《人文物理》课程教学资源（教案）第八讲 量子论中的物理思想和人文精神

第八讲量子论中的物理思想和人文精神课程教案授课方式理论课课时安排120分钟教学内容与课时安排：1、普朗克与能量子假设；（20分钟）2、伟大的导师卢瑟福；（20分钟）（20分钟）3、玻尔与哥本哈根精神；4、文科生德布罗意；（20分钟）5、20世纪传为佳话的科学争论；（40分钟）教学目的与要求：1、了解普朗克能量子假设的重要意义；2、了解卢瑟福的科学研究精神：3、了解玻尔对物理学的贡献；4、理解体会课本哈根精神：5、了解实物粒子的波粒二象性；6、了解近代三大科学研究中心及对人才培养的贡献：7、了解爱因斯坦-玻尔的科学争论。教学重点及难点：重点：量子物理学中的科学研究方法难点：量子理论中波粒二象性的理解授课安排：量子物理学诞生的历史背景；（20分钟）1、量子物理学中的科学研究方法：：（45分钟）2、3、物理学中的学术争论对物理学发展的推进。（40分钟）教学方法与手段：网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法课堂板书：多媒体

第八讲 量子论中的物理思想和人文精神 课程教案 授课方式 理论课 课时安排 120 分钟 教学内容与课时安排： 1、普朗克与能量子假设； （20 分钟） 2、伟大的导师卢瑟福； （20 分钟） 3、玻尔与哥本哈根精神； （20 分钟） 4、文科生德布罗意； （20 分钟） 5、20 世纪传为佳话的科学争论； （40 分钟） 教学目的与要求： 1、了解普朗克能量子假设的重要意义； 2、了解卢瑟福的科学研究精神； 3、了解玻尔对物理学的贡献； 4、理解体会课本哈根精神； 5、了解实物粒子的波粒二象性； 6、了解近代三大科学研究中心及对人才培养的贡献； 7、了解爱因斯坦-玻尔的科学争论。 教学重点及难点： 重点：量子物理学中的科学研究方法 难点：量子理论中波粒二象性的理解 授课安排： 1、 量子物理学诞生的历史背景； （20 分钟） 2、 量子物理学中的科学研究方法； （45 分钟） 3、 物理学中的学术争论对物理学发展的推进。 （40 分钟） 教学方法与手段： 网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法 课堂板书：多媒体

方法及手段教学基本内容讲授法+PPT本讲介绍20世纪物质观革命中一系列重大发现，围绕这些重大发现展示我们将看到量子物理学的先驱的杰出的洞察力、丰富的想像力和惊人的创造力：量子物理发展的艰难历程；科学争论如何推动量子物理的发展；以及物理学家寻找物质世界和谐统一的那种执著精神。进而深入了解量子论中的物理思想和人文精神。1、普朗克与能量子假设先来了解量子论形成的历史背景：在刚刚跨入20世纪的第一天，英国著名的物理学家开尔文在《元旦献词》中说：已经构建的物理学大厦，指的就是经典物理学的大厦，已经基本完成了，对于后辈物理学工作者来说，已经没有什么更多的工作要做了，只需要做一些零碎的修补工作。这句话怎么理解呢？相当于如果把物理基础知识作为一栋大楼的话，这栋大楼的结构是非常完善的，只是需要做一些装饰性的工作，相当于让某一个物理常数有效数字更多一些，更加精确一些，说明在当时的物理学家看来他们对经典物理知识的体系是非常满意的。在物理学界沉浸在满足的欢乐之中时，从实验上陆续出现了一系列重大发现，这些新现象都涉及物质内部的微观过程，用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力，特别是关于黑体辐射的实验规律，以及迈克尔逊一一莫雷实验所得出的“零结果”，更是令人费解，这引起了物理学家的震惊，反映出经典物理学面临着严峻的挑战，这两个实验被当时物理学界的权威称为：“在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的、令人不安的马云”。就是这两朵小小的乌云，给物理学带来了一场深刻的革命。一朵乌云导致了量子论的诞生，一朵鸟云导致了相对论的诞生，这两朵马云是什么呢？一个是黑体辐射实验，一个是迈克逊-莫雷实验。大家都知道，物理是一门实验学科，若实验现象和实验规律无法用理论做出解释时，只能说理论是不完善的，是需要修正的。实际上在十九世纪末期，物理学晴朗的天空并不仅是只有两朵乌云，应该说是乌云密布。原因何在呢？因为随着人们对于物理规律的不断地深入了解和探究，已经深入到了微观高速领域，而微观高速领域的相关的物理现象、实验规律，已经没有办法用经典的理论体系对应的知识加以解释了。19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部，量子论使人类对微观世界的基本认识，取得革命性的进步，成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一，它与相对论一起，构成了近代物理学的基础。它们的提出，不仅推动了物理学自身的进步，而且开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。人类对客观规律的认识开始从宏观世界深入到了微观世界。也应证那句名言：“人类对客观世界的认识是永无止境

教 学 基 本 内 容 方法及手段 本讲介绍 20 世纪物质观革命中一系列重大发现，围绕这些重大发现， 我们将看到量子物理学的先驱的杰出的洞察力、丰富的想像力和惊人的创造 力；量子物理发展的艰难历程；科学争论如何推动量子物理的发展；以及物 理学家寻找物质世界和谐统一的那种执著精神。进而深入了解量子论中的物 理思想和人文精神。 1、普朗克与能量子假设 先来了解量子论形成的历史背景：在刚刚跨入 20 世纪的第一天，英国 著名的物理学家开尔文在《元旦献词》中说：已经构建的物理学大厦，指的 就是经典物理学的大厦，已经基本完成了，对于后辈物理学工作者来说，已 经没有什么更多的工作要做了，只需要做一些零碎的修补工作。这句话怎么 理解呢？相当于如果把物理基础知识作为一栋大楼的话，这栋大楼的结构是 非常完善的，只是需要做一些装饰性的工作，相当于让某一个物理常数有效 数字更多一些，更加精确一些，说明在当时的物理学家看来他们对经典物理 知识的体系是非常满意的。 在物理学界沉浸在满足的欢乐之中时，从实验上陆续出现了一系列重大 发现，这些新现象都涉及物质内部的微观过程，用已经建立起来的经典理论 进行解释显得无能为力，特别是关于黑体辐射的实验规律，以及迈克尔逊— —莫雷实验所得出的“零结果”，更是令人费解，这引起了物理学家的震惊， 反映出经典物理学面临着严峻的挑战，这两个实验被当时物理学界的权威称 为：“在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云”。就是 这两朵小小的乌云，给物理学带来了一场深刻的革命。一朵乌云导致了量子 论的诞生，一朵乌云导致了相对论的诞生，这两朵乌云是什么呢？一个是黑 体辐射实验，一个是迈克逊-莫雷实验。 大家都知道，物理是一门实验学科，若实验现象和实验规律无法用理论 做出解释时，只能说理论是不完善的，是需要修正的。实际上在十九世纪末 期，物理学晴朗的天空并不仅是只有两朵乌云，应该说是乌云密布。原因何 在呢？因为随着人们对于物理规律的不断地深入了解和探究，已经深入到了 微观高速领域，而微观高速领域的相关的物理现象、实验规律，已经没有办 法用经典的理论体系对应的知识加以解释了。19 世纪末 20 世纪初，电子和 放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部， 量子论使人类对微观世界的基本认识，取得革命性的进步，成为 20 世纪最 深刻、最有成就的科学理论之一，它与相对论一起，构成了近代物理学的基 础。它们的提出，不仅推动了物理学自身的进步，而且开阔了人们的视野， 改变了人们认识世界的角度和方式。人类对客观规律的认识开始从宏观世界 深入到了微观世界。也应证那句名言：“人类对客观世界的认识是永无止境 讲 授 法 +PPT 展示

