科学管理理论，由科学管理之父，美国著名管理学家--弗雷德里克·温斯洛·泰勒在他的主要著作《科学管理原理》(1911年)中提出。
泰勒对科学管理作了这样的定义，他说：“诸种要素——不是个别要素的结合，构成了科学管理，它可以概括如下：科学，不是单凭经验的方法。协调，不是不和别人合作，不是个人主义。最高的产量，取代有限的产量。发挥每个人最高的效率，实现最大的富裕。”这个定义，既阐明了科学管理的真正内涵，又综合反映了泰勒的科学管理思想。
科学管理理论的主要内容如下：

（1）科学管理的中心问题是提高劳动生产率；
（2）努力挑选“第一流的工人”；
（3）实施标准化管理：把工人长期积累的传统知识、技能集中起来，经过科学的观察和试验，找出标准，制定标准，实行工具标准化和操作标准化；
（4）实行“差别计件工资制”；
（5）主张计划职能与执行职能相分离：均分和明确管理者和工人的工作和职责。管理部门承担计划职能：拟定计划，确定定额和操作方法，指挥和监督生产过程。工人承担执行职能：按规定的标准从事实际操作；
（6）实行职能工长制；

【世界十大科学家】 十 拉普拉斯(1749 1827) 拉普拉斯是天体力学的主要奠基人造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。 三 希尔伯特

10.众理论的敲砖石：大爆炸理论

标准释义：大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，其得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。目前一般所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的(根据2021年所得到的最佳观测结果，这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年前)，并经过不断的膨胀到达今天的状态。

当有谁想要试着触碰一下深奥的科学理论，那么，从宇宙下手就对了，而解释宇宙如何发展至今的大爆炸理论就是最好选择。这条理论的基础架构在埃德温·哈勃、乔治斯·勒梅特、阿尔伯特·爱因斯坦以及许多其他人士的研究之上，该理论说白了，就是假设宇宙开始于几乎140亿年前的一次重量级的爆炸。当时的宇宙局限于一个奇点，包含了宇宙中的所有物质，宇宙原始的运动——保持向外扩张，在今天仍在进行着。

大爆炸理论能得到如此广泛的支持，离不开阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊的功劳。他们架设的一台喇叭形状的天线，接收到了一种怎么都消除不掉的噪声信号，那就是宇宙的电磁辐射，即宇宙微波背景辐射。正是最初的大爆炸使得现在整个宇宙都充满了这种可以检测到的微弱辐射，对应温度大约为3K。

9.推算出宇宙年龄：哈勃定律

标准释义：来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比。该定律由哈勃和米尔顿·修默生在将近十年的观测之后，于1929年首先公式化，Vf=Hc×D(远离速率=哈勃常数×相对地球的距离)，其在今天经常被援引作为支持大爆炸的一个重要证据，并成为宇宙膨胀理论的基础。

这里涉及一个前文提到的人，埃德温·哈勃。此人对宇宙学的贡献值得让人来回溯下他的事迹：在20世纪20年代呼啸掠过、大萧条蹒跚而至的岁月里，哈勃却演绎了突破性的天文研究——他不仅证明除了银河系外还有其他星系的存在，还发现了那些星系正以远离银河系的方向运动，而他公式中的远离速率就是星系后退的速度，哈勃常数指的是宇宙膨胀速率的参数，而相对地球的距离主体也是这些星系。但据说，被尊为星系天文学创始人的哈勃本人却非常不喜欢“星系”一词，坚称其为“河外星云”。

随着时间流逝，斗转星移，哈勃常数值也发生着变化，但这并没很大关系。重要的是，正是该定律帮助量化了宇宙各星系的运动，推算遥远星系的距离。而“宇宙是由许多星系组成”的概念的提出，以及发现这些星系的运动可以追溯至大爆炸，它们都使哈勃定律就像同样以此人命名的天文望远镜般著名。

8.改变整个天文学：开普勒三定律

标准释义：即行星运动定律，由开普勒发现的行星移动所遵守的三条简单定律。第一定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳运行，而太阳则处在椭圆的一个焦点中；第二定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的；第三定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

