經(jīng)驗(yàn)公式的東西,再導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可。通過偶然談話找到研究方向,并很快取得成果,這就是玻爾人生的“二月轉(zhuǎn)變”。

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數(shù)學(xué)家巴爾末 來源:物理世界網(wǎng)

不久,玻爾提出一個全新的原子結(jié)構(gòu)理論:氫原子核里的電子通常沿特定距離的軌道進(jìn)行轉(zhuǎn)動,不釋放電磁波,這些軌道叫能階;電子在能階間跳躍時就會釋放電磁波,最終因能量損失坍塌進(jìn)原電子核里。為了便于公式計(jì)算,他大膽地把這些能階進(jìn)行“量子化”。

很快,他列出了以氫原子為例的能級公式和軌道半徑公式(見圖)。

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經(jīng)過無數(shù)次的精密計(jì)算,玻爾確定自己提出的原子結(jié)構(gòu)是合理的。

1913年7-9月,在盧瑟福的推薦下,玻爾關(guān)于原子模型的長篇論文《論原子和分子的結(jié)構(gòu)》分三期在倫敦皇家學(xué)會《哲學(xué)雜志》發(fā)表,文中成功解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),并正式提出電子能階原子模型(后人稱為“玻爾模型”)。

這篇論文即著名的玻爾模型“三部曲”。

量子理論發(fā)展史上,玻爾模型的提出具有里程碑意義。以前,普朗克和愛因斯坦用量子化的概念解釋了黑體輻射,盧瑟福的行星模型只是對原子結(jié)構(gòu)的推論,沒有解釋。

玻爾模型讓人們進(jìn)一步認(rèn)識到量子的巨大力量,量子理論也因此進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。

03

舉國同慶獲大獎

話說玻爾完成那篇關(guān)于原子結(jié)構(gòu)模型的重要論文后,名氣越來越大,先后被曼徹斯特大學(xué)、哥本哈根大學(xué)等院校聘為教授,并于1917年當(dāng)選為丹麥皇家科學(xué)院院士。

他一刻也沒閑著,1920年9月在丹麥籌建了哥本哈根理論物理研究所(后人稱為“波爾研究所”)。

此所當(dāng)時主要研究量子力學(xué)等,吸引了海森堡、泡利、朗道、赫韋希等杰出的物理學(xué)家。自由、平等的學(xué)術(shù)氛圍下,哥本哈根學(xué)派誕生,對物理界產(chǎn)生了重要影響。

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哥本哈根理論物理研究所 來源:物理世界網(wǎng)

鑒于玻爾在原子模型、量子理論研究及物理學(xué)推廣等方面的重要貢獻(xiàn),諾貝爾獎委員會決定授予他1922年度諾貝爾物理學(xué)獎。

消息傳到丹麥,全國人民都感到震驚:原來我們國家不止產(chǎn)牛肉和小麥,還產(chǎn)獲諾貝爾獎的大科學(xué)家。

辦公室里,同事們?yōu)椴枩?zhǔn)備了蛋糕和香檳,有人甚至拉起歡快的小提琴曲;回家路上,大家都向他打招呼問好,路邊冰激淋店的老大爺還免費(fèi)送上熱飲;推開家門,孩子們獻(xiàn)上熱吻,妻子準(zhǔn)備了一桌佳肴……

接下幾天,各地的祝賀電報(bào)如雪片般飛了過來,其中包括恩師盧瑟福的誠摯祝福。玻爾愛好踢球的事兒被重新提起,丹麥報(bào)紙媒體普遍采用這樣的標(biāo)題:《授予著名足球運(yùn)動員尼爾斯?fàn)枴げ栔Z貝爾獎》。

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玻爾獲獎的報(bào)道 圖片來源:物理雙月刊網(wǎng)

榮譽(yù)面前,玻爾依舊保持清醒的頭腦。

他給愛因斯坦寫信表示對方應(yīng)該比自己先獲諾貝爾獎之后,便只身來到瑞典斯德哥爾摩,參加諾貝爾獎頒獎會。

會上他做了一場精彩的主題演講。演講最后他公布了一個好消息:已正式確認(rèn)元素表上的72號元素。當(dāng)時很多科學(xué)家都試圖找出這個元素,卻一直沒有結(jié)果。

這是玻爾給諾貝爾獎委員會,也是物理學(xué)界最好的回饋禮物!

END



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