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大名鼎鼎的诺贝尔奖,怎么颁给了足球运动员?

“我之所以能取得一些成绩(并获得今年的诺贝尔物理学奖),是因为您作出了奠基性的贡献。因此,您能在我之前获得诺贝尔奖,真是莫大的幸福。”

1922年11月的一天,丹麦哥本哈根大学理论物理研究所三楼办公室里,丹麦皇家科学院院士、哥本哈根学派掌门人尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔放下咖啡,掏出钢笔吸饱了墨水,铺开信纸郑重地写下这段文字,再让助手加急寄给远在日本的爱因斯坦。

自两年前相识以来,他们既唇枪舌剑、辩论不休,又相互尊重、惺惺相惜,亦敌亦友,传为科坛佳话。

玻尔得知自己被诺贝尔奖委员会提名的消息后,心中惴惴不安。因为他觉得虽然自己和普朗克、爱因斯坦都在量子论上做出了贡献,但爱因斯坦把他们的研究结合在一起,理应在自己之前获奖。

还好,诺贝尔奖委员会同时公布:爱因斯坦和玻尔分别获1921、1922年诺贝尔物理学奖。如释重负的他便给爱因斯坦写了上面这封短信。

玻尔和爱因斯坦在索尔维会议上 来源:环球世界网

其实,玻尔短信中的“一些成绩”纯属谦虚之辞。喜欢踢球的他沿着前辈研究量子力学的步伐,提出了电子能阶原子结构模型理论,解决了原子结构的稳定性问题,标志着现代物理学大厦构造基本完成。他也因此被称为量子物理的“教父”。

01

足球场上钻物理

1903年夏,18岁的玻尔以优异的成绩考入丹麦哥本哈根大学自然科学系,专修物理。

他有两大喜好:一是钻研物理,据说大一时就自修完大三上半期的物理课程;二是喜欢踢足球,入学不到半年就成为校足球俱乐部的守门员。

足球比赛时,他常常带几支粉笔:当球在对方半场时,他就用粉笔在球门框上演算物理公式;当球进入己方半场时,他立马丢掉粉笔守门。大学快毕业时他入选国家足球队,参加过不少比赛。

若干年后,玻尔投身原子物理研究领域,把踢球当作休息或工作的调剂,并抽时间参加国家队的训练或比赛,成为科坛上著名的“科学家球星”。

青年物理学家玻尔 图片来源:物理双月刊网

大四时,玻尔在本校崭露头角。凭着一篇关于液体表面张力的论文,他获得丹麦科学院颁发的金质奖章。此文后来成为研究原子物理的重要线索。

1911年,获得博士学位的玻尔前往前往英国进修。他先到剑桥大学汤姆生主持的卡文迪许实验室学习,半年后赶往曼彻斯特,加入物理巨擘厄内斯特·卢瑟福的科研团队,自此成为卢瑟福的得意门生。

玻尔对这位恩师推崇备至,给自己最小的儿子取名叫厄内斯特·玻尔(中西文化不同,中国人很忌讳与前辈的名字相同)。

玻尔对卢瑟福提出的原子结构行星模型颇感兴趣。当时,很多科学家都致力于原子结构的研究,其中以卢瑟福的行星模型最受欢迎。

此理论认为,原子内部就像一个太阳系,原子核就像太阳,电子就像行星,围绕着原子核不停地转动,电子运行轨道会发生变化。

原子模型的演变过程 图片来源:物理双月刊网

这个理论有一个明显的问题,就是根据已知理论推断,电子进行电磁辐射后,会因能量损失而导致轨道变小,最终坍塌进原子核里,而非围绕原子核一直转动。

问题到底出现在哪里呢?玻尔决定为恩师的理论找到合理的解释。

02

“二月转变”出新论

找到合理解释并非易事。实验肯定不行,原子构造太过微观,观察不到,很难进行实验。最好的办法就是先建立合理的理论,再用物理公式去验证理论。

理论研究要选合适的物质,所有物质中,结构最简单的莫过于氢。“就研究氢原子或类氢原子的构造。”抱着这样的念头,玻尔投入到新一轮研究中。

1912年,回到丹麦哥本哈根的玻尔虽然全力研究氢原子的结构,但进展一直不大。

次年2月,同事汉森登门拜访时,提到数学家巴尔末关于谱线波长的经验公式时,玻尔脑中灵光一现:既然行星因万有引力沿固定轨道围绕太阳转,那电子岂不是也因特殊之力沿特定的轨道围绕原子核运转呢?

