工科生口中的量子力学史话（三）
在爱因斯坦的奇迹年1905之后（好像上次一直在讲1905年的事），物理学界的发展陷入了一种微妙的停滞状态，很多人一点都不接受量子跟量子论，但传统的理论确确实实无法解释那两朵“乌云”，而所谓的量子论在当时还没有什么实验支持（比如康普顿实验要在大约20年后才实现），很多关键论点也是几个人的头脑风暴产物，前提也得是要接受量子论的概念才能接受的理论，在当时对于大部分人来说是不可能的。在这么一种窘境下，由能斯特（Walther H Nernst）牵头，索尔维（Ernest Solvay）赞助的第一届索尔维会议在1911年于布鲁塞尔召开了。他们的初衷是召集当时最有名望的物理学家，聚集最聪明的大脑一起开拓物理学的未来，与会人员包括居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、卢瑟福等，当然他们聚在一起并没有开拓什么未来，反倒是量子对于人们来说更加扑朔迷离了。然而，参会的卢瑟福之后将遇上一个来自丹麦的青年——也就是我们今天的主角——尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），这次大会的秘书德布罗意将大会记录带回给了自己聪明的弟弟，由这次大会所衍生出来如同蛛丝一样的线索将量子力学的发展与几个人物的生平串联起来，编织出了这波澜壮阔的量子力学史话。
古希腊人认为原子是最小的不可再分粒子，同时也是组成万事万物的基本粒子，在科学蓬勃发展的18、19世纪，人们纷纷认可这种观点，但是随着阴极射线和汤姆逊（Thomson，Joseph John）出色的实验证明了这是由一种比原子更小的粒子组成的，人们称之为电子。随着电子的发现，人们开始讨论原子内部到底是怎么样的结构。随后就有我们熟知的汤姆逊提出的“枣糕模型”和卢瑟福在基于α粒子散射实验之后提出的“行星模型”。乍看之下“行星模型”非常容易理解，原子内部大部分中空，极大部分质量集中于带正电的原子核上，带负电的电子围绕原子核旋转。
这同时也满足α粒子散射实验的结果，但其中有着最致命的缺陷。这里稍微补充一下麦克斯韦方程组，这个方程组是由四个方程组成，基本涵盖了电场和磁场的性质，也即是电磁波的基本性质，借此基础物理学家们发展了电磁学，推动人类社会进入了电气时代。在麦克斯韦方程组里面有一个很重要的结论，变化的电场可以产生磁场，同样变化的磁场也可以产生电场。
在卢瑟福提出他的原子模型之前，已经有与原子内部结构相关的实验——氢原子放射光谱的测定。所谓原子放射光谱，今天我们已经明白是原子内的电子吸收能量，可以是热激发或者电激发，电子的旋转轨道改变同时放射出电磁波，放射出的电磁波被人为设置的感光器件接收就形成了原子光谱。原子光谱的最大特点是：谱线都是离散的，对又是离散的。这就说明了原子内电子的轨道都是确定的，只有某些距离的轨道上才“允许”电子的存在。不过在原子光谱被测定的1885年，人们还没有原子有内部机构的概念，也没有电子的概念。在卢瑟福的时代回想原子光谱，这也是一个说明行星模型不可行的辅佐证据。
在来到曼彻斯特，来到卢瑟福的实验室，了解卢瑟福的原子结构，在普朗克和爱因斯坦的量子理论之后，将量子化条件引入了原子结构。玻尔提出了两条假定：
1）原子具有能量不连续的定态概念；
2）量子跃迁的概念。
整个物理图景大家可以简单地理解成原子核外有着一层一层不可见的“壳”，电子只能在“壳”上围绕原子核旋转（这个说法本身是错的，但鉴于此时玻尔并没有意识到这个问题，它也符合我们的经验，就先采取这么个说法），在“壳”上电子的能量是稳定的，只有受到外部能量，才能够使电子发生跃迁，即从这个“壳”跳到另一个“壳”上。
随着玻尔的新理论的发表，虽然大部分人对此持怀疑态度，但一个又一个实验结果实打实地证明玻尔的理论是正确的。至于玻尔的理论有多么成功这里就不多赘述了，因为用我高中物理老师的话来讲，玻尔的氢原子模型是一个“十分重要的错误理论”。重要性在于玻尔成功将量子化条件引入原子结构当中，而新理论的局限性也是十分明显：
1）该理论只能适用于单电子的原子结构，也就是说只适用于氢的核素与电离的氦离子；
2）新理论只能给出电子轨道和谱线频率这种简单的性质，对于谱线的强度等并不能给出预测；
3）新理论只能处理周期运动如核外电子运动这种问题，对于非束缚态的运动如散射就无能为力了；
4）玻尔在自己的理论里“主观”地加入了许多前提，比如在“壳”上的电子能量是稳定的，缺乏本质的物理解释。
并且玻尔理论的量子性只体现在量子跃迁上，而当电子在轨道上正常运动时，玻尔又回到了经典的麦克斯韦电磁理论，给人一种“又经典又量子”的感觉。
玻尔的新理论虽然能在原子光谱、塞曼效应等问题上有着重大的突破，但不能掩饰新理论是一个半成品，或者更像是玻尔“为了解决原子光谱问题所做出的答案”。不过这并不意味着玻尔自此推出了量子力学的舞台，相反，他仍然在物理学的第一线战斗，包括与爱因斯坦的唇枪舌战，包括培养出像海森堡这样的学生。在1921年玻尔在哥本哈根的研究所落成后，依靠着如同他的恩师卢瑟福一样的对学生的关心和自由的学术氛围，哥本哈根吸引了一大批才华横溢的年轻学者，使得哥本哈根一跃成为当时欧洲的物理学中心。
虽然玻尔的物理学贡献比不上他的学生——海森堡、狄拉克等，更不必说爱因斯坦了，但毫无疑问玻尔继承了卢瑟福自由而富有进取心的学术精神，进而影响他的学生们而推动物理世界的发展。的确评价一个物理学家首要的就是他的物理成果，但正如霍金一样，物理学家首先是人，其次才是物理学家。许多顶尖学者身上所散发的带有学识一般的严谨、自由宽容的态度和不断进取的坚韧，这种独特的人格魅力跟他们做出的物理学贡献一样，也是人类精神文明的无上瑰宝。这里用爱因斯坦的评价作为结尾吧：作为一位科学思想家，玻尔所以有这么惊人的吸引力，在于他具有大胆和谨慎这两种品质的难得融合；很少有谁对隐秘的事物具有这一种直觉的理解力，同时又兼有这样强有力的批判能力。他不但具有关于细节的全部知识，而且还始终坚定地注视着基本原理。他无疑是我们时代科学领域中最伟大的发现者之一。
彩蛋时间，玻尔当时读书的时候可是在校队当门将的，他们校队也是丹麦国内数一数二的强队，而玻尔的学霸弟弟也入选了丹麦国家队参加奥运会并获得了银牌。。1922年玻尔获得诺贝尔奖的时候，报纸标题可是“前足球运动员获得诺贝尔奖”。
