化学自习室移动版

丹麦，有安徒生美妙的童话故事；丹麦的哥本哈根，也有异想天开的量子力学。

哥本哈根大学，21岁的玻尔已崭露头角，但年轻的玻尔有个愿望：作为一个物理人，如果不去英国剑桥，那一定对物理缺少虔诚，毕竟，牛顿的经典力学是物理学的一座丰碑。

漫步在剑桥大学的校园，玻尔总感到巨人牛顿的眼光在不远处看着自己。玻尔想，也许自己脚下的这块青石板，被牛顿踩了许多次；也许就是在这棵苹果树下，牛顿悟出了万有引力定律；也许在这块草坪上，牛顿在和学生们讨论着上帝之谜。

玻尔工作的地点是剑桥大学的卡文迪许实验室，而实验室的主任正是卢瑟福，玻尔成了卢瑟福的学生。

在玻尔进入实验室的第一年，卢瑟福做了一个著名的实验——阿尔法粒子散射实验，通过实验，卢瑟福提出了原子结构的行星模型：原子是由原子核和核外电子构成的，电子围绕原子核作高速运动。

午后的阳光洒在莱茵河畔，漫步在河边的玻尔和卢瑟福边走边谈。

玻尔：“老师，你说原子是由原子核和核外电子构成的，那么，二者所带电荷相反，为什么没有吸在一起？”

卢瑟福：“你坐过过山车吗？为什么过山车运行到顶端的时候没有掉下来？”

玻尔：“是因为有速度，会产生离心力。”

卢瑟福：“电子也一样，它在围绕原子核作高速运动。”

玻尔：“不对呀，老师，这违反了经典物理学的能量守恒定律，电子在运动时是要消耗能量的。”

卢瑟福：“这，这……，我们再作探索吧。今天的天气真好。”

玻尔也在替导师思考着，原子究竟具有怎样的结构呢？他想起了一个实验现象：含钠的物质在灼烧时火焰都有黄色，含铜的物质在灼烧时火焰都有绿色。

玻尔知道，火焰的焰色是由光的波长决定的，而波长与能量相关。

对！如果原子内电子运动的能层一定，那么灼烧时因电子跃迁，产生光的波长也就一定，这不就是电子分层排布的证据吗？

但，能量的问题依然没有解决。

在科学界，当大多数人仰视牛顿的时候，也有一些人对牛顿力学的适用范围产生怀疑，比如，普朗克的量子概念，巴耳末公式等，这些都对玻尔产生了很大的启发。

终于，两年后的1913年，玻尔提出了他对原子结构新的见解——“玻尔模型”：

“电子在一些特定的轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；当电子在这些轨道上运动时，原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，原子才发射或吸收能量。”

“玻尔模型”的提出，除了他的导师卢瑟福，大部分人都认为玻尔的模型相当于一个科学游戏。毕竟，科学的猜想是需要实验验证的。

距剑桥大学300公里外的曼彻斯特，有一位二十几岁的英格兰小伙子，名字叫莫塞莱，他对X射线的应用得心应手。他想，如果原子真的是玻尔提出的层状结构，那么，使用X射线应该能够窥探出来。

为了研究的方便，莫塞莱也来到了卡文迪许实验室。

这真是一个阳光、聪明、精干的年轻人！莫塞莱的到来，使卡文迪许实验室充满着欢乐与激情。

每每看到工作中的莫塞莱，卢瑟福总露出一种欣赏的目光。玻尔与莫塞莱也很快情同手足，有了莫塞莱，玻尔的工作非常顺利。

莫塞莱告诉玻尔：“X射线是原子内部的电子产生的，如果我们能够测得一系列元素的X射线的光谱，就可以验证原子的层状结构了。”

实验的结果非常成功，他们的实验证明了原子层状结构的存在！

充满朝气的莫塞莱一发而不可收，他按照元素周期表的顺序，用X射线的手段，逐一测每种元素的光谱。

在测定过程中，莫塞莱发现，当时的元素周期表中应该还有几种"失踪"的元素：42号、43号、72号、75号，同时他还预言了这些元素光谱的性质。（几年后，莫塞莱预言的元素均被找到了。）

卢瑟福模型、玻尔关于氢原子的研究、莫塞莱的发现，很快成了当时科学界三大有影响力的成果。

这时，第一次世界大战的阴云开始笼罩欧洲，卡文迪许实验室的小伙子似乎也闻到了战场上的硝烟。

有一天，莫塞莱找到卢瑟福：“老师，我要上战场。”

卢瑟福说：“按照英格兰的法律，你是不用服兵役的。”