围绕着行星的运行轨道，尤其是它们是否以太阳为中心，科学家与宗教领袖以及自己的同行进行了长达数个世纪的争斗。16世纪时，哥白尼提出了在当时引发巨大争议的日心说理论，认为行星是以太阳而不是地球为中心进行运行的。此后第谷·布拉赫等人也相继有所论述。但真正为行星运动学建立明确科学基础的，是约翰内斯·开普勒。

开普勒于17世纪早期提出的行星运动三大定律，描述了行星是如何围绕太阳运动的。第一定律，又被称为椭圆定律；第二定律，又被称面积定律，换句话解释该定律，就是说如果你连续30天跟踪测算地球与太阳之间连线随地球运动所形成面积，就会发现不管地球在轨道的哪个位置，也不管何时开始测算，结果都是一样的。至于第三定律，也称调和定律，它使得我们能够建立起一个行星轨道周期与距太阳远近之间的明确关系。比如金星这样非常靠近太阳的行星，就有着比海王星短得多的轨道运行周期。正是这三条定律，彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系。

7.大部分理论的基石：万有引力定律

标准释义：牛顿的普适万有引力定律表示为，任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。该理论能够由一个已经写进今天高中物理课本的公式进行表述：F=G×[(m1m2)/r2]

尽管今天人们将其看作是理所当然的事情，但当艾萨克·牛顿在300多年前提出万有引力学说的时候，无疑是当时最具有革命性的重大事件。牛顿提出的理论可以简单表述为：任何两个物体，不管各自质量如何，相互之间都会发生作用力，而质量越大的东西产生的引力越大。公式中，F指两个物体之间的万有引力，用“牛顿”作为计量单位；m1和m2分别代表两个物体的质量；r为两者之间的距离；G是引力常数。

这是多种实践条件下都相当精确的定律，但物理学发展至今，人们已经知道牛顿对重力描述的不完美性。然而，该定律仍不失为迄今所有科学中最实用的概念之一，它简单、易学、且涵盖面很广，以至于在广义相对论初问世的一段时间内都甚少有人问津。更有意义的是，万有引力定律让渺小的人类获得了计算庞大星球之间引力的能力，并且在发射轨道卫星与测绘探月航线等方面尤其有用。

6.物理科学有了基本定理：牛顿运动定律

标准释义：牛顿第一定律为惯性定律；牛顿第二定律建立起物体质量与加速度之间的联系；牛顿第三定律为作用力与反作用力定律。

还是牛顿。每当我们谈论起这位人类历史上最杰出的科学家之一，总不由得从他最著名的力学三大定律开始。因为这些简洁而优雅的定律，奠定了现代物理学的基础。

简单理解三大定律的意义，其第一条就让我们知道，滚动的皮球之所以能够在地板上运动，必定是受到外力的推动。这外力可能是与地板之间的摩擦，也许是小孩子踢出的一脚。第二定律以F=ma这个公式表述，同时也意味着一个具有方向性的矢量。那个皮球滚过地板时，因为加速度的原因，获得了一个指向滚动方向的矢量。通过它便能够计算出皮球所受到的作用力。第三定律相当简洁，也最为人们所熟知，其意思无外乎，用手指随便戳戳哪个物体的表面，它们都将用同等的力量进行回应。

5.热力学基础基本完备：热力学三定律

标准释义：热力学第一定律，热可以转变为功，功也可以转变为热，也就是能量守恒和转换定律；第二定律有几种表述方式，其中之一是不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化；第三定律，在热力学温度零度(即T=0开)时，一切完美晶体的熵值等于零。

英国物理学家和小说家查尔斯·珀西·斯诺曾经有一段非常著名的论述：“不懂得热力学第二定律的非科学家，就像一个从没读过莎士比亚的科学家一样。”斯诺的言语意在批评科学与人文之间“两种文化”的隔绝与分裂，但却无意中在文人圈里“捧红”了热力学第二定律。其实，斯诺的论述确实强调并呼吁人文学者都应该去了解一下它的重要性。

