简介
当代研究人的创造性的诸多前沿领域,如认知心理学、科学哲学、人工智能、认知科学等等,都涉及对科学大师的研究方法的研究。近20多年兴起的机器发现,首先就是对科学史学家提供的材料,编制程序,在机器中重新作出历史上的伟大发现。借助于人工智能手段,人们已经在机器上重新发现了波义耳定律、开普勒行星运动第三定律,提出了燃素理论。萨伽德甚至用机器研究科学理论的竞争与接收,系统研究了拉瓦锡氧化理论、达尔文进化学说、魏格纳大陆漂移说、哥白尼日心说、牛顿力学、爱因斯坦相对论、量子论以及心理学中的行为主义和认知主义形成的革命过程和接收过程。科学元典以其方法学上的创造性而彪炳史册,永远值得后人学习和研究。
本套装包含《玻尔讲演录》、《德布罗意文选》、《化学键的本质》、《李比希文选》、《牛顿光学(第二版)》、《相对论的意义》、《薛定谔讲演录》、《计算机与人脑》、《惠更斯光论》、《狭义与广义相对论浅说》、《电磁通论》、《居里夫人文选》、《化学基础论》、《化学哲学新体系》、《自然哲学之数学原理》、《怀疑的化学家》共16册。
作者介绍
〔奥地利〕薛定谔(Erwin Schrdinger,1887-1961),20世纪最伟大的科学家之一,荣获1933年诺贝尔物理学奖,其还是一位杰出的哲学家、诗人。
莱纳斯·鲍林(Linus Carl Pauling,1901—1994),美国著名化学家,量子化学和结构生物学的先驱,被誉为20世纪对化学科学影响最大的人。1954年因在化学键方面的工作成就获得诺贝尔化学奖, 1962年因积极反对美国在大气中进行核试验的行动获得诺贝尔和平奖,成为历史上除了居里夫人之外,两次获得诺贝尔奖不同奖项的著名科学家。《化学键的本质》是鲍林的代表作,也是化学史上最重要的著作之一,被认为是现代化学史上的《圣经》。
玻尔是哥本哈根学派的创始人,1922年诺贝尔物理学奖获得者。历任哥本哈根理论物理研究所所长、丹麦皇家科学院院长、丹麦原子能委员会主席。倡议建立欧洲原子核研究中心(CERN),并任主席;参与创建北欧理论原子物理学研究所,并担任管委会主任。玻尔与爱因斯坦是真挚的诤友,在长达35年的友谊中,他们唇枪舌战,却一直互相关心,互相尊重。1947年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩,封他为””骑象勋爵””。
部分摘录:
1885年10月7日星期五,这是一个寒冷的日子,丹麦哥本哈根大学克里斯蒂安教授的大儿子尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885—1962)诞生了。
这是丹麦人从此再也不能忘怀的光荣的日子;全世界的人也不能忽视这个值得纪念的日子。这是因为尼尔斯·玻尔后来为人类科学、文化、和平事业,作出了伟大的贡献。一位美国传记作家穆耳(Ruth Moore)曾经在她写的《尼尔斯·玻尔传》中充满激情地写道:
能改变世界历史进程的人是为数不多的。
然而,尼尔斯·玻尔却使历史进程发生了一次改变。原子时代的到来,在很大程度上有赖于他的科学研究,以及他所发挥的作用。从对于同时代人和整个世界的生活发挥指导作用这一点来说,很少有人能够比得上他。
而且,玻尔还差一点就使历史进程又一次改变。在改变(“二战”)战后纷乱的、天晓得会把世界引向何处的核军备竞赛上,他是功败垂成的。玻尔所宣传的“另一条道路”是否能够消除冷战,是否能够制止核力量的成倍增长呢?谁也无法作出回答。唯一明确的是,当玻尔所提的有关进行有效的国际合作的建议遭到拒绝——其主要原因是听命于丘吉尔一人的英国政府作出了决定——之后,玻尔预言的危险就真的出现了。
一个人能起这样的作用,真是令人难以置信。何况这个人性格谦和,又出生在政治上并非强盛的丹麦这样一个乐天的小国里!
