Bohr氢原子理论对当时的物理学起到巨大推动作用,如1914年Franck-Hertz(弗兰克-赫兹)实验直接证实了Bohr的定态假说(诺奖),1915年Moseley(莫斯利)发现元素的特征X射线的Moseley定律,该实验定律从Bohr的理论中得到了自然而合理的解释(由于Moseley在1915年第一次世界大战阵亡)。
1916年,Sommerfeld(索末菲)将Bohr的圆轨道推广到相对论椭圆轨道,得到了Dirac(狄拉克)相对论量子力学方程。Bohr理论中电子绕原子核运动,可以预测原子具有磁矩,1921年Stern-Gerlach(斯特恩 - 格拉赫)实验证实了原子具有磁矩,其结果和Bohr角动量量子化条件预测相吻合。这是一个戏剧性巧合,使得Stern不再说Bohr的理论没有道理了。Stern获诺奖是因为测量了质子磁矩,显然之前的实验为他增加了筹码。de Broglie(德布罗意)也受到Bohr氢原子工作的影响,他在诺奖仪式上回顾说,Bohr的氢原子理论出现了整数,而物理学中出现整数的地方只有驻波和波的干涉,由此他猜想电子可能具有某种波动性。1923年,de Broglie果然发现了物质波。 1932年,HC Urey(哈罗德·克莱顿·尤里(Harold Clayton Urey)美国宇宙化学家、物理学家)在氢光谱的研究中发现了氢的同位素氘,获1934年诺贝尔化学奖。
除了Bohr氢原子理论的直接影响之外,由此发展的对应原理对物理学的推动作用也是不言而喻的。1925年,Kramers-Heisenberg(克拉默斯-海森堡)完全量子力学的色散关系,1925年Heisenberg创立矩阵力学和Dirac表述量子力学的量子Poisson(泊松)括号的形式等,都是直接使用对应原理的结果。
2.原子的电子结构解释元素周期律
这项工作被视为旧量子论的巅峰之作。1922年,Bohr在氢原子理论基础上想到元素周期律,他设想每个元素原子的电子按一定壳层(主量子数n)填充,而元素的化学性质和光谱主要取决于最外层的价电子。由经验的光谱规律,Bohr还预测了'闭壳层’里面最多能填充的电子的数目,n=1最多2个,n=2最多8个,n=3最多能填18个电子。该工作指导了72号元素铪Hf的发现。Moseley(莫斯利)的经验定律表明当时(1915年)尚有43,61,72,75,85,87和91号元素未被发现,Bohr依据他的元素周期律理论指出72号元素的化学性质和40号元素锆Zr相似,建议D Coster(D.科斯特)和G Hevesy(G.赫维西)到锆矿中寻找,他们果然发现了72号元素。由于该元素是在哥本哈根找到的,他们建议将该元素命名为铪Hf(哥本哈根的拉丁拼法)。
Wolfgang Pauli(沃尔夫冈·泡利)为了寻求Bohr闭壳层电子数目的经验结果的解释,在1924年E. Stoner(E.斯通纳)的一篇文章中找到了玄机,很快在1925年发现了Pauli不相容原理(诺奖)。同时他预测电子第四量子数的存在,后来Uhlenbeck(乌伦贝克)和Goudsmit(古德斯米特)将第四量子数赋予了自旋的物理意义(1925年)。
3.量子力学哥本哈根解释
在1927年W Heisenberg(海森堡)提出不确定原理的同时,Bohr提出了并协性原理:一些经典概念的应用不可避免地排斥另一些经典概念的应用,为了将物理现象做出详尽无异的描述,需要将两类概念汇集在一起。并协性原理和不确定原理构成量子力学哥本哈根解释的两根支柱,而哥本哈根解释对人们看待世界的哲学观带来了巨大的冲击和颠覆,因为人的观测行为和物理现象纠缠在一块,观测者既是演员又是观众。Einstein为哥本哈根解释感到苦恼,但又无法驳倒它。Einstein曾问他的同事“不观察月亮时,月亮真的不存在吗”?事实上,任何一个哥本哈根学派的成员都可以对这个问题做出哥本哈根式的精彩解说。
Bohr说,并协性可以推广到生物学领域,这使得M. Delbruck(德尔布吕克)从物理学转向生物学去证实Bohr的观点,Delbruck由于在生物学上的贡献获得了诺奖。
4.Bohr和Einstein争辩
就量子力学的不确定关系和量子力学是否完备等问题,Bohr和Einstein自1927年开始长达几十年的争论。1930第6届索尔维会议,Einstein坚信上帝不掷骰子,以光子盒为工具试图推翻Heisenberg不确定关系。Bohr而“以彼之道还施彼身”:根据广义相对论,如果时钟沿重力方向发生位移,它的快慢会发生变化,那个小盒上机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。换言之,用这种装置来测定光子能量,就不能够控制光子逸出的时刻———回到了不确定关系!
