張凱凱

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

曹海霞

(蘇州大學東吳學院 江蘇 蘇州 215006)

尼爾斯·玻爾一生建樹功勛無數(shù)，提出了原子結構的“軌道量子化”模型，率先突破經(jīng)典力學思想框架，成為20世紀創(chuàng)立量子力學的重要起點；一手創(chuàng)建理論物理研究所，廣攬?zhí)煜掠⒉疟M教育之；提出互補原理，與不確定性原理共同構成哥本哈根詮釋的兩大基石，深刻影響了20世紀物理學的歷史進程．

1 玻爾的光輝一生

1885年10月7日，尼爾斯·玻爾出生在丹麥首都哥本哈根(圖1)．1903年秋季，玻爾就讀于哥本哈根大學數(shù)學和自然科學系．1907年玻爾破格獲得了丹麥皇家科學-文學院的金質獎章．于1909年和1911年先后獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位．1913年，玻爾在《自然哲學》雜志上分3次發(fā)表了長篇論文《論原子和分子構造》(ontheConstitutionofAtomsandMolecules) ．1920年玻爾首次提出了于舊量子時代意義非凡的對應原理．1921年，哥本哈根理論物理研究所落成，由玻爾本人擔任所長直至逝世．1922年，玻爾因在原子結構和原子輻射方面作出的杰出貢獻而被授予諾貝爾物理學獎．1927年，玻爾提出互補原理．1936年，玻爾提出原子核的液滴模型．1937年，玻爾應我國物理學家吳有訓等人邀請來我國訪問講學，介紹國際科學最前沿的原子核問題以及原子領域的因果律．1945年后，玻爾一直致力于原子能的和平利用．1957年，為表彰玻爾在原子能國際合作中所發(fā)揮的巨大作用，授予其“原子用于和平獎金”．1962年11月18日，這位富有傳奇色彩的原子物理學家在丹麥的卡爾斯堡寓所與世長辭．

圖1 玻爾

2 玻爾的科學事業(yè)

2.1 偉大的“三部曲”

令玻爾第一次在物理學界嶄露頭角的氫原子理論醞釀于曼徹斯特訪學期間，經(jīng)過1年多的砥志研思，玻爾于1913年在《自然哲學》雜志上分3次發(fā)表了長篇論文《論原子和分子構造》，被其得意門生羅森菲爾德稱為偉大的“三部曲”．在這篇論文中，玻爾“霸道”地提出了數(shù)條在當時科學界看來是離經(jīng)叛道的假設，并特在“結束語”部分將自己的假設歸納為5條．時至今日回顧玻爾論文中的工作仍具有重大意義，他創(chuàng)造性地用量子化假設將盧瑟福、普朗克和愛因斯坦等人的思想融合，將光譜學和量子論結合在一起，提出了“定態(tài)”、不同定態(tài)之間的“轉移”(即后來稱為的“量子躍遷”)、角動量量子化等概念[1]．成功解決了原子穩(wěn)定性問題，合理解釋了巴爾末經(jīng)驗公式并精確推導出里德伯常數(shù)，完美解釋已發(fā)現(xiàn)的巴爾末系和帕邢系，預言了賴曼等線系．同時玻爾又清醒地認識到他這種半經(jīng)典半量子的理論遠非完善，他期望能建立一種描述微觀領域量子過程的全新力學，為此他提出了在舊量子論時代意義非凡的對應原理，搭建起了溝通微觀世界與宏觀世界的橋梁．其重要意義還在于，矩陣力學的創(chuàng)始人海森堡就是在對應原理的指導下，掀起了新一輪的量子革命，創(chuàng)建了玻爾一直摸索尋求的量子力學[2]．

2.2 山不在高 有仙則名——創(chuàng)建玻爾研究所

1921年，經(jīng)過3年多的設計與建造，3層高的玻爾研究所正式落成了．可能是考慮到自己的祖國比較小，玻爾對科學研究的國際合作有著獨具一格的深切感受，并終其一生成為了科學國際化的最有威望的倡導者和實踐者[3]．這種開門主義的態(tài)度以及玻爾特有的對青年學者平易坦率的人格魅力，吸引了世界各地懷揣著夢想與才華的研究者們，如海森堡、泡利、狄拉克、薛定諤等．據(jù)統(tǒng)計，當時從世界各地17個國家來訪問并且逗留時間超過一個月的學者有63位，其中大部分是年輕人，我國的周培源老先生也位列其中．在這種自由開放、兼容并包的學術氛圍影響下，連同玻爾父子，研究所里有10位科學家先后得過諾貝爾物理學獎或化學獎[4]．

2.3 玻愛之爭與互補原理

1927年，玻爾在科摩會議上正式提出了互補原理，強調因為量子公設的存在，經(jīng)典原子現(xiàn)象的任何觀察，都將涉及一種不可忽略的“現(xiàn)象與觀察儀器”之前的相互作用[3]，一方面人們必須依靠儀器知曉觀測結果，另一方面儀器對被觀測對象又有不可避免的干擾作用.這份干擾作用也被融合在觀測結果中，造成了“我們既是觀眾，又是演員”的無奈局面[5]．因此在不能忽視“量子效應”的原子領域中應當放棄決定論描述而代之以幾率描述．互補原理一經(jīng)問世即與不確定性原理共同構成了幾率描述的哲學基礎和科學基礎[6].這使得堅信上帝不會擲骰子的愛因斯坦深感不安，在第五屆和第六屆索爾維會議上先后以大量精巧的思想實驗向玻爾一派發(fā)難，其中最為著名的是“愛因斯坦光子盒”，企圖將時間與能量的測量作為突破口來否證不確定性原理及互補詮釋，以排除幾率性[6]．在一番縝密思考后玻爾發(fā)現(xiàn)了光子盒的漏洞所在——紅移效應，愛因斯坦的思想實驗僅僅考慮了狹義相對論，卻忽略了廣義相對論中的紅移效應，否則結果一樣可以導出不確定性原理．經(jīng)此一役，愛因斯坦口頭上承認了量子力學的內部邏輯是自洽的，轉而將矛頭指向了量子力學的完備性上[3]，并于1935年3月，與玻多爾斯基和羅森聯(lián)合發(fā)表了著名的EPR論文，同年7月，玻爾在《物理評論》上略帶挑釁地發(fā)表了一篇同名論文，重申互補原理的觀點，敏銳地抓住EPR論文的前提之一“物理實在的判據(jù)”進行反駁，以他一貫的處理方式回應了EPR佯謬．在長達數(shù)十年的量子力學大論戰(zhàn)中，玻爾與愛因斯坦作為雙方的旗手，在你來我往的碰撞與角逐中，共同將量子力學朝前推進了一大步，使之成為與相對論齊名的20世紀物理學兩大支柱之一．