要证明这个论点,只需列出类似巴尔末经验公式的东西,再导入数据进行计算即可。通过偶然谈话找到研究方向,并很快取得成果,这就是玻尔人生的“二月转变”。

数学家巴尔末 来源:物理世界网

不久,玻尔提出一个全新的原子结构理论:氢原子核里的电子通常沿特定距离的轨道进行转动,不释放电磁波,这些轨道叫能阶;电子在能阶间跳跃时就会释放电磁波,最终因能量损失坍塌进原电子核里。为了便于公式计算,他大胆地把这些能阶进行“量子化”。

很快,他列出了以氢原子为例的能级公式和轨道半径公式(见图)。

经过无数次的精密计算,玻尔确定自己提出的原子结构是合理的。

1913年7-9月,在卢瑟福的推荐下,玻尔关于原子模型的长篇论文《论原子和分子的结构》分三期在伦敦皇家学会《哲学杂志》发表,文中成功解释了氢原子的结构和性质,并正式提出电子能阶原子模型(后人称为“玻尔模型”)。

这篇论文即著名的玻尔模型“三部曲”。

量子理论发展史上,玻尔模型的提出具有里程碑意义。以前,普朗克和爱因斯坦用量子化的概念解释了黑体辐射,卢瑟福的行星模型只是对原子结构的推论,没有解释。

玻尔模型让人们进一步认识到量子的巨大力量,量子理论也因此进入蓬勃发展阶段。

03

举国同庆获大奖

话说玻尔完成那篇关于原子结构模型的重要论文后,名气越来越大,先后被曼彻斯特大学、哥本哈根大学等院校聘为教授,并于1917年当选为丹麦皇家科学院院士。

他一刻也没闲着,1920年9月在丹麦筹建了哥本哈根理论物理研究所(后人称为“波尔研究所”)。

此所当时主要研究量子力学等,吸引了海森堡、泡利、朗道、赫韦希等杰出的物理学家。自由、平等的学术氛围下,哥本哈根学派诞生,对物理界产生了重要影响。

哥本哈根理论物理研究所 来源:物理世界网

鉴于玻尔在原子模型、量子理论研究及物理学推广等方面的重要贡献,诺贝尔奖委员会决定授予他1922年度诺贝尔物理学奖。

消息传到丹麦,全国人民都感到震惊:原来我们国家不止产牛肉和小麦,还产获诺贝尔奖的大科学家。

办公室里,同事们为玻尔准备了蛋糕和香槟,有人甚至拉起欢快的小提琴曲;回家路上,大家都向他打招呼问好,路边冰激淋店的老大爷还免费送上热饮;推开家门,孩子们献上热吻,妻子准备了一桌佳肴……

接下几天,各地的祝贺电报如雪片般飞了过来,其中包括恩师卢瑟福的诚挚祝福。玻尔爱好踢球的事儿被重新提起,丹麦报纸媒体普遍采用这样的标题:《授予著名足球运动员尼尔斯尔·玻尔诺贝尔奖》。

玻尔获奖的报道 图片来源:物理双月刊网

荣誉面前,玻尔依旧保持清醒的头脑。

他给爱因斯坦写信表示对方应该比自己先获诺贝尔奖之后,便只身来到瑞典斯德哥尔摩,参加诺贝尔奖颁奖会。

会上他做了一场精彩的主题演讲。演讲最后他公布了一个好消息:已正式确认元素表上的72号元素。当时很多科学家都试图找出这个元素,却一直没有结果。

这是玻尔给诺贝尔奖委员会,也是物理学界最好的回馈礼物!

END

蝌蚪五线谱原创文章,转载注明来源

责编/小西途说

关键词: 诺贝尔奖 哥本哈根 原子结构

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