能量是物理學(xué)家最熟悉的東西了，所有的能量都應(yīng)該是連續(xù)變化的，這已為千百年來(lái)無(wú)數(shù)的事實(shí)所證明。有誰(shuí)看到過(guò)馬路上急馳車輛的動(dòng)能，會(huì)突然從一個(gè)數(shù)值跳到另一個(gè)數(shù)值而中間沒(méi)有過(guò)度？又有誰(shuí)看到過(guò)瀑布濺落時(shí)，水的勢(shì)能的變化不是連續(xù)的，而是間斷成一段一段的呢？更有誰(shuí)看過(guò)光和熱的發(fā)射是一份一份的呢？
普朗克發(fā)現(xiàn)：物體在吸收或輻射能量時(shí)，能量居然不是連續(xù)變化的，而是跳躍著變化的，即能量是一份一份地發(fā)射或吸收的，每一份能量都有一定的數(shù)值。這個(gè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)連他自己都不相信。
接著，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，光的能量也是不連續(xù)的，是一份一份發(fā)射的，也就是說(shuō)，光也是量子化的。量子概念沖破了傳統(tǒng)物理學(xué)中能量連續(xù)觀念的束縛，是人類認(rèn)識(shí)史上的一次飛躍。但愛因斯坦和普朗克的量子論并不完善，所能解釋的物理現(xiàn)象也很有限。
現(xiàn)在，促進(jìn)量子理論發(fā)展的第三個(gè)關(guān)鍵人物出場(chǎng)了，他就是丹麥的原子物理學(xué)家——尼爾斯·玻爾。他發(fā)現(xiàn)原子中的電子運(yùn)動(dòng)也是“量子化”的，電子向原子靠近和遠(yuǎn)離核的過(guò)程不是連續(xù)的，而是一段一段地跳躍著的，這就是所謂的“量子躍遷”。
登臺(tái)階的游戲
雖然兩千多年前的古希臘哲學(xué)家就提到了“原子”的概念，但人們對(duì)原子的真正認(rèn)識(shí)要到20世紀(jì)初了。1911年，英國(guó)著名物理學(xué)家盧瑟福提出了一個(gè)嶄新的原子結(jié)構(gòu)模型：原子內(nèi)部的大部分空間都是空虛的，它的中心有一個(gè)體積很小、質(zhì)量很大、帶正電的核，帶負(fù)電的電子則以某種方式運(yùn)動(dòng)于核外的空間中。這個(gè)原子模型看起來(lái)更像一個(gè)微型的太陽(yáng)系，原子核是太陽(yáng)，電子是圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的行星。
一個(gè)新的原子模型建立了，但還不完善，還有許多問(wèn)題，尤其在電磁理論方面面臨著嚴(yán)重的困難。經(jīng)典的麥克斯韋電磁理論預(yù)言，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電荷異性相吸，將會(huì)不可避免地相互靠近并釋放出輻射能量，最后原子的能量越來(lái)越小，電子最終落到原子核上消失。換句話說(shuō)，盧瑟福描述的原子是不可能穩(wěn)定存在超過(guò)1秒鐘的，以此構(gòu)成的物質(zhì)世界根本就不可能存在。
現(xiàn)在，盧瑟福原子模型需要一個(gè)更好的解釋，它在等待一種叫做量子化的理論解釋，等待一位即將跨過(guò)英吉利海峽，從丹麥遠(yuǎn)道而來(lái)的年輕人——尼爾斯·玻爾。
1885年，玻爾誕生于丹麥哥本哈根的一個(gè)書香門第，他的父親是一位國(guó)際知名的生理學(xué)家，在哥本哈根大學(xué)任教授，曾被提名為諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的候選人。童年時(shí)的玻爾經(jīng)常旁聽父親和知識(shí)界朋友的閑談，大人們的廣泛話題使玻爾幼小的心靈深受熏陶。小學(xué)和中學(xué)時(shí)代的玻爾就表現(xiàn)出過(guò)人的聰慧，大學(xué)時(shí)代又浸潤(rùn)了一股強(qiáng)烈的哲學(xué)氣質(zhì)，哲學(xué)思維的廣闊性奠定了他以后空前的成功。
1911年，26歲的尼爾斯·玻爾滿懷希望和信心來(lái)到英國(guó)，師從盧瑟福。在原子模型構(gòu)建的征途上，這一對(duì)師生組成的絕妙的團(tuán)隊(duì)，很快就在科學(xué)史上激蕩起波瀾壯闊的奇觀。
在盧瑟福原子模型與麥克斯韋電磁理論遭遇到無(wú)法調(diào)和的矛盾時(shí)，年輕的玻爾面臨著一次學(xué)術(shù)信仰的抉擇，憑借著對(duì)科學(xué)的遠(yuǎn)見卓識(shí)，玻爾選擇了盧瑟福原子模型。他感覺(jué)，建立在宏觀物理現(xiàn)象上的經(jīng)典電磁理論，在微觀領(lǐng)域不一定還起作用。就如同解釋輻射的“紫外災(zāi)難”一樣，這一次或許又需要借用普朗克的量子化概念了。