的”。启发式教学下面来了解量子力学创始人一一普朗克：普朗克是德国物理学家，1858年生于德国的基尔，普朗克少年时就表现动画演示出很有天分。他对数学和音乐有特殊的爱好。据说，中学毕业选择专业时，他曾在音乐和自然科学之间犹豫不决。他会钢琴、管风琴和大提琴，还上过演唱课，曾在慕尼黑学生学者歌唱协会为多首歌曲和一部轻歌剧作曲。但是普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业，而是决定学习物理。他的老师约里曾劝阻他这样做。在约里的眼里，当时的物理学已是一门高度发展的、几乎是尽善尽美的科学，似乎在这个领域已无事可做。约里的观点实际是反映了当时物理学家的普遍想法。但是普朗克回复道：“我并不期望发现新大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”1900年普朗克为了解释黑体辐射问题，提出了能量子假说，由此开创了物理学研究的新时代，下面来了解普朗克提出“能量子假设”的过程。这是一条实验曲线和理论的函数曲线图，这个图不管你对物理知识了解有多少，应该是很容易看懂。横坐标是波长，在这里的三条曲线中，其中有一条由点连成的线，是实验曲线，由实验数据得出的，这条曲线反映了实验的规律，是提到的黑体辐射实验规律，实验规律我们如何用理论加以解释呢？在当时就有不少物理学家从事相关的研究，看另外两条线，一条叫维恩线，一条叫瑞利金斯线，维恩从热力学普遍理论考虑，并分析实验数据的得出一个半经验公式，但是维恩公式并不是与所有实验数据吻合的很好，在长波波段，维恩公式与实验有严重偏离。瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学，也得出黑体辐射能量分布公式，他们得出的公式在长波部分与实验结果比较符合，但是随着频率的增加，辐射能量单调地增加，在高频部分趋于无限大，即在紫色一端发散，这一情况被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。不管是维恩线也好，还是瑞利金斯线也好，都是两条理论曲线，也就是相关的理论知识推导，得出的物理关系所对应的函数曲线，这个图就说明一个问题，就是理论和实验已经发生了偏离。再仔细看这个图，大家会发现什么呢？在波长比较短的区域，维恩线和实验曲线吻合得比较好，在波长长的区域，瑞利金斯线和实验曲线也是吻合的比较好的。看了这个图你会想到什么呢？你可能会想如果在理论分析过程中，把这两部分科学家，所从事的理论分析的曲线各取其长，能够综合在一块多好，那样说不定得出的函数关系，就和实验曲线能够做到比较好的吻合。当时普朗克也是这么想的，这促使他在维恩公式，和瑞利-金斯的公式之间寻求协调统一。1900年10月，在德国物理学会的年会上普朗克给出了一个物理公式，这个公式和实验曲线吻合的非常好。当把这个公式拿出来时，就有人说，这定是用数学中的内插法得到的一个关系，就相当于把前面的两批物理学家，从事相关的研究，得到的对应的函数关系综合起来，事实上也是这样的

的”。 下面来了解量子力学创始人——普朗克： 普朗克是德国物理学家，1858 年生于德国的基尔，普朗克少年时就表现 出很有天分。他对数学和音乐有特殊的爱好。据说，中学毕业选择专业时， 他曾在音乐和自然科学之间犹豫不决。他会钢琴、管风琴和大提琴，还上过 演唱课，曾在慕尼黑学生学者歌唱协会为多首歌曲和一部轻歌剧作曲。但是 普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业，而是决定学习物理。他的老师约 里曾劝阻他这样做。在约里的眼里，当时的物理学已是一门高度发展的、几 乎是尽善尽美的科学，似乎在这个领域已无事可做。约里的观点实际是反映 了当时物理学家的普遍想法。但是普朗克回复道：“我并不期望发现新大陆， 只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”1900 年普朗克为了 解释黑体辐射问题，提出了能量子假说，由此开创了物理学研究的新时代， 下面来了解普朗克提出“能量子假设”的过程。 这是一条实验曲线和理论的函数曲线图，这个图不管你对物理知识了解 有多少，应该是很容易看懂。横坐标是波长，在这里的三条曲线中，其中有 一条由点连成的线，是实验曲线，由实验数据得出的，这条曲线反映了实验 的规律，是提到的黑体辐射实验规律，实验规律我们如何用理论加以解释 呢？在当时就有不少物理学家从事相关的研究，看另外两条线，一条叫维恩 线，一条叫瑞利金斯线，维恩从热力学普遍理论考虑，并分析实验数据的得 出一个半经验公式，但是维恩公式并不是与所有实验数据吻合的很好，在长 波波段，维恩公式与实验有严重偏离。瑞利和金斯根据经典电动力学和统计 物理学，也得出黑体辐射能量分布公式，他们得出的公式在长波部分与实验 结果比较符合，但是随着频率的增加，辐射能量单调地增加，在高频部分趋 于无限大，即在紫色一端发散，这一情况被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。 不管是维恩线也好，还是瑞利金斯线也好，都是两条理论曲线，也就是相关 的理论知识推导，得出的物理关系所对应的函数曲线，这个图就说明一个问 题，就是理论和实验已经发生了偏离。再仔细看这个图，大家会发现什么呢？ 在波长比较短的区域，维恩线和实验曲线吻合得比较好，在波长长的区域， 瑞利金斯线和实验曲线也是吻合的比较好的。看了这个图你会想到什么呢？ 你可能会想如果在理论分析过程中，把这两部分科学家，所从事的理论分析 的曲线各取其长，能够综合在一块多好，那样说不定得出的函数关系，就和 实验曲线能够做到比较好的吻合。当时普朗克也是这么想的，这促使他在维 恩公式，和瑞利-金斯的公式之间寻求协调统一。 1900 年 10 月，在德国物理学会的年会上普朗克给出了一个物理公式， 这个公式和实验曲线吻合的非常好。当把这个公式拿出来时，就有人说，这 一定是用数学中的内插法得到的一个关系，就相当于把前面的两批物理学 家，从事相关的研究，得到的对应的函数关系综合起来，事实上也是这样的。 启发式教学 动画演示

