哥本哈根学派

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丹麦物理学家哥本哈根学派性创始人波尔

丹麦物理学家,哥本哈根学派性创始人。1885年10月7

日生于哥本哈根,1903年入哥本哈根大学数学和自然科学

系,主修物理学。1907年以有关水的表面张力的论文获得丹

麦皇家科学文学院的金质奖章,并先后于1909年和1911年

分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕

士和哲学博士学位。随后去英国学习,先在剑桥J.J.汤姆逊

主持的卡文迪什实验室,几个月后转赴曼彻斯特,参加了以

E.卢瑟福为首的科学集体,从此和卢瑟福建立了长期的密切

关系。当时卢瑟福的有核原子模型刚刚确立,人们对于原子

内部的结构和运动还所知甚少,而无论是光谱学方面的少数

几条定律还是化学方面的元素周期表,也还都停留在经验规

律的水平上,还根本没有得到任何满意的理论解释。另一方

面,卢瑟福的有核原子模型却明显地和经典物理学不相容,

就是说,按照经典理论,卢瑟福模型将不会有物质原子所具

有的

那种稳定性。在这样的形势下,玻尔经一两个月的废寝忘食

的探索,初步创立了他自己的原子结构理论。他于1912年夏

回国,在母校任讲师,利用课余时间继续研究扩展自己的理

论。1913年,他以《论原子构造和分子构造》为题,先后分三

大部分发表了长篇论文,为20世纪原子物理学开辟了道路。

他在自己的理论中,采用了当时已有的量子概念,提出了几

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条基本的“公设”,提出了至今仍很重要的原子定态、量子

跃迁等概念;有力地冲击了经典理论,推动了量子力学的形

成。

玻尔的理论在解释氢原子光谱的频革规律方面取得了相当

圆满的结果,在说明星体光谱中某些线系的起源方面纠正了

流行的看法,他的定态概念得到了越来越确切的实验验证,

他的某些理论预见也得到了实验的证实,成就十分巨大。但

是,在开始时,这种理论还不能很好地说明其他元素的光谱,

而且根本无法说明任何一条光谱线的强度和偏振,而玻尔的

宏伟目标却从一开始就是要说明各种原子和分子的形形色

色的物理性质和化学性质,特别是说明显示这些性质的变化

情况的元素周期表,为了达到这样的目的,为了更深入地探

索经典理论和量子理论之间的关系,玻尔逐步发展并于1918

年初次阐述了他的理论。他认为,按照经典理论来描述的周

期性体系的运动和该体系的实际量子运动之间存在着一定

的对应关系;具体地说,体系的经典广义坐标傅里叶系数和

体系的跃迁几率之间存在着简单的对应关系。后来这一理论

被称为对应原理。这一原理在当时的发展水平上成了从经

典理论通向量子理论的桥梁,而且后来也形成了海森伯矩阵

力学的直接的前奏。玻尔的理论触发了大量的研究工作。

玻尔吸收了别人的研究成果,利用自己的对应原理,对各种

元素的光谱和X射线谱、光谱线的(正常)塞曼效应和斯塔克

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效应、原子中电子的分组和元素周期表,甚至还有分子的形

成,都提出了相对合理的理论诠释。由于这些辉煌的成绩,他

获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

1921年,在玻尔的倡议下成立了哥本哈根大学理论物理学研

究所。玻尔领导这一研究所先后达40年之久。这一研究所

培养了大量的杰出物理学家,在量子力学的兴起时期曾经成

为全世界最重要、最活跃的学术中心,而且至今仍有很高的

国际地位。

当量子力学的数学表达形式在1924一1926年间基本上确立

以后,M.玻恩很快地提出了波函数的几率诠释(统计解释)而

W.K.海森伯也紧接着提出并按照自己的理解阐述了他的测

不准原理。这两种相互关联的看法形成了所谓哥本哈根观点

的重要内容,而作为哥本哈根学派的“精神领袖”的玻尔,

也就在这种基础上提出了他的“互补性”观点(后来被称为

“互补原理”）,并逐步发展了他的“互补哲学”。

海森伯原理的提出,引起了一系列的哲学争议:物质微观运

动的基本规律统计性是否是实质的?是否必须放弃或推广决

定论或因果原理?量子力学能否看成一种“完备的”理论?

