对玻尔原子量子论的反响

更新于 2026年10月13日 版权声明
对玻尔原子量子论的反响

原子曾是一个古老的话题,经过千百年,直到1913年才找到探索原子的正确方向,玻尔的原子量子论就是这个探索的伟大开端。随后,经过欧洲一些顶级光物理学家们的不断研究,这一理论不仅成为20世纪物理学的基础,更成为量子力学的发端。

然而,任何一个新思想与新理论都伴随着新的不适应。当时,有相当一批物理学家对玻尔理论持有不同程度的怀疑。一方面,这个理论冲击了人们熟知的,甚至为之奋斗并信奉一生的经典物理信念;另一方面,当时人们所怀疑的关键之处又得不到令人信服的实验证实,因而这个理论曾引起一时的混乱,甚至使一些人反感。

德国的哥丁根大学是当时欧洲最重要的数学物理中心,也是物理学一些新领域的发祥之地,但玻尔的理论却在那里遇冷。玻尔的第一篇论文在英国《哲学》杂志刊出时,哥丁根大学正在召开学术会议。玻尔的弟弟哈拉尔德是哥丁根著名的数学家,他在家信中报告了玻尔理论在那里的反应。他说,哥丁根的很多人认为,玻尔所说的东西“通篇荒谬绝顶,是一种近乎欺世盗名的言论”。[37]在哥丁根的另一次光谱学会议上,物理学家荣格(Runge)说:“多年来,在人们所做的这么多成果中,最令人惋惜的是,一些自认为能成为原子机制的东西反复出现,正因如此,文化将被这些可鄙的东西严重污染,这是对我们已经取得的光谱学成果的无知的背叛。”著名数学家希尔伯特赌咒后发誓,这一理论肯定是不对的。因为“一些假设太‘大胆’,太‘不可置信’”。哈拉尔德把这些都告诉了玻尔[38]。玻尔的反应既淡定又自信,他回信说:“听到这些真实的情况,我简直高兴极了,这说明有人在关注这件事,至于那些被他们揪住不放的地方,就只能看实验的结果了。”[39]

在欧洲其他的地方,对玻尔原子量子论的反应则是好坏参半。在一番热烈的争辩之后,德国著名物理学家劳厄(Laue)说:“这简直是一派胡言,麦克斯韦方程在任何地方都是适用的。”他还说:“如果说电子在做环绕运动,那肯定要有电磁辐射。”[40]埃伦费斯特曾向洛伦兹抱怨说,玻尔的原子理论“令我十分绝望”,“如果要以这种方式达到目的,我将放弃物理学”。[41]

1913年9月12日,英国自然科学进展学会(British Association for the Advancement of Science,BAAS)第83届年会在伯明翰召开,玻尔作为受邀代表参加。与会者都是世界知名的物理学家,其中有J.J.汤姆逊、卢瑟福、瑞利(Rayleigh)、金斯、洛伦兹和居里夫人等。瑞利首先发言,他对玻尔的工作给予肯定,同时缓和地表示了自己的意见,他说:“过了70岁的人,最好先不急于对这个理论发表意见。”尽管有肯定的表示,但在私下里,他也不相信“自然界能以这种方式表现”。因此“把它作为一种实际可能发生的新图像来接受确实有些困难”。[42]金斯则不同意这种看法,他指出,“这是一个巨大的成功”。[43]

最初,爱因斯坦对这个理论也表示怀疑,甚至感到沮丧。在他写给赫维西的信中说:“如果这个理论真的被证实,那物理学可就要走到尽头,我也不打算再研究物理学了。”事后多年,玻尔常揪住这件事开玩笑,说爱因斯坦“言行不一”。[44]

就在物理学界对玻尔理论产生普遍怀疑时,玻尔再次获得了具有影响力的成果。他预言,在太阳光谱中所看到的氢谱线,实际上是失去了一个电子的氦离子的谱线。玻尔的这个预言令“皮克林—福勒线系”的发现者都感到惊讶。玻尔的这一预言果然被卢瑟福的一个研究组证实。玻尔的另一个成功是对X射线的预言。他认为,X射线是处于原子深层的电子先被冲击到高能级上,然后经这个激发态原子辐射的能量,即两个能态的能级差,恰为X射线所发射能量子的能量。接着,玻尔又利用他的原子模型和所发射X射线的频率,确定出电子的电量。(https://www.daowen.com)

在慕尼黑,玻尔的理论却很快被接受了,特别是索末菲做出了积极的响应。索末菲是著名的慕尼黑大学的理论物理学家,也是那一时代受人敬重的最优秀的理论物理教师。有一次,他指着《哲学》杂志对法国物理学家布里渊(Brillouin)说:“这里面有篇尼尔斯·玻尔的文章,它非常重要,一定能成为理论物理学发展的里程碑。”[45]正是对玻尔理论做出了正确的判断,索末菲很快邀请玻尔到慕尼黑讲学。

回忆起那次讲学,玻尔提起了他、哈拉尔德和索末菲一起共进午餐的情况,他说:“我记得那是在一个非常可爱的花园里,我们一起饮了轩尼诗酒,本来我不善饮酒,担心会影响到午餐后的讲课……哈拉尔德却说,没准反倒会有帮助,实际上,确实效果非常好,我竟然用流利的德语讲课,结果大获成功。我很高兴也很自信,索末菲完全被我征服了。”[46]

到了1914年底,情况有了彻底变化,玻尔理论中的所有核心元素,如分立的能级、电子的绕核运动、角动量的量子化以及谱线的起源等,都被物理学界广泛接受。但是进一步的发展表明,在这个理论中,还有一些重要的问题尚待解决。玻尔的理论对有多个电子的原子,甚至对只有两个电子的氦原子的许多现象还不能给予解释。如果把氦原子的一个电子移去,然后把它与氢原子相比较,看起来很相似,但是它们的特征谱线却完全不同,这似乎与玻尔的理论不一致。

现实对任何一个新理论的要求都是很苛刻的,如果真的连这个问题也解释不了,如果对任何一条谱线不能给予解释,这个理论也将面临麻烦。于是,针对这些问题,玻尔重新做了估算,首先他把核处于引力中心的情况计入,最终解决了福勒提出的问题,使福勒最终信服。更为幸运的是,仅过了一年,玻尔所预言的氦谱线就被伊万斯(Evans)实验证实。玻尔理论一连闯过两关,使这个理论的基础更加坚实。

玻尔的预言被证实,在物理学界产生了巨大的反响。几乎在伊万斯实验发现的同时,德国科学大会正在维也纳召开。会后,赫维西回忆说,在会上他向爱因斯坦谈起玻尔理论被实验证实时,“爱因斯坦的那双大眼睛睁得更大了,他告诉我,这可是一个最伟大的发现。爱因斯坦的第一反应是,‘这么说,光的频率与电子的频率完全没有关系了?’”赫维西接着说,“爱因斯坦认为,‘这可是一个不同凡响的进展,玻尔的理论一定是正确的。’”[47]这表明,爱因斯坦立刻抓住了玻尔理论中最重要的东西,这就是原子发光的实质。

在卢瑟福那里,玻尔的理论得到了最大的支持。事后多年,卢瑟福写道:“这的确是思想战胜物质或者说是战胜射线的一场胜利。过去,在玻尔的成果以前,我们总以为,对付特别复杂的谱线,甚至是单条谱线,至少需要一个世纪的时间,才能窥见(物质)这种复杂的深层次,但是现在,这种期望在不到10年的时间里就实现了。”[48]

✍AI写作