当时的普朗克还非常的乐观，他说是属于物理方面的基础问题，应该很容易找到，这个关系式对应的理论根据，之后普朗克一找就找了两个多月，他发现要使得这个公式成立，用经典物理学所有的原理，都没有办法实现这样一个形式，除非构建一个前提条件：辐射的黑体是由带电的谐振子组成，这些谐振子的能量是不连续的，它只能是基本能量子能量的整数倍。其中这个基本能量子的能量，他用e表示而且明确的表示出e等于hV，h是一个常量，V是辐射的电磁波的频率。假如这样一个前提假设是对的，刚才的那个关系就可以顺理成章的得到，而且也可以看到它和实验曲线吻合度非常高的。而这样的前提，是和经典物理学的理论离经叛道的，实际上普朗克的这个关系式，本身就蕴藏了重大的物理含义，e是一个能量子的能量，h是一个常量，后来为了纪念普朗克，就把这个常量称为普朗克常量，V是辐射的电磁波的频率。大家注意e是一个能量子的能量，v是辐射的波的频率，能量子、一个粒子的能量，一束波的频率。能联想到什么？波动、粒子，蕴藏了波动和粒子的两重特性，只是普朗克没有深究这个问题。原因何在？他提出的这个设想，几乎被当时所有的物理学家所反对，大家都不能够接受和认同。反而是当时年轻的爱因斯坦，迅速的从e等于hv关系中获取了灵感，提出了他的光量子理论。爱因斯坦诞生于1879年，1900年爱因斯坦只有21岁，他却对普朗克提出的能量子假设非常的感兴趣。大家对这一块物理知识熟悉就知道，在光量子理论中，爱因斯坦提出一个光子的能量也是hv，爱因斯坦就是借鉴了普朗克的量子假设，到后来呢玻尔的能级跃迁辐射能量也用到了hV。只是普朗克自已还没有意识到这一点，他在提出了能量子假设之后，他做了一些什么样的工作呢？由于大家都是反对的原因，所以之后他就在经典物理学的理论框架内，不断地去寻找他给出的公式相关的理论的支撑，但是找了很多年都没有找到。曾经在找的过程中跟他的儿子说过这样一句话：我提出的能量子假设，要么是荒诞不经的，要么对物理学的贡献可以和牛顿相媲美的。自已也非常矛盾，这种矛盾很好理解，因为周围所有的权威和学者，都不认同你的时候，你自然而然就会对自己产生怀疑。普朗克从他提出能量子假设，到最后被大家完全接受，中间经历了漫长的18年时间。而且期间在1911年，诺贝尔奖颁给了从事黑体辐射研究的物理学家维恩，即便维恩的曲线和实验曲线是不吻合的，这对普朗克是一个重大的打击。我们再来了解能量子概念的哲学意义。普朗克的量子理论是牛顿以后自然哲学所经受的最巨大、最深刻的变革，它的影响绝不仅局限于物理学一门学科，它已经深远地触及到了人类“认识”本身的种种问题。自从17世纪以来，“一切过程都是连续的”这条原理几乎被认为是理所当然的。牛顿创立的微积分学的基本精神正体现了这一点。在18世纪和19世纪的许多科学家心目中，也认为这条原理是勿庸置疑的。麦克斯韦的电磁理论以微分方程

当时的普朗克还非常的乐观，他说是属于物理方面的基础问题，应该很容易 找到，这个关系式对应的理论根据，之后普朗克一找就找了两个多月，他发 现要使得这个公式成立，用经典物理学所有的原理，都没有办法实现这样一 个形式，除非构建一个前提条件：辐射的黑体是由带电的谐振子组成，这些 谐振子的能量是不连续的，它只能是基本能量子能量的整数倍。其中这个基 本能量子的能量，他用ε表示 而且明确的表示出ε等于 hν，h 是一个常量，ν 是辐射的电磁波的频率。假如这样一个前提假设是对的，刚才的那个关系就 可以顺理成章的得到，而且也可以看到它和实验曲线吻合度非常高的。而这 样的前提，是和经典物理学的理论离经叛道的，实际上普朗克的这个关系式， 本身就蕴藏了重大的物理含义，ε是一个能量子的能量，h 是一个常量，后来 为了纪念普朗克，就把这个常量称为普朗克常量，ν是辐射的电磁波的频率。 大家注意ε是一个能量子的能量，ν是辐射的波的频率，能量子、一个粒子的 能量，一束波的频率。能联想到什么？波动、粒子， 蕴藏了波动和粒子的 两重特性，只是普朗克没有深究这个问题。原因何在？他提出的这个设想， 几乎被当时所有的物理学家所反对，大家都不能够接受和认同。反而是当时 年轻的爱因斯坦，迅速的从ε等于 hν关系中获取了灵感，提出了他的光量子 理论。 爱因斯坦诞生于 1879 年，1900 年爱因斯坦只有 21 岁，他却对普朗克 提出的能量子假设非常的感兴趣。大家对这一块物理知识熟悉就知道，在光 量子理论中，爱因斯坦提出一个光子的能量也是 hν，爱因斯坦就是借鉴了普 朗克的量子假设，到后来呢 玻尔的能级跃迁 辐射能量也用到了 hν。只是普 朗克自己还没有意识到这一点，他在提出了能量子假设之后，他做了一些什 么样的工作呢？由于大家都是反对的原因，所以之后他就在经典物理学的理 论框架内，不断地去寻找他给出的公式相关的理论的支撑，但是找了很多年 都没有找到。曾经在找的过程中跟他的儿子说过这样一句话：我提出的能量 子假设，要么是荒诞不经的，要么对物理学的贡献可以和牛顿相媲美的。自 己也非常矛盾，这种矛盾很好理解，因为周围所有的权威和学者，都不认同 你的时候，你自然而然就会对自己产生怀疑。普朗克从他提出能量子假设， 到最后被大家完全接受，中间经历了漫长的 18 年时间。而且期间在 1911 年，诺贝尔奖颁给了从事黑体辐射研究的物理学家维恩，即便维恩的曲线和 实验曲线是不吻合的，这对普朗克是一个重大的打击。 我们再来了解能量子概念的哲学意义。普朗克的量子理论是牛顿以后自 然哲学所经受的最巨大、最深刻的变革，它的影响绝不仅局限于物理学一门 学科，它已经深远地触及到了人类“认识”本身的种种问题。自从 17 世纪 以来，“一切过程都是连续的”这条原理几乎被认为是理所当然的。牛顿创 立的微积分学的基本精神正体现了这一点。在 18 世纪和 19 世纪的许多科学 家心目中，也认为这条原理是勿庸置疑的。麦克斯韦的电磁理论以微分方程

组的形式表现，使这种思想再一次获得认同。而能量子概念的提出，使连续性的观念被破坏了。它表明：在自然界中存在着这样一些过程，它们的发生不是平稳的，而是跃变的，按照普朗克的说法是爆炸式的。能量子现象的揭示向世人宣告：过去我们在假设一切因果关系都是连续的基础上建立起来的物理思想和方法，必须加以彻底的改造。普朗克能量子假设大胆的脱离了经典物理学的轨道，采用了辐射系统与辐射场间以不连续的方式交换能量的概念。普朗克在提出能量子假设过程中备受煎熬，相关的理论提出来要被大家所认同，经历的过程确实是非常曲折的。大家在学习量子理论包括相对论的时候，你就会发现一个现象，很多物理学家在提出新的理论的时候，首先都不叫理论，都是什么什么假设。比方说狭义相对论的两条基本假设，普朗克的能量子假设，还有爱因斯坦的光量子假设，德布罗意的物质波假设..为什么都叫假设呢？因为作为量子理论，它的理论体系，就有别于经典物理学的理论体系，也就是在以往的已有的物理体系中，没有相关的知识来支撑这些新的说法，为什么要提出这样的假设呢？是因为遇到了新的实际问题。随着人们对于实验观察手段的提高，发现很多的实验规律，已经没有办法用经典理论知识加以解释，怎么解释它呢？要提出新的假设。新的假设，首先是针对于某一个实验规律提出来的。就像能量子假设，是针对于黑体辐射的实验规律提出来的，提出来之后可以比较好的解释，当时用经典物理知识，无法解释的某一个实验现象。但通常大家是很难接受的，因为在以往的知识中是没有的，而当提出的假设，不断地被实验规律验证是正确的时候，就可以逐步的被人接受了，后假设就会上升到原理的高度，其中蕴藏的就是物理学的科学思维过程和科学研究方法。2、伟大是导师卢瑟福提到卢瑟福，自然会想到原子核式模型，或是阿尔法粒子散射实验，之所以把标题用：伟大是导师卢瑟福，是希望大家对卢瑟福有更全面的了解，除了他对物理学的杰出的贡献之外，他还是一位非常了不起的，或者可以说是一位空前的老师。因为没有哪一位老师，比卢瑟福做得更好。在卢瑟福的年代，他培养出了近十多位诺贝尔奖的获得者，也包括了后面我们要重点介绍的，丹麦的物理学家玻尔，卢瑟福也被称为“近代原子核物理学之父”。他是英籍新西兰物理学家，电子的发现者汤姆孙的学生。1898年在加拿大麦吉尔大学担任物理学教授。1907年他回英国曼彻斯特大学任教。1919年应邀到剑桥接替汤姆孙担任卡文达什实验室主任。1925年当选为英国皇家学会主席。1931年被英国的皇室封为纳尔逊男爵，去世时安葬在威斯敏斯特教堂、牛顿的身旁。作为英国人，能安葬在威斯敏斯特教堂，作为物理学家，能安葬在牛顿的旁边，都是至高无上的荣誉。威斯敏斯特教堂也叫西敏寺，是英国非常知名的教堂，英国很多重大的事件，都和威斯敏斯特教堂有关的，2011年威廉王子和凯特王妃的婚礼，就