1913年，玻爾在研究原子的光譜線問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)原子的光譜線是不連續(xù)變化的，他由此受到啟發(fā)，認(rèn)為電子遠(yuǎn)離或者靠近原子核時(shí)的真實(shí)情況應(yīng)該是呈梯度變化的，而不是連續(xù)變化的。這就好比一個(gè)人在400米高的摩天大廈中，在沒(méi)有電梯的情況下，他只能沿著樓梯一級(jí)一級(jí)地上或者下，永遠(yuǎn)不可能把腳懸空踩在樓梯級(jí)之間。電子只能處于一個(gè)定態(tài)軌道中，兩個(gè)定態(tài)之間沒(méi)有緩沖地帶，那里是電子的禁區(qū)，電子根本無(wú)法出現(xiàn)在那里。
現(xiàn)在，我們?cè)賮?lái)看看那個(gè)惱人的盧瑟福原子模型，其實(shí)再簡(jiǎn)單不過(guò)了。關(guān)鍵在于，電子只能在特定的不連續(xù)的軌道上運(yùn)行，在能量最低的軌道，電子運(yùn)動(dòng)可以看成是在“平地”上的狀態(tài)。一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動(dòng)力，向上“攀登”一個(gè)或幾個(gè)臺(tái)階，到達(dá)一個(gè)新的軌道。當(dāng)然，如果沒(méi)有了能量的補(bǔ)充，它又將從那個(gè)高處的軌道上掉落下來(lái)，一直回到“平地”狀態(tài)為止。這種過(guò)程被稱為電子躍遷，每次電子躍遷都要輻射或者吸收量子化的能量而產(chǎn)生一定的光譜。玻爾掃清了原子穩(wěn)定性的問(wèn)題，世界終于在人們的心中安全合理地存在了下來(lái)。
叛逆者的成功軌跡
起初，玻爾關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的新理論并不怎么受保守物理學(xué)家們的歡迎。這個(gè)理論與經(jīng)典電磁理論是如此的格格不入，在保守的衛(wèi)道士眼中，量子帝國(guó)中的人們活脫脫就是一些企圖推翻麥克斯韋完美理論體系的狂妄之徒，真是大逆不道。玻爾在劍橋的導(dǎo)師，約瑟夫·湯姆遜，拒絕對(duì)他的新理論發(fā)表評(píng)論。而有的物理學(xué)家干脆在課堂上宣布：“如果物理現(xiàn)象要用量子理論才能解釋的話，我情愿沉默。”更激進(jìn)的人則揚(yáng)言，如果量子模型居然是真實(shí)的話，他們從此隱退物理學(xué)界。被完美的經(jīng)典物理學(xué)公式統(tǒng)治了數(shù)百年的人們，即使前衛(wèi)如愛因斯坦和波恩，也對(duì)這一理論進(jìn)行了持久的抨擊。
但是事實(shí)勝于雄辯，玻爾創(chuàng)立的量子理論對(duì)原子輻射譜線的預(yù)言和實(shí)驗(yàn)值僅相差千分之一，并且，進(jìn)一步運(yùn)用該理論預(yù)言氫原子尚未被發(fā)現(xiàn)的其它譜線，結(jié)論也很快被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。勝利來(lái)得如此之快又徹底，玻爾本人都幾乎茫然無(wú)措。緊接著，在玻爾理論的基礎(chǔ)上，原子核外電子一層層往外排列的殼層模型也發(fā)展起來(lái)了。
每一天，新的報(bào)告和實(shí)驗(yàn)證據(jù)都帶著相同的信息——量子模型是正確的，如同雪花飛到玻爾的辦公桌上。全世界都在祝賀一位理論的國(guó)王，無(wú)數(shù)的大學(xué)和社團(tuán)都希望得到這位國(guó)王的蒞臨。玻爾已經(jīng)成為原子物理方面的帶頭人，他的恩師盧瑟福希望他接受在曼徹斯特的高級(jí)職位，無(wú)論從財(cái)富還是學(xué)術(shù)上說(shuō)，那將是最好的選擇。但是玻爾還是決定留在自己的祖國(guó)丹麥，做他的哥本哈根大學(xué)教授。后來(lái)他在那個(gè)彈丸之地建造起自己的研究機(jī)構(gòu)。憑借自己的人格魅力，他的研究所很快像磁場(chǎng)一樣吸引了各地才華橫溢的年輕人，這里很快就變成了全歐洲的一個(gè)學(xué)術(shù)中心。年輕人充分地感受著這里的自由氣氛和玻爾的關(guān)懷，在他們中間形成了一種充滿活力的工作態(tài)度和積極進(jìn)取的學(xué)術(shù)精神，史稱“哥本哈根精神”。玻爾本人也因其理論的巨大成就而獲得了1922年度的諾貝爾獎(jiǎng)金。
然而，玻爾對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的認(rèn)識(shí)仍然是不準(zhǔn)確的。當(dāng)海森堡確立測(cè)不準(zhǔn)原理后，人們才發(fā)現(xiàn)，不但玻爾所認(rèn)識(shí)到的何時(shí)何地發(fā)生電子躍遷是不確定的，就連電子類似行星的軌道也是莫須有的，在原子微觀領(lǐng)域，上帝好像只會(huì)擲骰子。玻爾很快認(rèn)識(shí)到了電子行為的不確定性，并與愛因斯坦爆發(fā)了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的著名爭(zhēng)論。
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