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发帖数: 1928 | 1 曹则贤 （中国科学院物理研究所研究员）
这个宇宙的最基本物质构成是氢。由于氢原子的质量小，振动很强烈，氢气迟至1898年
才被液化，液化温度为20.28 K，仅高于氦气（1908年被液化）的4.2 K。人们利用液化
方式获得了高纯氢，从而获得了明锐的氢原子发射光谱。图1为可见光范围内的氢光谱
线，从右向左可见间距渐小的四条分立的谱线（眼尖的读者可以看出第五条, 有了理论
的帮助有些人能看见第六条）。这分立的四条谱线的波长分别为6562.10Å （红
色），4860.74 Å（绿色），4340.10 Å（蓝色）和4101.2 Å （紫
色）。这四个数值，藏有大自然的什么秘密吗？
图1，现代光谱学获得的氢原子在可见光范围的光谱，可以清晰地看到五条谱线。
1885年，瑞士小城巴塞尔，一位60岁的中学老师巴尔莫（Johann Balmer，图2）盯着这
几条谱线的波长值（此前的氢光谱不如图1中的那么明锐）陷入了沉思。经过一段时间
的冥思苦想，巴尔莫发现这四个波长近似地是常数值b=3645.6 Å的9/5，4/3，
25/21和9/8倍。进一步地可将这四个分数写成32/(32-22)，42/(42-22)，52/(52-22)，
和62/(62-22)，这是公式n2/(n2-22)的 n=3, 4, 5, 6那四项，由此可见光谱线是有规
律的。有了这个公式，可以计算 n=5对应的波长为b x 72/(72-22)＝3969.6 Å，
回头去看光谱图，这第5条谱线赫然就在那个地方。这一年的十月，一个叫Niels Bohr
的人在丹麦出生。
图2，Johann Balmer (1825-1898)
现在换个角度看巴尔莫老师的公式，会发现波数，就是波长的倒数，可以表示为，n=3,
4,5..., 其中的R≈10973731m-1被称为里德堡常数。这个公式后来被进一步扩展
成更一般的形式 ，其中m, n(>m) 是正整数。仔细看看这个公式，它意味着什么呢
？或者它该如何被诠释呢？
1911年，玻尔（图3）受嘉士伯基金会的资助到英国留学，有机会接触到了原子物理研
究的最前沿。1913年，他的三篇雄文发表。玻尔看出了巴尔莫公式或者说里兹公式中的
奥秘，两项相减的光频率公式可以诠释为发光是电子从一个能级到一个较低能级的跳跃
过程的伴随现象，光量子的能量为原子中两电子能级之差。在经典角动量量子化的假设
下（玻尔量子化条件。等索末菲量子化和薛定谔方程出来以后可以看出这个量子化的不
恰当处，不过这不妨碍玻尔模型的伟大），可以得到氢原子中电子能级确实是正比于 1
/n2的。玻尔的原子理论完美地解释了氢原子谱线（的位置），为玻尔赢得了崇高的学
术地位。1922年玻尔获得了诺贝尔物理学奖。
图3. Niels Bohr (1885-1962)
可以想象玻尔那时在丹麦的影响力。自1917年起，玻尔就倡议在哥本哈根建立理论物理
研究所。玻尔的建议得到了丹麦政府和嘉士伯老板的支持，嘉士伯老板不仅出钱还让出
了自己的别墅。1921年，哥本哈根大学理论物理研究所，即后来的玻尔研究所（图4）
，正式建立。上世纪20年代到30年代期间，玻尔研究所是原子物理和量子力学研究的中
心，来自欧洲各国的物理学精英汇聚在这里，从这里产生了所谓的量子力学的哥本哈根
诠释以及哥本哈根学派，这使得玻尔有了物理教父级的地位。当时聚集在玻尔研究所的
学者当中，不乏薛定谔、海森堡、狄拉克、泡利和朗道这样的巨擘级的物理学家。笔者
在玻尔研究所一楼的过道中见到过一张招贴画，上面是当时在玻尔研究所工作过的物理
学家的照片，其中半数以上获得过诺贝尔物理学奖。遥想当年这里群贤毕聚、思想火花
四处飞溅的场面（图5），确实让人感慨万千。
图4，玻尔研究所正面照
图5，1929年的哥本哈根会议，看看你能认出多少物理学巨星？
然而，随着时光的消逝，玻尔研究所的辉煌也慢慢地淡入了历史的长河，尽管有很多伟
大的物理学家在那里领过补贴，做出了他们一生中最值得称道的工作，但那些科学的辉
煌成就却不会加到丹麦人的头上，丹麦人可以拿来傲示于人的还是安徒生、第谷和玻尔
这些丹麦同胞。倘若丹麦人因为薛定谔、海森堡、狄拉克、泡利和朗道们喝过他们的嘉
士伯啤酒就喋喋不休地因之夸耀丹麦的科学地位，恐怕只会为人耻笑。当然，丹麦人民
才不会有这种想法呢。
由玻尔和玻尔研究所，笔者不由地会想到瑞士和CERN的大型重子对撞机LHC。LHC建在瑞
士，那里工作着上千位知名或不知名的科学家。但瑞士人不会把那里的科学家当成自己
人，也不指望藉此抬高自己国家的科学地位。那里发现过希格斯粒子，瑞士人不会把这
荣耀算到自己头上，那里测出了中微子的超光速，瑞士人也不会把这笑话算到自己头上
。他们知道，他们那片土地上出生和造就的欧拉和贝努里家族的天才们足够世人一直仰
视下去的了——欧拉1783年去世，到现在他的文集还没整理完呢。其实，就
是他们那里不太出名的中学老师，比如本文开始时提到的巴尔莫老师，估计有些地方还
一直没出过那么大个的物理学家呢。提高一个国家的科学地位，恐怕其本国的科学家先
表现出点儿要为科学做出贡献的诚意，才是难能可贵的第一步。 |
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