组的形式表现，使这种思想再一次获得认同。而能量子概念的提出，使连续 性的观念被破坏了。它表明：在自然界中存在着这样一些过程，它们的发生 不是平稳的，而是跃变的，按照普朗克的说法是爆炸式的。能量子现象的揭 示向世人宣告：过去我们在假设一切因果关系都是连续的基础上建立起来的 物理思想和方法，必须加以彻底的改造。普朗克能量子假设大胆的脱离了经 典物理学的轨道，采用了辐射系统与辐射场间以不连续的方式交换能量的概 念。普朗克在提出能量子假设过程中备受煎熬，相关的理论提出来要被大家 所认同，经历的过程确实是非常曲折的。 大家在学习量子理论包括相对论的时候，你就会发现一个现象，很多物 理学家在提出新的理论的时候，首先都不叫理论，都是什么什么假设。比方 说狭义相对论的两条基本假设，普朗克的能量子假设，还有爱因斯坦的光量 子假设，德布罗意的物质波假设.为什么都叫假设呢？因为作为量子理论， 它的理论体系，就有别于经典物理学的理论体系，也就是在以往的已有的物 理体系中，没有相关的知识来支撑这些新的说法，为什么要提出这样的假设 呢？是因为遇到了新的实际问题。随着人们对于实验观察手段的提高，发现 很多的实验规律，已经没有办法用经典理论知识加以解释，怎么解释它呢？ 要提出新的假设。新的假设，首先是针对于某一个实验规律提出来的。就像 能量子假设，是针对于黑体辐射的实验规律提出来的，提出来之后可以比较 好的解释，当时用经典物理知识，无法解释的某一个实验现象。但通常大家 是很难接受的，因为在以往的知识中是没有的，而当提出的假设，不断地被 实验规律验证是正确的时候，就可以逐步的被人接受了，后假设就会上升到 原理的高度，其中蕴藏的就是物理学的科学思维过程和科学研究方法。 2、伟大是导师卢瑟福 提到卢瑟福，自然会想到原子核式模型，或是阿尔法粒子散射实验，之 所以把标题用：伟大是导师卢瑟福，是希望大家对卢瑟福有更全面的了解， 除了他对物理学的杰出的贡献之外，他还是一位非常了不起的，或者可以说 是一位空前的老师。因为没有哪一位老师，比卢瑟福做得更好。在卢瑟福的 年代，他培养出了近十多位诺贝尔奖的获得者，也包括了后面我们要重点介 绍的，丹麦的物理学家玻尔，卢瑟福也被称为“近代原子核物理学之父”。 他是英籍新西兰物理学家，电子的发现者汤姆孙的学生。1898 年在加拿大 麦吉尔大学担任物理学教授。1907 年他回英国曼彻斯特大学任教。1919 年 应邀到剑桥接替汤姆孙担任卡文达什实验室主任。1925 年当选为英国皇家 学会主席。1931 年被英国的皇室封为纳尔逊男爵，去世时安葬在威斯敏斯 特教堂、牛顿的身旁。作为英国人，能安葬在威斯敏斯特教堂，作为物理学 家，能安葬在牛顿的旁边，都是至高无上的荣誉。 威斯敏斯特教堂也叫西敏寺，是英国非常知名的教堂，英国很多重大的 事件，都和威斯敏斯特教堂有关的，2011 年威廉王子和凯特王妃的婚礼，就

是在威斯敏斯特教堂完成的。在这个教堂中除了有牛顿、卢瑟福之外，像丘吉尔还像达尔文、狄更斯、法拉第了都安葬在这个地方，我们看看视频里介绍的威斯敏斯特教堂（插入视频）再来了解卢瑟福对科学的贡献，贡献归纳为四条：第一条关于放射性的研究，1908年他因放射性的研究，获得诺贝尔化学奖，第二是1911年提出原子的核式模型结构。什么是原子核式模型？在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转，这一模型也被称为“行星模型”。在这之前大家认同的是葡萄干布丁模型。什么是葡萄干布丁模型呢？是由电子的发现者汤姆孙提出：原子呈圆球状充斥着正电荷，而带负电荷的电子则像一粒粒葡萄干一样镶嵌其中。第三是实现了人工核反应，第四我这里专门列一条人才的培养。因为我刚刚讲过，作为老师卢瑟福是空前的。另外他还预言了中子的存在，正是因为他敏锐的洞察力，提出了中性粒子的这个设想，才使得后来他的学生查德威克，在实验室中发现了中子，还有放射性强度的单位，是以卢瑟福的名字来命名的。这里有一段话：一位杰出的科学家不一定是一位伟人，而一位伟大的导师则必然是伟人。这个是他的学生，1978年诺贝尔奖获得者，卡皮查对他导师的评价。有人说，如果世界上设立培养人才的诺贝尔奖的话。卢瑟福一定是第一个能够获此殊荣的人。玻尔也曾深情的称卢瑟福是他的第二个父亲。费米说，卢瑟福在科学史上被怀念，不仅因为他的贡献，而且还因为“他作为教师这个字眼最高意义上的一个教师”。他提倡鼓励学生思考问题，提出问题，自己解决问题。下面了解卢瑟福的科学精神和物理方法：首先：抓住关键问题进行一系列准确而简单的实验。在诺贝尔化学奖受奖演说中，卢瑟福描述了他和盖革，长时间利用低倍显微镜，在暗室中“枯燥地”计数a粒子击中硫化锌屏上的闪烁次数，并与其他方法比较。这样的工作精神也导致原子有核结构的发现。正是在这些目的明确、烦琐、单调的常规工作中，实验者的耐心和毅力导致了辉煌的成就。第二是理论与实验的紧密结合。在1929年皇家学会，卢瑟福曾以“理论与实验”为题说过：“每一个新的实验观察立即被抓住，以检验它是否能被现有的理论所解释....过去十年中物理学明显的迅速发展，主要是由于理论与实验的密切结合”。第三是他特殊的勤奋、敏锐的洞察力和丰富伪科学直觉。他经常在头脑中灵光一现，有个什么样的物理方面的假设他就会要求学生在实验室中尝试着去观测，去寻找他头脑中所想象的实验现象。这当然是基于导师有敏锐的洞察力的前提下，学生通过实验就可以实现或者说达到这样一个目的。所以他的学生也是非常相信他。前面我们也讲过

