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二十世纪十大物理实验之八:卢瑟福ALPHA粒子散射实验暨量子力学发展史(五)

时间:2019-02-20来源:理学院点击:810

一次,实验室里传来轰地一声巨响,连校长室里的人都给惊动了。秘书朝外看也没看就安慰慌乱的校长道:不要紧,肯定又是那个叫玻尔的学生给弄的。

看来除了玻尔不足称道的实验技能之外,他的好奇心也委实过强了点儿。

但是此时的玻尔已经立志把物理作为自己的终身职业了,年仅二十一岁的他出手不俗,在一次科学院悬赏征求有关液体表面张力的论文中获得金质奖章,得到当时最有名气的物理学家瑞利的首肯。

这一年当真喜事连连。他的兄弟海拉德作为丹麦队国家队的中场核心在英国举办的奥运会中大显神威,而玻尔作为替补在卖力地挥动着手中的红白两色国旗。赛后,大鼻子兄弟成为丹麦球迷们议论的核心。多少年后,有人看到报纸上玻尔手捧诺贝尔奖的金质奖章的照片时,心里还在纳闷:这个大鼻子看起来怎么就这么眼熟呢?

不久玻尔的博士论文答辩就开始了,他的题目是《金属电子理论的研究》。他又创了一个记录,只用一个小时就以博士的身份离开了学校。希加德教授第一个发言,也只能从文法修辞方面挑些纰漏,其他人则都是不停的赞誉。

小小的答辩室挤满了人,大家都对这个年青人和他的理论感兴趣。不过更使记者感兴趣的是丹麦国家队的成员一个不少地都在那里,球员们都坦然承认他们听不懂玻尔兄弟的讲演,但这并不妨碍帮他们助威,不管在球场上,还是在答辩室里。

但是这次玻尔像在球场上无所事事的守门员一样显然没有扮演重要角色。他讲完匆匆拎起书包就走了,原指望看到法庭里类似的指控和辩诉的情形的人大失所望。

玻尔的理论太过新颖,以至没人能向他发问。

凭心而论玻尔对自己这篇花了两年时间准备的论文是不满意的,里面用了大量的经典公式推出意义不大的结果,他认识到要解决电子之类微观的东西,原有的观念必须舍弃。若是十年以后的玻尔看到这篇文章,他会飞快地揉作一团丢在废纸篓里的。

不过这几年也算没白过,至少他凭自己的才华结识了后来的玻尔夫人,当时年轻貌美的玛格丽特小姐。

经过一个暑假的休憩,玻尔来到了英国的剑桥。这里是公认的物理学的发祥地,如果一个学物理的没有来过这里,仿佛穆斯林没有到过麦加朝觐。在这座宁静的校园里升起过多少辉煌的明星呵。仅牛顿一人就称得上气盖百世。他的耳畔想起了斯宾塞的诗句:

剑桥,我的母亲,

在她那顶冠冕上,

缀有多少睿智,多少冥思……”

当他漫步在三一学院时,总感到巨人牛顿的眼光在不远处盯着自己。牛顿在这里度过了他一生中的大部分,这里的每寸土地都留有他的脚印,他曾经坐在这里的草坪上和热心的学子们讨论上帝之谜,也许就是在这棵苹果树下悟出了万有引力定律。最终是他使三一学院的威名远播,而学院院长的职位成了学界荣耀的象征。

玻尔工作的单位就在卡文迪许实验室,人们怎么也没想到他竟和主任卢瑟福先生成了莫逆之交。他们一个身高体壮,声若洪钟,一个温文尔雅,慢声细气;一个来自新西兰的农庄,一个出身于哥本哈根大学的教授家庭;一个脾气暴躁,一个内向迟钝。再想找两个脾性反差如此之大的人只怕就不易,他们怎能谈的来呢?而且玻尔的实验能力实在不敢恭维,可卢瑟福总是一副信任有加的样子。

卢瑟福的想法是卡文迪许实验室能动手的人着实不少,但是真正具有物理头脑,并兼备深厚的数学功底的人并不为多。玻尔这个人看似迟钝,但他的思想磅礴大气,浑然天成,别人是万万比不来的。而卢瑟福本人的理论功底算不上突出,这就更需要人在旁边辅佐。

卢瑟福的成功的实验引起玻尔很大的兴趣,他整天纠缠于线圈和导线之间。闲暇的时候则是在思考卢瑟福的原子结构。显然,这个模型也有经典物理所不能理解的内容,电子在核内如此高速地运转,如何能量不会耗尽呢?这个问题是致命的。

此时的玻尔有幸了解到普朗克的量子假说,或许卢瑟福原子中的电子也是受量子作用支配的呢?