热力学是研究系统中能量运动的科学。这里的系统既可以是一台发动机，也可以是炽热的地核。斯诺运用自己的聪明才智将其精简成为以下若干条基本规则：你赢不了、你无法实现收支平衡、你无法退出游戏。

该如何理解这些说法呢？首先来看所谓的“你赢不了”。斯诺的意思是指既然物质与能量是守恒关系，在能量转换过程中，我们无法实现一种能量形式到另一种的对等转换而不损失一部分能量。就像如果要发动机做功，就必须提供热能一样。即便是在一个完美极致的封闭空间中，部分热量依然将不可避免地散逸到外部世界中去。

而这就引发了第二定律——你实现不了收支平衡。鉴于熵的无限增加，我们无法返回或保持相同的能量状态。因为熵总是从浓度高的地方向浓度低的区域流动。而有熵的存在，也是永动机不可能出现的原因。

最后是第三定律——无法退出的游戏。这里要涉及到绝对零度，即理论上可能达到的最低温度，一般指零开尔文(零下273.15摄氏度或零下459.67华氏度)。第三定律的表述为，当系统达到绝对零度时，分子将停止一切运动，即没动能，熵也能达到理论上的最低值。但现实世界中，即使在宇宙的深处，达到绝对零度也是不可能的。你只能无限地接近所谓的终点。

4.公元前200年的大智慧：阿基米德定律
标准释义：物理学中的阿基米德定律，即阿基米德浮力原理，是指浸在静止流体中的物体受到流体作用的合力大小等于物体排开的流体的重力，这个合力称为浮力。数学表达式为：F浮=G排

关于阿基米德是如何发现浮力原理这一物理学重大突破的，有着一个绘声绘色、孩子们都耳熟能详的传说：阿基米德某次洗澡的时候，看到浴缸里的水会随着自己身体的浸入而上升，便受到启发开始了思考。而当他最终确定发现了浮力理论之后，这位古希腊最伟大的哲人一边兴奋地大喊“找到了！找到了！”，一边裸露着身体狂奔在锡拉丘兹城的大街小巷。

古希腊学者阿基米德的古老发现已经被广泛应用在人类社会生产的各个领域。根据浮力原理，施加在一个部分或整体淹没于液体中的物体的作用力，等于该物体液内体积所排出的液体重量。这对于计算物体的密度，进而进行潜艇和远洋轮船的设计建造，具有关键性意义。

3.我们自身的探讨：进化与自然选择

标准释义：进化，即演化，在生物学中是指种群里的遗传性状在世代之间的变化。自然选择也称为天择，指生物的遗传特征在生存竞争中，具有了某优势或某劣势，进而在生存能力上产生差异，并导致繁殖能力的差异，使得这些特征被保存或是淘汰。

既然我们已经建立起关于宇宙何以从无到有，以及物理学在日常生活中是如何发挥作用的若干基础概念体系，下一步便可以开始关注我们人类自己的形式问题，即我们是如何成为今天这番模样的。

我们知道，基因是会复制给下一代的，但基因突变会让其情况出现变化，这种变化了的新情况，可能随着物种迁徙等在种群中传递。

那么按照当今大多数科学家的观点，所有地球生物曾经拥有一个共同的祖先。后来随着时间的发展，部分开始进化成为特征鲜明的特定物种。久而久之，生物多样性便逐渐在所有有机生物中增加与扩展开来。

从最基本的意义上说，基因突变等变异机制在生物进化的过程中一直发生着。而每一阶段的这些细节变化都会通过世代的遗传而得以保留。相应的，生物种群也因此发展出了不同的特征，并且这些特征往往能够帮助生物更好地繁衍生存下来。比如棕色皮肤的青蛙，显然比其他颜色的同类更适宜以伪装的方式在泥泞的沼泽地区生存。这便是所谓的自然选择。

当然，对于进化与自然选择理论，我们还可以将其应用到更广泛的生物范围。但是达尔文在19世纪提出的“地球生命丰富的多样性，来源于进化中的自然选择”，无疑依旧是最基础和最具开创性的。

2.永远转变了理解宇宙的方式：广义相对论

标准释义：引力在此被描述为时空的一种几何属性(曲率)，而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量—动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程(一个二阶非线性偏微分方程组)。

