波耳:主要是個哲學家 然後才是奠基量子力學的物理學家?

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今日是丹麥物理學家尼爾斯・波耳(Niels Bohr, 1885-1962)的生日,他是舊量子理論(old quantum theory)與後來量子力學(quantum mechanics)的奠基人之一。憑著對原子的結構及其輻射的研究,波耳於1922年榮獲諾貝爾物理學獎。化學元素表上107號元素𨨏(Bohrium, Bh),就是為了紀念波耳而命名。

年青時的尼爾斯・波耳(Wikimedia Commons)

二十世紀初,在諸多科學家的努力下,科學再邁進了新的一大步。在量子力學方面,波耳的「波耳模型」為量子力學提供了很重要的基礎。當康德哲學的時空觀限制於第一至三維空間,科學界則已經推測與計算到第十一維度了。科學始終哲學息息相關,例如德勒茲(Gilles Deleuze)的奇點(singularity)概念,就跟數學和科學概念緊密連繫。

量子物理學家海森堡(Werner Heisenberg)與波耳(Wikimedia Commons)

科學革新年代的天才

波耳早年已熱衷於學習數理等學科。有趣的是,他讀書時期習慣「改正」學校教科書上的謬誤,可見他有超越跟他同齡學生的獨立思考能力。這位早熟的天才投身物理學研究之時,正值科學界翻天覆地的革新年代:1897年(波耳十二歲之年),約瑟夫.湯姆森(J.J. Thompson)發現了電子(electron);1905年愛因斯坦於「奇蹟一年」發表了四篇劃時代的論文,研究範圍包括光電效應、布朗運動、狹義相對論和質能代價等;同年,波耳以大學生的身分奪得丹麥皇家科學院主辦的物理論文競賽金牌,該比賽的題目是「測量液體表面張力(surface tension)的方法」。

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1911年,波耳跟隨湯姆森在劍橋大學實驗室做研究。就像他少年時改正教科書一樣,波耳竟當面指出這位大教授著作的「謬誤」,此後在實驗室跟教授相處都不愉快。到了年底,波耳轉而跟隨另一位著名科學家拉塞福(Ernest Rutherford)的實驗室工作。拉塞福在1908年因其放射化學研究奪得諾貝爾化學獎,翌年發現了原子核。但當時拉塞福提出的原子和電子的模型在物理學界卻沒有得到應得的迴響。波耳卻受到拉氏啟發,在其博士論文中探討電子在原子中的運行原理。

拉塞福的原子模型(資料圖片)

波耳的原子模型

波耳畢生的研究改變了我們觀看原子的方式。波耳在博士論文就提出經典物理學(classical physics)無法解釋原子規模(atomic scale)的現象。後來他從馬克斯.普朗克(Max Planck)和愛因斯坦的量子物理學中得到啟示,並應用數學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)提出的氫原子光譜波長的公式,重新解答了原子運作的難題。

簡單而言,波耳提出的原子的運作原理,可粗略地比作一個微型的太陽系:如同行星圍繞太陽系的軌道(orbit)運行那樣,電子圍繞原子核的特定軌域運行,並會釋放一個特定頻率的光子(photon)在固定的軌域之間跳躍。

波耳的原子模型(中央研究院)

齊克果的愛好者

或許讓人頗意外的是,同為量子物理學家的海森堡(Werner Heisenberg),曾說波耳「主要是個哲學家,而不是物理學家」。事實上波耳非常喜歡丹麥哲學家齊克果(Søren Aabye Kierkegaard),更曾經將《生命道路的階段》(Stages on Life's Way)送給弟弟作生日禮物,並說「這是我讀過最賞心愜目的書之一」。然而,雖然波耳享受齊克果的文采與風格,但對於其哲學卻有不同意的地方。某些波耳的傳記作家認為是因齊克果信奉基督教,而波耳是無神論者。

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