“不，老师”，莫塞莱很坚决：“我的国家在打仗，我不能旁观，我是属于英格兰的！”

卢瑟福看着莫塞莱，用力地握住了他的手，旁边的玻尔也对莫塞莱充满了敬意。

莫塞莱走出卡文迪许实验室，扭头回望，看到卢瑟福、玻尔，以及实验室的许多同事，都在目送着他。

他轻松了吹了声口哨，向大家挥挥手：“朋友们，再见！”

是的，莫塞莱是唱着《啊，朋友再见》，戴上钢盔毅然走上战场的。

在卡文迪许实验室，每天，玻尔都要小心地擦拭莫塞莱使用过的X光机，进行着他的探索实验，同时，也在关心着每天的新闻。

一天下午，玻尔翻开当天的报纸，上面的头版是《海军大臣丘吉尔的疏忽，导致加里波第半岛的冒险惨遭失败》。在报纸上，他看到了一个熟悉的名字：莫塞莱！在那场战役中，莫塞莱牺牲了。

玻尔立刻把这个不幸的消息告诉了卢瑟福，卢瑟福没有说话，缓缓地走到窗前，仰望着天空。玻尔看到，卢瑟福的喉头反复动了几下。

是啊，当那颗罪恶的子弹射入莫塞莱胸膛的时候，科学界一个可能的丰碑就消失了。

那一年，莫塞莱刚刚二十七岁！

1920年，玻尔结束了剑桥大学的工作回到丹麦。在丹麦的哥本哈根，玻尔创立了“哥本哈根理论物理研究所”。这个研究所创立之初，玻尔就定下科学研究的“哥本哈根精神”：谦虚、坦率、热烈、自由、平等。

1922 年 11 月的一天，正在工作中的玻尔突然接到从瑞典斯德哥尔摩打来的电话，电话那端委婉地问道，玻尔教授最近是否有空到斯德哥尔摩来一趟?

玻尔立刻意识到——今年的诺贝尔物理奖的桂冠将落到自己头上。

“尼尔斯·玻尔!”当这个名字在斯德哥尔摩的会议大厅回荡的时候，玻尔站起来向观众鞠躬致意。大会主席郑重地宣布：“鉴于玻尔教授在原子结构和原子放射性研究中的突出贡献，授予诺贝尔物理学奖。”

回到哥本哈根，玻尔郑重地把金质奖章收好，又继续自己的工作。

“哥本哈根理论物理研究所”是个人才济济的地方，这里既有科学界德高望重的泰斗，也有初出茅庐的新秀。

 1924年的一天，贵族出身的法国物理学家德布罗意，在研究所里向同事们宣布了他的一个新想法：物质的波粒二象性。

他说：“我们已经证明了光既是粒子，也是一种波，干吗不进一步推广，世界上所有物质都具有粒子和波的性质？”

1926 年 9 月，奥地利物理学家薛定谔抵达哥本哈根，宣读了他根据物质的波动理论，通过数学方法推导的“薛定谔方程”，尽管他本人也说不清这个方程的物理学含义。

1927年，玻尔的学生海森堡更是提出了看似荒诞的“测不准原理”：“我们不能同时测准微观粒子运动的位置和速度”，并且还推导出了相应的公式。

1928年，玻尔提出了他对微观世界的哲学思考，就是“互补性观点”。他认为，任何事物都有许多不同的侧面，对于同一研究对象，当我们承认了它一个侧面的时候，就不得不放弃它的另一侧面，在这种意义上它们是“互斥”的；同时，另一侧面却又不可完全废除，因为在适当的条件下，人们还必须用到它们，在这种意义上说，二者又是“互补”的。

看到哥本哈根研究所的一系列观点，爱因斯坦预言道：“一场伟大戏剧的帷幕将被拉开。”

实际上，在这时，在哥本哈根，量子力学大厦已在不知不觉中奠基了，只不过还没有揭幕。

揭幕是几年以后的事，揭幕的主角是海森堡和薛定谔。让我们先欣赏他们的“思想实验”。

思想实验一：测不准原理。

海森堡向研究所的同事们描述了这样一个场景：

假设有一个真空的房间，里面只有一个电子，我们用一个放大倍数极大的显微镜观察这个电子的运动情况。要看得见电子，必须有入射光，如果光线撞到电子上让我们看清了电子的真实位置，那么它一定在光的撞击下摇摆不定，也就是说我们无法测定它的速度。为了减少光的影响，我们可以频率极低的光，这样可以减少晃动，能够相对精确地测定它的速度，但这时光的波动性会很强，我们看到的电子位置在光的衍射下会模糊不清。