对于任何一个不曾学习或研究它的人来说，广义相对论的标准释义看了和没看一个样。因为它在解释该词条时，至少又用了4组不被人理解的词汇。

它的内涵和外延涉及甚广，似乎非论文形式不能描述。在此，我们且看看被称为现代引力理论研究的最高水平的广义相对论在论什么。作为比牛顿万有引力更具有一般性的理论，质量还是一个决定引力的重要属性，但是不再是引力的唯一来源。

在爱因斯坦这里，引力已不再是牛顿所描述的一种力，甚至可以说，已没有了原来引力的概念。因为爱因斯坦把它看成物体周围的时空弯曲，以前所说的“物体受引力作用所作的运动”，被归结为物体在一个弯曲时空中，沿短程线的自由运动。

如果让“弯曲时空”的概念更明朗化些，可以想象环绕地球飞行的航天飞机里的宇航员，对他们而言，他们是按直线方式在太空中飞行，但实际上航天飞机周围的时空，已经被地球的引力所弯曲，这使航天飞机成为又能向前飞行又能围绕地球转的物体。

按美国相对论研究的首席专家约翰·惠勒解释，这种所谓时空的几何属性可以这样概述：时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。因而，其可以展现出宇宙星光受大天体影响的弯曲方式，并且为研究黑洞奠定了理论基础。

1.上帝掷骰子吗：海森堡测不准原理

标准释义：德国物理学家海森堡于1927年提出，表明量子力学中的不确定性，指在一个量子力学系统中，一个粒子的位置和它的动量(粒子的质量乘以速度)不可被同时确定。

“测量！在经典理论中，这不是一个被考虑的问题。”《量子物理史话》如是说。

那是因为在经典物理学里，你、我——或作为观测者的任何一人，对这个等待被测量的客观物体是没有影响，或影响甚微以致可忽略不计的。那时就算我们弄不懂个中道理，也不妨碍原理待在那，等着我们慢慢参详。

但现在就要踏入量子世界的魔潭了，此处我们作为观测者会给实验现象带来一定的扰动，因此如果测一个电子的动量，所得值只是相对你这个观测者而言的。微观世界中，要以“概率”来论——所谓上帝掷骰子。

当年的华纳·海森堡就在此中有了突破性的发现——人们无法同时得到粒子的两种变量精确信息，哪怕再精密的仪器都不行。具体讲，你或者可以准确地知道电子的位置，但无法同时知道其动量，或者反之，得此失彼。而类似的不确定性也存在于能量和时间、角动量和角度等许多物理量之间。

或许你没明白这件事的诡异性。就像之前提到的，量子世界里的量既然是相对性，那只要它存在，就应该可以被测量出来；既然无论如何不能测量到，那它就不复存在。

汤姆生的"葡萄干布丁"模型,他认为原子是一个均匀的球体,质子均匀分布其中,而电子就象葡萄干一样镶嵌在其中.他好象通过测定电子的质荷比来提出这个模型的~.(http://www.cnysgz.com:801/ygjy/ygwl/Print.asp?ArticleID=2581 这个是汤姆生的方法的介绍)

卢瑟福,他的模型是"太阳系轨道"模型,他认为原子象太阳系,原子核集中大部分质量和正电荷,而电子象行星一样在外围转动,他是通过阿尔法散射实验来提出这个模型的,这个实验高中的原子物理有介绍.

玻尔,是卢瑟福的学生,他的模型和卢瑟福大体相仿,不同的是电子运动的轨道是有限的,电子只能在这些轨道上"跃迁",而跃迁就是吸收和放出能量的过程.他是通过研究氢原子的光谱(巴尔末公式),而这个研究过程在高中原子物理学中也有介绍,可以参看相关的书籍.

道尔顿的原子模型就非常简单了,他认为原子是不可再分的实心球体.

下面还有相关介绍,看亦可,不看亦可.