是在威斯敏斯特教堂完成的。在这个教堂中除了有牛顿、卢瑟福之外，像丘 吉尔还像达尔文、狄更斯、 法拉第了都安葬在这个地方，我们看看视频里 介绍的威斯敏斯特教堂（插入视频） 再来了解卢瑟福对科学的贡献， 贡献归纳为四条：第一条关于放射性的研究，1908 年他因放射性的研究，获 得诺贝尔化学奖，第二是 1911 年提出原子的核式模型结构。 什么是原子核式模型？在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子 的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间 里绕着核旋转，这一模型也被称为“行星模型”。 在这之前大家认同的是葡 萄干布丁模型。 什么是葡萄干布丁模型呢？是由电子的发现者汤姆孙提出：原子呈圆球 状充斥着正电荷，而带负电荷的电子则像一粒粒葡萄干一样镶嵌其中。 第三是实现了人工核反应，第四我这里专门列一条人才的培养。因为我 刚刚讲过， 作为老师卢瑟福是空前的。另外他还预言了中子的存在，正是 因为他敏锐的洞察力，提出了中性粒子的这个设想，才使得后来他的学生査 德威克，在实验室中发现了中子，还有放射性强度的单位，是以卢瑟福的名 字来命名的。 这里有一段话：一位杰出的科学家不一定是一位伟人，而一位伟大的导 师则必然是伟人。这个是他的学生， 1978 年诺贝尔奖获得者，卡皮查对他 导师的评价。有人说， 如果世界上设立培养人才的诺贝尔奖的话。卢瑟福 一定是第一个能够获此殊荣的人。玻尔也曾深情的称卢瑟福是他的第二个父 亲。费米说，卢瑟福在科学史上被怀念，不仅因为他的贡献，而且还因为“他 作为教师这个字眼 最高意义上的一个教师”。他提倡鼓励学生思考问题，提 出问题，自己解决问题。 下面了解卢瑟福的科学精神和物理方法：首先：抓住关键问题进行一系 列准确而简单的实验。在诺贝尔化学奖受奖演说中，卢瑟福描述了他和盖革， 长时间利用低倍显微镜，在暗室中“枯燥地”计数 a 粒子击中硫化锌屏上的 闪烁次数，并与其他方法比较。这样的工作精神也导致原子有核结构的发现。 正是在这些目的明确、烦琐、单调的常规工作中，实验者的耐心和毅力导致 了辉煌的成就。 第二是理论与实验的紧密结合。在 1929 年皇家学会，卢瑟 福曾以“理论与实验”为题说过：“每一个新的实验观察立即被抓住，以检 验它是否能被现有的理论所解释.过去十年中物理学明显的迅速发展，主 要是由于理论与实验的密切结合”。第三是他特殊的勤奋、敏锐的洞察力和 丰富伪科学直觉。他经常在头脑中灵光一现，有个什么样的物理方面的假设， 他就会要求学生在实验室中尝试着去观测，去寻找他头脑中所想象的实验现 象。这当然是基于导师有敏锐的洞察力的前提下，学生通过实验就可以实现 或者说达到这样一个目的。所以他的学生也是非常相信他。前面我们也讲过

关于中子的发现，他是曾经在给他的学生讲关于原子核结构的时候，他讲过这样一句话，他认为在原子核的内部，还有一种中性粒子的存在。他说过这话时，查德威克在场。后来在实验室中，首先发现这一束不带电的粒子流的，并不是查德威克，而是小居里夫妇，居里夫妇在实验室，经常的发现一束不带电的射线，他们理所当然的把它认为是伽马射线。因为大家学习了解放射性就知道，放射线有带正电的阿尔法射线，有带负电的贝塔射线和不带电的伽马射线。但是查德威克在看到这束不带电射线的时候，就联想到导师卢瑟福曾经说过：在原子中有一种中性粒子的存在，所以查德威克就敏锐的感觉到，它有可能是他导师所说的中子流。查德威克也因为中子的发现，获得了1935年的诺贝尔物理学奖。下面介绍卢瑟福工作过的英国的剑桥大学卡文迪什实验中心，当时世界上科学研究中心主要是集中在三个地方，一个是德国的哥廷根、一个是英国的剑桥、还有就是后面要给大家介绍的丹麦的哥本哈根。每一个科学研究中心都有它独到的地方。我们来了解一下剑桥大学卡文迪什实验中心。说到剑桥，就会想到徐志摩的《再别康桥》：轻轻的我走了，正如我轻轻的来；我轻轻的招手，作别西天的云彩....康桥就是剑桥。剑桥大学卡文迪什实验中心是英国实业家、化学家卡文迪什捐资建造的，从这里走出了二十多位诺贝尔奖的获得者。我们来看一看它的前几任主任：它的第一任主任麦克斯韦，第二任主任是瑞利，瑞利因为发现惰性气体氩，获得了1904年的诺贝尔物理学奖，汤姆逊一一电子的发现者，1906年获得诺贝尔物理学奖，卢瑟福获得1908年诺贝尔化学奖，每任主任都非常的了不起。当然麦克斯韦没有获得过诺贝尔奖，麦克斯韦去世的时候还没有诺贝尔奖，麦克斯韦哪一年去世的，麦克斯韦去世的时候，正好是爱因斯坦诞生的时候一一1879年！大家如果将来有机会到英国去，一定去这个地方看一看，感受哪里独特的科学文化氛围。再来看看卢瑟福领导下的卡文迪什实验中心取得的成就，他培养的青年才俊获得了：1921年、1922年诺贝尔化学奖：1922年诺贝尔物理奖；1927年、1935年、1948年、1951年、1978年诺贝尔物理奖；其中1951年是卢瑟福的2位学生共同获得诺贝尔物理奖；1935年的诺贝尔物理学奖就授予了中子的发现者查德威克；1922年的诺贝尔物理学奖授予了在量子理论中做出过卓越贡献的丹麦的科学家玻尔，玻尔是接下来要重点介绍的物理学家。3、玻尔与哥本哈根精神玻尔一一原子物理学及量子力学奠基人，是一位丹麦的物理学家，如果说在20世纪上半叶，能够和爱因斯坦并驾齐驱的就只有玻尔了。玻尔到卡文迪什实验中心研修的时候正好是在卢瑟福的年代，所以卢瑟福是他的导师。当时卢瑟福提出他的原子核式模型，招致了很多物理学家的质疑。因为这样的结构用经典物理学去解释是不稳定的结构。按照经典电磁学理论，当