海森堡最后说：“我们是不能同时测准电子的位置和速度的，设备再先进也不行，不光位置和速度是测不准的，时间和能量也满足这个奇妙的关系。”

然后海森堡又用复杂的数学证明，对自己的"实验"结论进行了证实。

这个"思想实验"确实精巧完美，颇具说服力。

但，奥地利物理学家薛定谔总感到“测不准原理”太荒诞，他也想到了一个“思想实验”，试图说服大家放弃这种荒诞，这个实验就是“薛定谔的猫”。

思想实验二：薛定谔的猫。

薛定谔向大家描述了这样一个场景：

将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。如果量子力学的理论成立，那么放射性的镭就处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就处于死猫和活猫的叠加状态。所以，这是一只既死又活的猫。

薛定谔最后说：“如果一个粒子的存在状态在被观测前具有多种可能态，就好像这只猫一样，既死又活，这显然是违反逻辑的。”

到底是一帮聪明的脑袋，有人从“薛定谔的猫”中捕捉了一个关键点“几率”，既死又活不就是几率吗！“薛定谔的猫”恰恰证明了微观粒子的运动可以用几率来描述。

反观连薛定谔自己也搞不明白薛定谔方程，有人惊奇地发现，方程中的 ψ 绝对值的平方，竟然是在空间某一点上电子出现的几率！

通过几率分布描述微观粒子的运动状态，这是一种全新的认识世界的角度。

在玻尔的主导下，量子力学的大厦逐渐清晰地立起来了!

量子力学的本质就是概率。传统观念中的严格因果关系，在量子世界是不存在的，必须以一种统计性的解释来取而代之。

玻尔很兴奋，他伫立在办公室的窗前，望着马路上疾驰的汽车，突然想：假如哥本哈根这座城市有1万辆出租车在运营，在地图上用小黑点标注出每辆出租车所处的位置，每分钟标注一次，那么，一天下来，这1万辆出租车在这张地图上就留下了密密麻麻的许多小黑点，构成了一幅“云图”。“汽车云图”，这就是用量子力学描述出租车运动状态的方法，想到这里，玻尔自己也感到很新奇。

这张“汽车云图”有什么用呢？玻尔继续想。

小黑点的密集程度可以呈现出这座城市的主要路线，也能体现出各处的繁华程度。小黑点密集的地方，表示出租车出现的机会多，这个地点应该是繁华地段。如果某个地方没有小黑点，这个地方应该没有道路。如果有道路而没有小黑点，这将是个重要的秘密地点。玻尔感到自己的联想很有趣，他拍了拍自己的脑袋。

1939年，二战爆发。1940年，德军攻占了丹麦。

尽管丹麦处于沦陷状态，在哥本哈根理论物理研究所，玻尔仍没有停止他的工作。

1941年的一天，海森堡走进了玻尔的办公室，这位玻尔当初的学生，也因量子力学的成就获得了1932年的诺贝尔物理学奖。

海森堡很犹豫地告诉玻尔，德国人在哥本哈根设立也“德国文化研究所”，他已受邀为这个研究所工作，德国人期望玻尔也能够加入。

玻尔问：“你的工作内容是什么？”

海森堡说：“与原子能相关。”

玻尔非常吃惊！一旦纳粹德国掌握了原子弹的技术，那将是全世界的灾难。

玻尔望着海森堡，似乎有点不认识了，但作为海森堡曾经的老师，玻尔仍要劝阻：“科学是用于造福全人类的，而不是毁灭人类。”

海森堡悻悻地离开了玻尔的办公室。此刻，他在心里已划出了一条红线，那是老师为他划出的：科学是造福全人类的。

德国人研制原子弹的工作进行了两年，仍没有显著的进展，他们再次想到了玻尔，甚至准备通过逮捕玻尔的方式。

1943年9月，玻尔不得已离开了丹麦，逃往瑞典。

临行前，他在实验室里，把那块诺贝尔金质奖章放入烧杯，再将用浓硝酸和浓盐酸混合配成的王水缓缓加入烧杯。奖章渐渐溶解，他用玻璃棒轻轻搅拌着。

“我的祖国不会消亡，我会回来的。”他把溶有奖章的王水倒入试剂瓶，郑重地放入药品櫉。

1945年，战争终于结束了，玻尔又回到了自己的祖国。从王水中提取，并重新铸造的奖章，更加金光闪闪。

秋天的哥本哈根是多雾的，薄雾中透出白色的教堂和尖尖的钟塔，还有安徒生的美人鱼。拨开薄雾，人们终于找到了一条道路，一条通往“哥本哈根理论物理学研究所”的路，研究所的石碑上刻着一个名字：尼尔斯·玻尔。