原子研究发展史
BC400年希腊哲学家德谟克列特提出原子的概念。
1803年道尔顿提出原子说。
1833年法拉第提出电解定律,此暗示原子带电,且电可能以不连续的粒子存在。
1874年司通内建议电解过程被交换的粒子叫做「电子」。
1879年克鲁克斯从放电管(高电压低气压的真空管)中发现阴极射线。
1886年哥德斯坦从放电管中发现阳极射线。
1897年汤姆生证实阴极射线即阴极材料上释放出的高速电子流,并测量出电子的荷质比。e/m=1.7588 × 108 库仑 / 克
1909年米立坎的油滴实验测出电子之带电量,并强化了「电子是粒子」的概念。
1911年拉塞福的α粒子散射实验,发现原子有核,且原子核带正电、质量极大、体积很小。其条利用(粒子(即氦核)来撞击金箔，发现大部分(99.9％)粒子直穿金箔，其中少数成大角度偏折，甚至极少数被反向折回(十万分之一)。
1913年莫士勒从 X 一射线光谱波长的关系,建立原子序概念。
1913年汤姆生之质谱仪测量质量数 , 并发现同位素。
1919年拉塞褔发现质子。其利用α粒子撞击氮原子核与发现质子 接著又用α粒子撞击棚 (B) 、氟 (F) 、铝 (A1) 、磷 (P) 核等也都能产生质子,故推论「质子」为元素之原子核共有成分。
1932年查兑克发现中子。其利用α粒子撞击铍原子核
1935年汤川秀树发现介子理论，这种介子使原子核稳定。

1897年，J.J.汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念，明确地向人们展示：原子是可以继续分割的，它有着自己的内部结构。那么，这个结构是怎么样的呢？汤姆逊那时完全缺乏实验证据，他于是展开自己的想象，勾勒出这样的图景：原子呈球状，带正电荷。而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。这样的一幅画面，也就是史称的“葡萄干布丁”模型，电子就像布丁上的葡萄干一样。

但是，1910年，卢瑟福和学生们在他的实验室里进行了一次名留青史的实验。他们用α粒子（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质。但是，极为不可思议的情况出现了：有少数α粒子的散射角度是如此之大，以致超过90度。对于这个情况，卢瑟福自己描述得非常形象：“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击，结果这炮弹却被反弹了回来，反而击中了你自己一样”。

卢瑟福发扬了亚里士多德前辈“吾爱吾师，但吾更爱真理”的优良品格，决定修改汤姆逊的葡萄干布丁模型。他认识到，α粒子被反弹回来，必定是因为它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电，而且集中了原子的大部分质量。但是，从α粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看，那核心占据的地方是很小的，不到原子半径的万分之一。

于是，卢瑟福在次年（1911）发表了他的这个新模型。在他描述的原子图象中，有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周，带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统（比如太阳系），所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型。在这里，原子核就像是我们的太阳，而电子则是围绕太阳运行的行星们。

但是，这个看来完美的模型却有着自身难以克服的严重困难。因为物理学家们很快就指出，带负电的电子绕着带正电的原子核运转，这个体系是不稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径，直到最终“坠毁”在原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放出辐射并互相中和，然后把卢瑟福和他的实验室，乃至整个英格兰，整个地球，整个宇宙都变成一团混沌。

不过，当然了，虽然理论家们发出如此阴森恐怖的预言，太阳仍然每天按时升起，大家都活得好好的。电子依然快乐地围绕原子打转，没有一点失去能量的预兆。而丹麦的年轻人尼尔斯.玻尔照样安安全全地抵达了曼彻斯特，并开始谱写物理史上属于他的华彩篇章。

玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论，毕竟它有着α粒子散射实验的强力支持。相反，玻尔对电磁理论能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面，倒是抱有相当的怀疑成分。曼彻斯特的生活显然要比剑桥令玻尔舒心许多，虽然他和卢瑟福两个人的性格是如此不同，后者是个急性子，永远精力旺盛，而他玻尔则像个害羞的大男孩，说一句话都显得口齿不清。但他们显然是绝妙的一个团队，玻尔的天才在卢瑟福这个老板的领导下被充分地激发出来，很快就在历史上激起壮观的波澜。