关于中子的发现，他是曾经在给他的学生讲关于原子核结构的时候，他讲过 这样一句话，他认为在原子核的内部，还有一种中性粒子的存在。他说过这 话时，查德威克在场。后来在实验室中，首先发现这一束不带电的粒子流的， 并不是查德威克，而是小居里夫妇，居里夫妇在实验室，经常的发现一束不 带电的射线，他们理所当然的把它认为是伽马射线。因为大家学习了解放射 性就知道，放射线有带正电的阿尔法射线，有带负电的贝塔射线和不带电的 伽马射线。但是查德威克在看到这束不带电射线的时候，就联想到导师卢瑟 福曾经说过：在原子中有一种中性粒子的存在，所以查德威克就敏锐的感觉 到，它有可能是他导师所说的中子流。查德威克也因为中子的发现，获得了 1935 年的诺贝尔物理学奖。 下面介绍卢瑟福工作过的英国的剑桥大学卡文迪什实验中心，当时世界 上科学研究中心主要是集中在三个地方，一个是德国的哥廷根、一个是英国 的剑桥、还有就是后面要给大家介绍的丹麦的哥本哈根。每一个科学研究中 心都有它独到的地方。 我们来了解一下剑桥大学卡文迪什实验中心。说到剑桥， 就会想到徐 志摩的《再别康桥》：轻轻的我走了，正如我轻轻的来；我轻轻的招手，作 别西天的云彩.康桥就是剑桥。剑桥大学卡文迪什实验中心是英国实业家、 化学家卡文迪什捐资建造的，从这里走出了二十多位诺贝尔奖的获得者。我 们来看一看它的前几任主任：它的第一任主任麦克斯韦，第二任主任是瑞利， 瑞利因为发现惰性气体氩，获得了 1904 年的诺贝尔物理学奖，汤姆逊—— 电子的发现者，1906 年获得诺贝尔物理学奖，卢瑟福获得 1908 年诺贝尔化 学奖，每任主任都非常的了不起。当然麦克斯韦没有获得过诺贝尔奖，麦克 斯韦去世的时候还没有诺贝尔奖，麦克斯韦哪一年去世的，麦克斯韦去世的 时候，正好是爱因斯坦诞生的时候——1879 年！大家如果将来有机会到英国 去，一定去这个地方看一看，感受哪里独特的科学文化氛围。再来看看卢瑟 福领导下的卡文迪什实验中心取得的成就，他培养的青年才俊获得了：1921 年、1922 年诺贝尔化学奖；1922 年诺贝尔物理奖；1927 年、1935 年、1948 年、1951 年、1978 年诺贝尔物理奖；其中 1951 年是卢瑟福的 2 位学生共同 获得诺贝尔物理奖；1935 年的诺贝尔物理学奖就授予了中子的发现者查德威 克；1922 年的诺贝尔物理学奖授予了在量子理论中做出过卓越贡献的丹麦的 科学家玻尔，玻尔是接下来要重点介绍的物理学家。 3、玻尔与哥本哈根精神 玻尔——原子物理学及量子力学奠基人，是一位丹麦的物理学家，如果 说在 20 世纪上半叶，能够和爱因斯坦并驾齐驱的就只有玻尔了。玻尔到卡 文迪什实验中心研修的时候正好是在卢瑟福的年代，所以卢瑟福是他的导 师。当时卢瑟福提出他的原子核式模型，招致了很多物理学家的质疑。因为 这样的结构用经典物理学去解释是不稳定的结构。按照经典电磁学理论，当

带电粒子作加速运动时，会发射电磁波，放出能量。因此，绕核运动的电子因辐射而损失能量最后导致落到原子核上。玻尔到了卡文迪什实验中心，他非常票拜卢瑟福。卢瑟福敏锐的洞察力，也让他的学生非常的信服。有人问过玻尔，是不是当时这个核式模型很多人不相信，你却是支持你导师的说法，他说：我不光是支持他，我坚信我导师说的每一句话都是正确的。玻尔在卡文迪什实验中心的研修过程中，他就把他的研究课题定为：“卢瑟福模型的稳定性问题和原子光谱线状结构成因的解释”。玻尔是怎么考虑这个问题的呢？当时人们已经发现原子往外辐射的电磁波是不连续的，辐射观测出的现象有不连续的特征，他就想到是不是原子本身在结构上具有不连续的特征呢？这是当时玻尔所思考的问题。实际上在量子理论学习过程中，我们经常会提到不连续，不连续就是说某一个物理量的取值具有不连续的特征，就叫物理量具有量子化特征，量子这两个字就是这样来的，就是物理量的取值不连续。前面的能量子假设，黑体辐射过程中，往外辐射的能量是基本能量子能量的整数倍，什么叫整数倍，就是能量取值的不连续。1913年，玻尔利用普朗克的能量子概念为解决当时原子结构的稳定性问题获得了成功。玻尔的逻辑是：如果微观系统只能以量子化的方式吸收或发射量子化的场，那么最简单的解释就是，微观系统的能量都被限制为分立的结构。玻尔理论成功地解释了原子的稳定性、原子的大小及氢原子光谱的规律性。玻尔理论中的定态、量子化、跃迁等概念现在仍然有效。由于研究原子结构和原子辐射的贡献，玻尔荣获1922年诺贝尔物理学奖。玻尔的一生成就显著，他的论文遍及物理学、哲学、生物学、生理学、医学、人类学等方面。他是著名的科学家，也是情操高尚的学者。并且兴趣广泛，年轻时还是丹麦国家足球队队员。我曾经在中央台的足球之夜看过一个节目，介绍世界上学历最高的十大球员，从第十个开始，十九八七...当时我头脑中就闪现过一个想法，我说应该会有尼尔斯玻尔吧，结果排在第一位的就是玻尔。1908年的奥运会是在当时的英国伦敦召开的，丹麦的国家足球队获得了足球的银牌，参加这届奥运会的有玻尔的弟弟，玻尔很遗撼的落选了那一届的国家队，玻尔曾经是一名足球门将。大家很难想象一位足球运动员，和诺贝尔物理学奖是有关联的，或者说一位世界上顶尖的物理学家，他还有足球方面的爱好，而且这个爱好还是做得比较专业的。1922年在斯德哥摩给他授奖时，有一家丹麦报纸就这样风趣地报道说：授予“著名足球运动员玻尔”诺贝尔奖。关于玻尔提出的相关的理论，后来法国科学家弗兰克和赫兹，通过实验做出了验证。我们发现所有的理论，先是假设，当假设上升到理论的高度，是反复被实验验证是正确的时候，才能被大家所认同。接下来我们介绍的是，当时世界上三大科学研究中心的其中的第二个，哥本哈根理论物理研究所。哥本哈根理论物理研究所是1921年玻尔创立的