我们当代人,不知道爱因斯坦(A.Einstein,1879—1955)的人几乎很少,都知道他的相对论对20世纪科学发展产生的巨大价值,但不少科学大师在评价玻尔对科学的贡献时,认为玻尔的贡献还大于爱因斯坦。如德国物理学家、1932年诺贝尔物理学奖得主海森伯(Werner Heisenberg,1901—1976)于1963年说: “玻尔对我们这个世纪的物理学和物理学家的影响比任何人都大,甚至大过阿尔伯特·爱因斯坦。”
另一位德国物理学家、1954年诺贝尔物理学奖得主玻恩(Max Born,1882—1970)于1923年说: “玻尔对我们时代的理论和实验研究的影响,大于任何其他物理学家。”
我们也许应当注意,玻恩与爱因斯坦的私交比与玻尔的私交好得多,这说明玻恩的说法比较可信。我们还可以提到一位美国物理学家、1946年诺贝尔物理学奖得主布里奇曼(Percy W. Bridgman,1882—1964)说的话,他在1924年写给一位朋友的信中说:
在几乎整个欧洲,玻尔现在被当作一尊科学上帝敬奉着。
一个远在欧洲北方,在波罗的海和北海之间由400多个岛屿组成,其国土总面积只有4.3万多平方公里,人口只有500多万,而且在近代和现代史上,一直受到欧洲腹地诸国不断侵略、国土日益缩小的小国,竟出现了这样一位世界超级科学明星,丹麦人民和丹麦政府不会感到巨大的荣耀吗?全世界人民不会为此瞩目这个小小的岛国吗?固然,不少学者对于如此“过高”评价玻尔有不同看法,并提出批评性的意见,但是,玻尔对物理学的贡献在1913年提出的《三部曲》里,确实是一件非常了不起的、对量子理论的发展起了不可替代的贡献的事,这是任何研究物理学历史的人都无法否认的。
玻尔能够作出如此重大的贡献,与他的导师、当时在英国曼彻斯特大学的物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937,1908年获得诺贝尔化学奖)有很大的关系。1912年3月,玻尔来到曼彻斯特。他当时也许并没有料到,半年之后他就会脱颖而出,不久就成了世界科学界一颗最明亮的新星。这正是: “安知清流转,忽与前山通。”
《三部曲》的提出
玻尔在1913年8月27日完成的《三部曲》,是人类第一次正确研究氢原子构造的论文。论文第一部分的标题是《正核对电子的束缚》。
玻尔首先讨论的是最简单的原子,即由带一个正电的核和一个电子组成的氢原子。
在2月以前,玻尔已经洞察到用经典物理理论不可能解决原子结构的稳定性问题,只有在量子论里才能寻求到出路。玻尔在获诺贝尔奖演说时这样谈到稳定态(stable state)问题:
在原子系统可能的运动状态中,设想存在着一种“稳定态”。在这些状态中,粒子的运动虽然在很大程度上遵守经典力学的规律,但是,这些状态的稳定性不能用经典力学来解释。
稳定性问题让许多科学大师[包括荷兰的洛伦兹(H. A. Lorentz,1953—1928,1902年获得诺贝尔物理学奖)、J.J.汤姆逊(J.J.Thomson,1856—1940,1906年获得诺贝尔物理学奖)、卢瑟福和玻尔本人]感到束手无策,几乎到了无可奈何的地步。玻尔从普朗克(Max Planck,1858—1947,1918年获得诺贝尔物理学奖)和爱因斯坦的工作中得到启发,认识到人们之所以束手无策,是因为把解决问题的钥匙仍然盯在经典物理学上,如果打破这种观点,事情也许会简单得像哥伦布如何把鸡蛋立起来一样。于是玻尔决定用量子理论来解决稳定态的问题。
普朗克提出的能量不连续性概念,虽然在普朗克那儿带有很大的局限性,但却使玻尔得到很大的启发。能量既然是不连续的,只能采取某些符合普朗克公式(E=nhν)的分立值,而在原子里每一个电子在某一轨道上运动既然也具有相应的能量,那么这能量当然也应该只采取某些分立值。这样,电子就不可能有无限多的轨道,我们可以用普朗克公式作为一个“筛子”,筛选出符合公式的轨道,承认这些轨道是实际存在的,其他轨道都在客观上根本不存在;而这些承认其存在的轨道运动,就被玻尔称为“稳定态”,玻尔还宣称:稳定态的稳定性问题绝对不能用经典物理理论解释。
亚伯拉罕·派斯(Abaraham Pais)在评价玻尔的第一个假设时说: “这是引入物理学中的最大胆假设之一。”
玻尔走到了这一步之后,徘徊了许久,无法继续前进。1913年2月,当他知道了巴尔末公式(Balmer formula)以后,他第二次获得了灵感。我们知道,氢谱线可以精确地用巴尔末公式表示:
我们知道,hν代表普朗克公式中分立的能量值,于是玻尔立即意识到上式两端乘以普朗克常数h,则上式右端的差,实际上是能量的差,而左端正好是发射频率为ν的电磁辐射(如在合适频率下则为可见光)。而这“能量的差”则被玻尔认为是电子从一个稳定态“跃迁”到另一个稳定态时所需之能量。
这就是说,用量子化这个神秘的筛子,筛去了两相邻稳定态之间的所有轨道后,两相邻稳定态之间就被一条似乎“不可逾越的鸿沟”所隔离。
但是,玻尔又说,电子可以逾越这条鸿沟,从一个稳定态“跃迁”到另一个稳定态上去。有了这一关键性的思想突破,玻尔在《三部曲》中又提出了第二个假设:
与经典电磁理论相反,稳定态不发生辐射,只有在两个稳定态之间的跃迁才发生辐射,辐射的特性相当于以恒定频率作谐振动的带电粒子,按经典规律产生的辐射,但频率ν与原子粒子的运动不是单一的关系,而是由下面的关系来决定:
hν=E’-E″
式中h为普朗克常数,E’和E″是原子在两个稳定态(即辐射过程中的初态和末态)的能量值。反之,用这种频率的电磁波照射原子时,可以引起吸收过程,使原子从后一个稳定态跃迁回到前一个稳定态。
如果说,玻尔的第一个假设让许多德高望重、名闻遐迩的老一辈科学家们大不以为然的话,那么第二个假设就让他们觉得这位年轻的丹麦博士太“过分”了,太“异想天开”了!简直不知天高地厚,把经过几代人努力才建立起来的“发光机制”一下子彻底推翻了。经典电磁理论认为,电磁波起因于带电体的振动,而且在一般情形下,电磁波的频率就是带电体振动的频率。这是人们早已视为“金科玉律”、不可动摇的法则了,但玻尔却说:不对,事情根本不是这么一回事!线光谱的出现,不是起因于带电体的振动,而是原子内部电子在跃迁时辐射出来的,而且辐射的频率一般也不等于振动的频率,而是由不同稳定态之间的能量差来决定!
啊哟,这一下子全都乱了套!但是玻尔真是一颗福星,他的“不知天高地厚”的狂妄理论居然在不久之后被两位实验物理学家在无意中证实了!