3 玻爾與物理教育

3.1 “玻爾式育人”對當代物理教師的啟示

玻爾不僅科學成就斐然，他的教師角色同樣出彩，培養(yǎng)了多名諾貝爾獎得主，其有諸多教育思想與當前教育理念相契合，值得當代物理教師挖掘借鑒．

3.1.1 營造自主探索、高效討論的課堂氛圍

在玻爾一手創(chuàng)立的研究所里，他總是鼓勵年輕人們集體地討論，自由地爭辯，在思想碰撞中迸發(fā)靈感，在團隊合作中各展所長，形成了著名的哥本哈根精神，也使得研究所的整體功能遠大于個人能力之和．在中學物理課堂中，學生參與學習過程的表現(xiàn)應受到教師的高度重視．教師應當在啟發(fā)與引導中構建利于討論展開的課堂氛圍，鼓勵學生大膽發(fā)表自己的觀點，讓每一位學生都愿意敞開心扉，各抒己見，在頭腦風暴中實現(xiàn)物理觀念的同化與順應．

3.1.2 實驗與理論并重

盡管玻爾以理論物理大師聞名于世，但他將實驗與理論視為同等重要，更是將實驗室譽為發(fā)現(xiàn)真理的地方．在研究所的教學科研中，玻爾始終注重理論與實驗相結合，這也讓年輕人們迅速掌握了科學研究的竅門，在新興的量子領域作出了一系列開創(chuàng)性貢獻．我們物理教師應當權衡好知識傳授與實驗開展的關系，讓學生在理論的指導下開展實驗探究，在親歷實驗的過程中掌握科學探究程序與方法，進一步加深對物理原理的理解，以待提煉升華為物理觀念．

3.2 “玻爾式精神”在物理教學中的應用

在教學中可嘗試滲透物理學家與物理學史教育，展現(xiàn)物理學家的批判思維和科學研究素養(yǎng)，從而將科學探究精神通過課堂教學內化于學生內心[7]．在有關章節(jié)中，以玻爾的科學精神和高尚人格對學生進行精神引導和情感熏陶，能夠為貫徹“立德樹人”根本教育目標理念和推進課程思政建設提供有效的途徑[8]．

3.2.1 沖破桎梏的創(chuàng)新精神

在玻爾原子模型之前，大部分物理學家都依舊試圖在經(jīng)典理論的框架內討論修正原子問題，而玻爾在敏銳感知到經(jīng)典理論不可能對原子穩(wěn)定性作出解釋后，就迅速尋找新的觀念.也正是這種敢于沖破傳統(tǒng)桎梏的創(chuàng)新精神才使得玻爾相比他的前輩們“提供了新的東西”，邁出了狄拉克口中的原子物理學發(fā)展史中最大的一步．在高中物理“氫原子光譜和玻爾的原子模型”一節(jié)教學中，除了完成基本科學知識的傳授外，還應當滲透上述物理學史，讓學生體悟到創(chuàng)新精神在科學研究中的關鍵性作用，激勵學生遇到難題時應當敢于跳出常規(guī)，立足創(chuàng)新作出突破，從而幫助學生樹立正確的科學創(chuàng)新觀．

3.2.2 集思廣益的合作精神

相對論和量子力學共同構成了20世紀以來物理學的基礎，不同于前者幾乎由愛因斯坦一人創(chuàng)建，后者凝結了整整一代物理學家的努力．作為哥本哈根學派的領袖，玻爾在這場國際科學合作中功不可沒，他將世界上最思辨的頭腦團結在自己周圍一道工作，共同完成了構筑量子力學大廈的重任．在高中物理“粒子的波動性和量子力學的建立”一節(jié)教學中，除了梳理量子力學建立過程中的關鍵人物與事件外，還應當著重強調包括玻爾在內的大科學家們的合作精神，力圖使學生意識到學習過程中交流與合作的重要性，鼓勵學生在面對個人無法解決的問題時，能夠主動謀求合作，在共同努力下解決問題．

3.2.3 兼濟天下的人文精神

玻爾從來不是獨善其身的“聰明人”，當他意識到原子彈研制成功后所與之俱來的各種社會及政治問題時，玻爾立即奔走呼吁，號召以國際合作的形式實現(xiàn)對原子能的國際共管，促成一個“開放的世界”．在“核裂變與核聚變”一節(jié)教學中，教師可以通過引入玻爾對原子彈的擔憂態(tài)度，啟發(fā)學生思考核能利用背后的倫理道德，并以玻爾達則兼濟天下的責任擔當，實現(xiàn)價值引領，涵養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任，為培養(yǎng)兼具科學素養(yǎng)和人文情懷的創(chuàng)新型人才提供強有力的支撐．