第二回合的争辩是1935年,Einstein、Podolsky和Rosen发表了量子力学是否完备的文章(EPR佯谬)诘难量子力学,Bohr依旧轻松应对。Bohr的文章对EPR表示异议,用微观系统的“整体性”或者“不可分离性”否定EPR的论证,他的这个思路可以借用黑格尔的一段名言阐释:“全体的概念必定包含部分,但如果按照全体的概念所包含的部分来理解全体,将全体分裂为许多部分,则全体就会停止其为全体。”
两人的争辩,谁也说不了谁,直到20世纪60年代,J. Bell(贝尔)提出了Bell不等式。以Bell不等式来判别Bohr正确还是Einstein正确,几乎所有的实验结果都判定Bohr取胜。而Bohr和Einstein争辩的一个副产品就是Einstein等提出的量子态纠缠。现在量子纠缠已成为量子通信、量子计算的基本资源,也是量子信息学的开端。
5.复合核模型和核裂变的液体模型解释
Bohr对核物理也有非常重要的贡献。1936年,他提出的复合核模型成功解释了当时难以理解的共振反应现象,同时,该模型也是计算核反应截面的一个非常重要的方法;1939年,他和J Wheeler用核的液滴模型解释了铀核裂变的反应,指出了慢中子轰击下发生核裂变丰度很小的是U235而非丰度很大的U238,这为美国制造原子弹指明了道路。事实上,1945年首颗原子弹“小男孩”就是一颗U235裂变爆炸。
以上五点足以奠定了Niels Bohr物理学大师的地位。当年,世界上最顶尖的许多物理学家都曾到Bohr的理论物理研究所(现名为Bohr研究所)工作过,例如Franck, Hertz, Sommerfeld, Stern, Gerlach,Kramers, Heisenberg, Dirac, Coster, Hevesy, Pauli, Delbruck, Wheeler, Urey, de Broglie等。和Bohr有关的工作共获得了7次诺贝尔奖。
Bohr获得了1922年诺贝尔物理奖,1947年获丹麦政府的“骑象勋爵”称号,1955创建北欧理论原子物理学研究所并担任管委会主任,107号元素命名为Bohrium。
Bohr对中国文化有深刻理解和深厚的感情。1937年夏天,Bohr夫妇和儿子Hans Bohr来中国访问,访问上海、杭州、南京、北平期间,作了“原子核”和“原子物理中的因果性”的讲演。1962年底(Bohr在这一年逝世),玻尔要求他的四子奥格·玻尔(Aage Bohr,1975年获诺贝尔物理学奖)和夫人玛丽塔来中国访问。从1962年到1975年,冼鼎昌、杨福家、卓益忠、张礼等12位中国学者在Bohr的研究所学习和工作过,从1979年到到1995年,前往哥本哈根Bohr理论物理研究所和Bohr文献馆访问的中国学者共有陈永寿、徐湛、曾谨言、于敏、戈革、范岱年等25人。