带电粒子作加速运动时，会发射电磁波，放出能量。因此，绕核运动的电子 因辐射而损失能量最后导致落到原子核上。 玻尔到了卡文迪什实验中心，他非常崇拜卢瑟福。卢瑟福敏锐的洞察力， 也让他的学生非常的信服。有人问过玻尔， 是不是当时这个核式模型很多 人不相信，你却是支持你导师的说法，他说：我不光是支持他，我坚信我导 师说的每一句话都是正确的。玻尔在卡文迪什实验中心的研修过程中，他就 把他的研究课题定为：“卢瑟福模型的稳定性问题和原子光谱线状结构成因 的解释”。玻尔是怎么考虑这个问题的呢？当时人们已经发现原子往外辐射 的电磁波是不连续的，辐射观测出的现象有不连续的特征，他就想到是不是 原子本身在结构上具有不连续的特征呢？这是当时玻尔所思考的问题。实际 上在量子理论学习过程中，我们经常会提到不连续，不连续就是说某一个物 理量的取值具有不连续的特征，就叫物理量具有量子化特征，量子这两个字 就是这样来的，就是物理量的取值不连续。前面的能量子假设，黑体辐射过 程中，往外辐射的能量是基本能量子能量的整数倍，什么叫整数倍，就是能 量取值的不连续。 1913 年，玻尔利用普朗克的能量子概念为解决当时原子结构的稳定性问 题获得了成功。玻尔的逻辑是：如果微观系统只能以量子化的方式吸收或发 射量子化的场，那么最简单的解释就是，微观系统的能量都被限制为分立的 结构。玻尔理论成功地解释了原子的稳定性、原子的大小及氢原子光谱的规 律性。玻尔理论中的定态、量子化、跃迁等概念现在仍然有效。由于研究原 子结构和原子辐射的贡献，玻尔荣获 1922 年诺贝尔物理学奖。玻尔的一生 成就显著，他的论文遍及物理学、哲学、生物学、生理学、医学、人类学等 方面。他是著名的科学家，也是情操高尚的学者。并且兴趣广泛，年轻时还 是丹麦国家足球队队员。我曾经在中央台的足球之夜看过一个节目，介绍世 界上学历最高的十大球员，从第十个开始，十九八七.当时我头脑中就闪 现过一个想法，我说应该会有尼尔斯玻尔吧，结果排在第一位的就是玻尔。 1908 年的奥运会是在当时的英国伦敦召开的，丹麦的国家足球队获得了足球 的银牌，参加这届奥运会的有玻尔的弟弟，玻尔很遗憾的落选了那一届的国 家队，玻尔曾经是一名足球门将。大家很难想象一位足球运动员，和诺贝尔 物理学奖是有关联的，或者说一位世界上顶尖的物理学家，他还有足球方面 的爱好，而且这个爱好还是做得比较专业的。1922 年在斯德哥摩给他授奖时， 有一家丹麦报纸就这样风趣地报道说：授予“著名足球运动员玻尔”诺贝尔 奖。关于玻尔提出的相关的理论，后来法国科学家弗兰克和赫兹，通过实验 做出了验证。我们发现所有的理论，先是假设，当假设上升到理论的高度， 是反复被实验验证是正确的时候，才能被大家所认同。 接下来我们介绍的是，当时世界上三大科学研究中心的其中的第二个， 哥本哈根理论物理研究所。哥本哈根理论物理研究所是 1921 年玻尔创立的

后来为了纪念玻尔称为尼尔斯玻尔研究所。创立这个研究所有一个典故，我觉得大家是一定要了解的。玻尔从卡文迪什实验中心走出来，已经是一位非常有名的物理学家了，当时世界上很多的学校和相关的研究机构，都想聘请玻尔到他们所在的地方，从事相关的理论或者教学研究，但是都被玻尔婉言谢绝了。在卡文迪什实验中心学习的这段时间，对他是受益终生的，他说他要回到自已的国家，在丹麦这个的国家，创立一所和卡文迪什实验中心同样伟大的科学研究中心。当时大家都觉得这个想法，是很难实现的。都知道丹麦在当时，是一个人口不足五百万的国家，也没有像英国剑桥大学那样有深厚的文化底蕴，要创立一个和卡文迪什实验中心齐名的研究所太难了。但玻尔还是毅然决然地回国了，他立志于要在国内创立这样一个研究中心，最终他也做到了。尼尔斯玻尔研究所，也被物理学界称为朝拜圣地和量子力学的诞生地，他是怎么做到的呢？他积极提倡科学上的国际合作，一些世界著名的物理学家都曾在这里工作、学习或讲学、访问。几十年来，哥本哈根理论物理研究所培养了600多名外国学者，其中很多人成为世界著名的科学家，获得诺贝尔奖金的就有10人以上。这个研究所之所以能取得辉煌的成就，主要原因是这里有一种闻名于世的哥本哈根精神，即：谦虚、坦率、热烈、自由、平等的学术讨论和充分的国际合作精神。正是这种优良的精神品德，使他们成功地建立了世界一流的理论物理学派一一哥本哈根学派。大家知道，要创立一个世界上顶级的研究所，不光是硬件条件，还有师资、生源等各方面的因素。玻尔是怎么做到的？他面向全世界招募学生，只要是你是对物理感兴趣的学生，你都可以到玻尔的理论物理研究所，从事相关的物理理论方面的学习。第二是平等的交流，玻尔什么时候，都可以和他的学生进行平等的交流和对话，这是作为一位物理大师非常了不起的品德。海森堡曾经写过一篇回忆录，他对哥本哈根精神，所做的解释是：第一是科学国际主义；第二是独特的研究风格，就是平等自由的交谈和讨论，是哥本哈根精神的两条精髓。海森堡的名言“科学扎根于讨论之中”。法国科学家巴斯德说过：“科学没有国界，但科学家有祖国。”这句话我认为是对玻尔一生最好的诠释。科学没有国界，他倡导科学国际主义精神，科学家有自己的祖国，玻尔的爱国情怀大家都是可以一目了然的。他在自己的国家，创立了世界上三大科学研究中心之一，哥本哈根理论物理研究所。下面来了解玻尔理论的美学意义：玻尔对卢瑟福的原子核模型进行了量子化轨道的处理。提出了“定态”和“跃迁”两个公设。玻尔理论的美，在于出色地从两个公设出发，演绎出电子运动轨道半径、能量与能级，把有关原子的两套信息，一一化学性质的周期性与原子光谱的不连续性有机地结合在一起。这成功地摆脱了卢瑟福核式模型的困难，绝妙地解释了原子结构的稳定性。再来了解玻尔的互补性原理：玻尔认为在微观世界中，应当彻底改变对

后来为了纪念玻尔称为尼尔斯玻尔研究所。创立这个研究所有一个典故，我 觉得大家是一定要了解的。玻尔从卡文迪什实验中心走出来，已经是一位非 常有名的物理学家了，当时世界上很多的学校和相关的研究机构，都想聘请 玻尔到他们所在的地方，从事相关的理论或者教学研究，但是都被玻尔婉言 谢绝了。在卡文迪什实验中心学习的这段时间，对他是受益终生的，他说他 要回到自己的国家，在丹麦这个的国家，创立一所和卡文迪什实验中心同样 伟大的科学研究中心。当时大家都觉得这个想法，是很难实现的。都知道丹 麦在当时，是一个人口不足五百万的国家，也没有像英国剑桥大学那样有深 厚的文化底蕴，要创立一个和卡文迪什实验中心齐名的研究所太难了。但玻 尔还是毅然决然地回国了，他立志于要在国内创立这样一个研究中心，最终 他也做到了。尼尔斯玻尔研究所，也被物理学界称为朝拜圣地和量子力学的 诞生地，他是怎么做到的呢？他积极提倡科学上的国际合作，一些世界著名 的物理学家都曾在这里工作、学习或讲学、访问。 几十年来，哥本哈根理论物理研究所培养了 600 多名外国学者，其中很 多人成为世界著名的科学家，获得诺贝尔奖金的就有 10 人以上。这个研究 所之所以能取得辉煌的成就，主要原因是这里有一种闻名于世的哥本哈根精 神，即：谦虚、坦率、热烈、自由、平等的学术讨论和充分的国际合作精神。 正是这种优良的精神品德，使他们成功地建立了世界一流的理论物理学派— —哥本哈根学派。 大家知道，要创立一个世界上顶级的研究所，不光是硬 件条件，还有师资、生源等各方面的因素。玻尔是怎么做到的？他面向全世 界招募学生，只要是你是对物理感兴趣的学生，你都可以到玻尔的理论物理 研究所，从事相关的物理理论方面的学习。第二是平等的交流，玻尔什么时 候，都可以和他的学生进行平等的交流和对话，这是作为一位物理大师非常 了不起的品德。海森堡曾经写过一篇回忆录，他对哥本哈根精神，所做的解 释是：第一是科学国际主义；第二是独特的研究风格，就是平等自由的交谈 和讨论，是哥本哈根精神的两条精髓。海森堡的名言“科学扎根于讨论之中”。 法国科学家巴斯德说过：“科学没有国界，但科学家有祖国。”这句话我认为 是对玻尔一生最好的诠释。科学没有国界，他倡导科学国际主义精神，科学 家有自己的祖国，玻尔的爱国情怀大家都是可以一目了然的。他在自己的国 家，创立了世界上三大科学研究中心之一，哥本哈根理论物理研究所。 下面来了解玻尔理论的美学意义：玻尔对卢瑟福的原子核模型进行了量 子化轨道的处理。提出了“定态”和“跃迁”两个公设。玻尔理论的美，在 于出色地从两个公设出发，演绎出电子运动轨道半径、能量与能级，把有关 原子的两套信息，——化学性质的周期性与原子光谱的不连续性有机地结合 在一起。这成功地摆脱了卢瑟福核式模型的困难，绝妙地解释了原子结构的 稳定性。 再来了解玻尔的互补性原理：玻尔认为在微观世界中，应当彻底改变对