微观客体和测量仪器之间到底是什么样的关系?人对事物的

认识有没有最终的界限?如此等等。

玻尔在1927年首次提出的互补性观点就是企求回答这许多

问题。这一观点并无固定的成文的表达,玻尔在不同的场合

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提出了不同的说法。按照他的看法,物质世界中的客体,精神

世界中的概念,语言文字中的单词,全都各自具有许多不同

的“方面”,有如数学中同一个多值函数的许多不同的值。

对于同一个研究对象来说,人们一经承认了它的某些方面就

必须放弃另外的一些方面,在这种意义上二者是“互斥的”。

然而,那些另外的方面却又不是可以彻底废除的,因为在另

外的适当条件下人们还必须用到它们(这时就必须放弃在前

面提到的条件下所应承认的那些方面)。在这种意义上二者

又是“互补的”。例如,玻尔认为,微观客体的“粒子性”和

“波动性”,就是这样既互斥又互补的两个方面。这种想法,

就是所谓互补原理的基本内容。

按照玻尔的看法,追究既互斥又互补的两个方面中哪一个更

“根本”,是毫无意义的;人们只有而且必须把所有的方面

连同有关的条件全都考虑在内,才能而且必能(或者说“就

算是”）得到事物的完备描述。

玻尔认为他的互补原理是一条无限广阔的哲学原理。在他看

来,为了容纳和排比“我们的经验”,因果性概念已经不敷

应用了,必须用互补性概念这一“更加宽广的思维构架”来

代替它。因此他说,互补性是因果性的“合理推广”。尤其

是在他的晚年,他用这种观点论述了物理科学、生物科学、

社会科学和哲学中的无数问题,对西方学术界产生了相当

重要的影响。

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玻尔的互补哲学受到了许许多多有影响的学者们的拥护,但

也受到另一些同样有影响的学者们的反对。围绕着这样一些

问题,爆发了历史上很少有先例的学术大论战,这场论战已

经进行了好几十年,至今并无最后的结论,而且看来离结束

还很遥远。

作为卢瑟福的学生,玻尔除了研究原子物理学和有关量子力

学的哲学问题以外,对原子核问题也是一直很关心的。从20

世纪30年代开始,他的研究所花在原子核物理学方面的力量

更大了。他在30年代中期提出了核的液滴模型,认为核中的

粒子有点像液滴中的分子,它们的能量服从某种统计分布

规律,粒子在“表面”附近的运动导致“表面张力”的出现,

如此等等。这种模型能够解释某些实验事实,是历史上第一

种相对正确的核模型。在这样的基础上,他又于1936年提出

了复合核的概念,认为低能中子在进入原子核内以后将和许

多核子发生相互作用而使它们被激发,结果就导致核的蜕变。

这种颇为简单的关于核反应机制的图像至今也还有它的用

处。

当L.迈特纳和O.R.弗里施根据O.哈恩等人的实验提出了重

核裂变的想法时,玻尔等人立即理解了这种想法并对裂变过

程进行了更详细田的研究,玻尔并且预言了由慢中子引起裂

变的是铀-235而不是铀-238。他和J.A.惠勒于1939年在《物

理评论》上发表的论文,被认为是这一期间核物理学方面的

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重要成就。众所周知,这方面的研究导致了核能的大规模释

放。

玻尔一生爱好和平,崇尚民主,反对侵略,反对独裁。1933年

希特勒在德国上台以后,玻尔曾经亲赴德国安排受迫害的知

识分子出逃,后来就在丹麦组织了专门的机构来协助和营救

这些人。当时一大批德、意等国著名学者受到过玻尔他们的

帮助,这在学术文化的发展史上是起了不可低估的作用的。

纳粹德国控制丹麦以后,玻尔起初留在国内,和抗敌组织保

持了密切的联系。直到1943年德军总部下令逮捕他时,他才

冒险出亡,经瑞典到英国,不久就到了美国。在美国期间,他

曾参加研制原子弹的工作并作出了重要贡献,但他的动机完

全是为了反击纳粹,而且从一开始就意识到了核军备竞赛的

危险。在此期间,他曾多次和英美两国首脑接触,建议他们及

早作好控制和限制核武器的安排,但没有成功。第二次世界

大战在1945年结束以后,他就毅然和任何核武器的制造断绝

了关系。从那时起,他大力呼吁和平,并于1950年发表了《致

联合国的公开信》。同时他大力推动核能的和平利用,鼓吹学

术上的国际合作,倡议并领导了欧洲核子中心和北欧原子物

理学研究所。

自从1913年成名以来,玻尔先后得到了各国政府和学术团体

所赠予的许多崇高的荣誉和头衔。他多次连任丹麦皇家科学

院主席,多次访问世界各国。1937年夏季,他曾来中国,访问

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了上海、杭州、南京和北平,对中国人民很为友好。1947年,

丹麦政府决定授子他级别很高的勋章,要求受勋者有一个族

徽。玻尔亲自设计了他的族徽,其中心图案采用了中国古代

的“太极图”,来形象地表示他的互补思想。

玻尔于1962年11月16日在哥本哈根逝世。