他开始通过计算来验证自己的想法,往往从早忙到晚。连素来精力过人的卢瑟福也不由得叹服。但结果却总是不如人意,捣蛋的原子是不肯轻易就范的。一切都是苦无头绪。

从此玻尔像换了个人一般。晚上人们经常可以看到一个白色的幽灵在实验室徘徊,深夜里还听的见单调的皮鞋声。白天则一动不动的坐着,脸上仿佛失去了表情,眼睛也是浑浊的,简直是个痴呆症患者,连卢瑟福也暗暗担心了。

终于有一天,玻尔突然径直站了起来,冷静地说道:也许我知道了什么。然后麻木已久的脸上微微泛出红润。

你们谁能告诉我关于原子和电子的性质,越详细越好。当玻尔准备走出大门的时候,突然想起来什么回过了头。

一个同事向他介绍道,原子的化学性质呀,磁性呀,旋转呀,光谱公式呀……

等等,光谱哪有什么公式?玻尔突然打断道。

你会不知道光谱公式?同事迷惑地望着他,但还是不厌其烦地讲起来这是一个多么漂亮的公式,如何解决了很多问题。

玻尔没等他说完,就飞奔图书馆。马上他就查到了那篇短短的巴尔末公式。这个公式因为形式完美,几乎所有的理论物理学家都知道,偏偏玻尔将它漏过。

玻尔那双锋利的眼睛仅仅扫过几行,他就听见自己心脏的强烈跳动了,找的就是它!

那时侯人们研究原子最有效的方法是观察它的光谱。牛顿当年就让一束日光通过三棱镜,分成七种颜色,这实际上就是光谱。后来在19世纪,英国的沃莱斯顿和德国的夫琅和费分别发现了太阳光中总有几条暗线,后来发现暗线达上千条之多。

随着实验的发展,人们发现在酒精灯的火焰上撒上食盐(氯化钠),就会观察到一条宽阔的黄色光谱。这实际上就是钠元素本身的标志。每种元素都有自己的标志。只要该种元素存在,哪怕只有极少一点儿,也会观察出来。而太阳光中的暗线则意味着阳光在穿越这些元素时遭到吸收。于是我们只须对照一下光谱本上的光谱,就会查到太阳上有什么元素。有些神秘的暗线则意味着新元素的出现。然而原子发光的秘密始终没人给出合理的解释,现在轮到玻尔了。

中学教员巴尔末是在1885年提出这个公式的,那次也属偶然。他闲来无事,将氢原子的几条谱线的波长的数值当一般的数字游戏玩耍,它们是6526.794861.334340.454101.73等等。但是很快发现了一个惊人的规律,每一个数字都是和一个自然数相关的,比如6526.79正比于34861.33正比于44340.45正比于5等等。

这是个了不起的发现,可是谁也将它解释不了,在一次学界聚会的最后一天晚上,两个物理学家为明天的远别在一家酒店干完最后一杯。小个的中年人紧紧拥抱着大个的年青人,并送他一个笔记本作为纪念。大个的那个则终生也忘不了扉页题的词:什么时候解决了巴尔末的公式之迷,我一定请你在这个酒店痛饮葡萄酒。小个的教授名字叫索末菲,大个的年青人叫德拜,他们都是后来对量子力学的发展做出贡献的人。

玻尔可不这样认为,在向来充斥着小数点的物理学里居然会出现123之类的整数,这和普朗克的量子观点不谋而合。看来古希腊毕达哥拉斯鼓吹上帝偏爱自然数也是有其道理的。

光谱公式两个最普通的地方,泄露了上帝的秘密。减号和数字3456的交替。玻尔经过深思熟虑后,终于发现了真理。

(版权所有:meemei 原作)

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