于宇宙和谐与秩序的审美习惯，必须承认一切最基本的概念，包括时空概念和因果概念都有它们的适用界限。当应用某些为我们曾经习惯的经典概念来描述微观现象时，必然会排除另一些经典概念同样完美地描述微观世界的情况。而这些受到排斥的另一些经典概念，在描述另一种条件下的微观现象时却是不可缺少的。玻尔认为在微观粒子中，波粒二象性的要求本身就是互斥互补的。只有把这些互斥互补的概念集合在一起，才能完美地体现微观运动物质的各种性质与状态。互补性原理怎么理解呢？最容易理解的就是一块硬币有正面反面，拿在手上的时候，你可以看到硬币正面的图案，但是你在看它正面图案的时候，你没法同时看到这个硬币的反面呈现的是一个什么样的图案，看反面又隐藏了它的正面，只有当你正反两面都看清楚的时候，你才能说我对这个硬币的图案是全盘了解的。曾经玻尔在日本游学的时候他给日本的青年学者阐述他的互补性原理的时候，他举了个什么例子呢？富士山的景色。他说清晨的富士山呈现出一个什么样的美景，傍晚的富士山呈现出的又是另外一番景象，但是这两种景象你是没有办法同时观赏到的，他用这个来诠释他的互补性原理。1937年，玻尔借同夫人及次子周游世界。到日本后，他应当时清华大学理学院院长吴有训的邀请来到中国，先后游历了北京、南京、杭州等地。在中国逗留期间，玻尔对我国古代的阴阳八卦学说及老子思想十分欣赏，认为这是对他的互补性原理的最形象的说明。他曾经引用老子《道德经》中的词句作为自己论文的题头词：以阴阳互补性来表示他的互补性原理。阴阳互补，对立统一，这虽然是中国古代朴素的辩证法思想和科学美学理想，但是玻尔通过对微观世界的认识，在现代条件下同样得到了这种科学美学的认识。互补性原理成为哥本哈根学派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至扩展成所谓的互补哲学，受到各界人士的青。1947年，丹麦政府决定授子他级别很高的勋章，要求受勋者有一个族徽。玻尔亲自设计了他的族徽，其中心图案采用了中国古代的“太极图”，来形象地表示他的互补思想。4、文科生德布罗意前面讲到了量子理论发展过程中三位杰出的物理学家，一位是德国的物理学家普朗克，他提出了能量子假设：一位是英国的物理学家卢慧福，他培养了一大批的卓越的青年学生；第三是足球运动员玻尔。接下来我要讲的这一位法国物理学家德布罗意。德布罗意的故事可以激励学习这个课程的文科类的同学，因为法国的这位著名的物理学家他早年并不是从事物理学习的，他是学习文史的。德布罗意可以算是一位法国王子，他的家族自17世纪以来在法国军队、政治、外交方面颇具盛名，数百年来在战场上和外交上为法国各朝国王服务。1740年路易十四封德布罗意家族为德布罗意公爵。德布罗意早先是学文史的，18岁获得巴黎大学历史学士学位，又学了一年的法律。但在他哥哥的影响下，对物理学发生了兴趣。他哥哥莫里斯.德布罗意当时是

于宇宙和谐与秩序的审美习惯，必须承认一切最基本的概念，包括时空概念 和因果概念都有它们的适用界限。当应用某些为我们曾经习惯的经典概念来 描述微观现象时，必然会排除另一些经典概念同样完美地描述微观世界的情 况。而这些受到排斥的另一些经典概念，在描述另一种条件下的微观现象时 却是不可缺少的。玻尔认为在微观粒子中，波粒二象性的要求本身就是互斥 互补的。只有把这些互斥互补的概念集合在一起，才能完美地体现微观运动 物质的各种性质与状态。互补性原理怎么理解呢？最容易理解的就是一块硬 币有正面反面，拿在手上的时候，你可以看到硬币正面的图案，但是你在看 它正面图案的时候，你没法同时看到这个硬币的反面呈现的是一个什么样的 图案，看反面又隐藏了它的正面，只有当你正反两面都看清楚的时候，你才 能说我对这个硬币的图案是全盘了解的。曾经玻尔在日本游学的时候他给日 本的青年学者阐述他的互补性原理的时候，他举了个什么例子呢？富士山的 景色。他说清晨的富士山呈现出一个什么样的美景，傍晚的富士山呈现出的 又是另外一番景象，但是这两种景象你是没有办法同时观赏到的，他用这个 来诠释他的互补性原理。 1937 年，玻尔偕同夫人及次子周游世界。到日本后，他应当时清华大学 理学院院长吴有训的邀请来到中国，先后游历了北京、南京、杭州等地。在 中国逗留期间，玻尔对我国古代的阴阳八卦学说及老子思想十分欣赏，认为 这是对他的互补性原理的最形象的说明。他曾经引用老子《道德经》中的词 句作为自己论文的题头词；以阴阳互补性来表示他的互补性原理。阴阳互补， 对立统一，这虽然是中国古代朴素的辩证法思想和科学美学理想，但是玻尔 通过对微观世界的认识，在现代条件下同样得到了这种科学美学的认识。互 补性原理成为哥本哈根学派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至 扩展成所谓的互补哲学，受到各界人士的青睐。1947 年，丹麦政府决定授子 他级别很高的勋章，要求受勋者有一个族徽。玻尔亲自设计了他的族徽，其 中心图案采用了中国古代的“太极图”，来形象地表示他的互补思想。 4、文科生德布罗意 前面讲到了量子理论发展过程中三位杰出的物理学家，一位是德国的物 理学家普朗克，他提出了能量子假设；一位是英国的物理学家卢瑟福，他培 养了一大批的卓越的青年学生；第三是足球运动员玻尔。接下来我要讲的这 一位法国物理学家德布罗意。德布罗意的故事可以激励学习这个课程的文科 类的同学，因为法国的这位著名的物理学家他早年并不是从事物理学习的， 他是学习文史的。德布罗意可以算是一位法国王子，他的家族自 17 世纪以 来在法国军队、政治、外交方面颇具盛名，数百年来在战场上和外交上为法 国各朝国王服务。1740 年路易十四封德布罗意家族为德布罗意公爵。德布 罗意早先是学文史的，18 岁获得巴黎大学历史学士学位，又学了一年的法律。 但在他哥哥的影响下，对物理学发生了兴趣。他哥哥莫里斯.德布罗意当时是