1912年7月，玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文，历史学家们后来常常把它称作“曼彻斯特备忘录”。玻尔在其中已经开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学所无法解释的难题。但是，一切都只不过是刚刚开始而已，在那片还没有前人涉足的处女地上，玻尔只能一步步地摸索前进。没有人告诉他方向应该在哪里，而他的动力也不过是对于卢瑟福模型的坚信和年轻人特有的巨大热情。玻尔当时对原子光谱的问题一无所知，当然也看不到它后来对于原子研究的决定性意义，不过，革命的方向已经确定，已经没有什么能够改变量子论即将崭露头角这个事实了。

在浓云密布的天空中，出现了一线微光。虽然后来证明，那只是一颗流星，但是这光芒无疑给已经僵硬而老化的物理世界注入了一种新的生机，一种有着新鲜气息和希望的活力。这光芒点燃了人们手中的火炬，引导他们去寻找真正的永恒的光明。

终于，7月24日，玻尔完成了他在英国的学习，动身返回祖国丹麦。在那里，他可爱的未婚妻玛格丽特正在焦急地等待着他，而物理学的未来也即将要向他敞开心扉。在临走前，玻尔把他的论文交给卢瑟福过目，并得到了热切的鼓励。只是，卢瑟福有没有想到，这个青年将在怎样的一个程度上，改变人们对世界的终极看法呢？

是的，是的，时机已到。伟大的三部曲即将问世，而真正属于量子的时代，也终于到来。

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饭后闲话：诺贝尔奖得主的幼儿园

卢瑟福本人是一位伟大的物理学家，这是无需置疑的。但他同时更是一位伟大的物理导师，他以敏锐的眼光去发现人们的天才，又以伟大的人格去关怀他们，把他们的潜力挖掘出来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们，后来绝大多数都出落得非常出色，其中更包括了为数众多的科学大师们。

我们熟悉的尼尔斯.玻尔，20世纪最伟大的物理学家之一，1922年诺贝尔物理奖得主，量子论的奠基人和象征。在曼彻斯特跟随过卢瑟福。

保罗.狄拉克（Paul Dirac），量子论的创始人之一，同样伟大的科学家，1933年诺贝尔物理奖得主。他的主要成就都是在剑桥卡文迪许实验室做出的（那时卢瑟福接替了J.J.汤姆逊成为这个实验室的主任）。狄拉克获奖的时候才31岁，他对卢瑟福说他不想领这个奖，因为他讨厌在公众中的名声。卢瑟福劝道，如果不领奖的话，那么这个名声可就更响了。

中子的发现者，詹姆斯.查德威克（James Chadwick）在曼彻斯特花了两年时间在卢瑟福的实验室里。他于1935年获得诺贝尔物理奖。

布莱克特（Patrick M. S. Blackett）在一次大战后辞去了海军上尉的职务，进入剑桥跟随卢瑟福学习物理。他后来改进了威尔逊云室，并在宇宙线和核物理方面作出了巨大的贡献，为此获得了1948年的诺贝尔物理奖。

1932年，沃尔顿（E.T.S Walton）和考克劳夫特（John Cockcroft）在卢瑟福的卡文迪许实验室里建造了强大的加速器，并以此来研究原子核的内部结构。这两位卢瑟福的弟子在1951年分享了诺贝尔物理奖金。

这个名单可以继续开下去，一直到长得令人无法忍受为止：英国人索迪（Frederick Soddy），1921年诺贝尔化学奖。瑞典人赫维西（Georg von Hevesy），1943年诺贝尔化学奖。德国人哈恩（Otto Hahn），1944年诺贝尔化学奖。英国人鲍威尔（Cecil Frank Powell），1950年诺贝尔物理奖。美国人贝特（Hans Bethe），1967年诺贝尔物理奖。苏联人卡皮查（P.L.Kapitsa），1978年诺贝尔化学奖。

除去一些稍微疏远一点的case，卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主（还不算他自己本人）。当然，在他的学生中还有一些没有得到诺奖，但同样出色的名字，比如汉斯.盖革（Hans Geiger，他后来以发明了盖革计数器而著名）、亨利.莫斯里（Henry Mosley，一个被誉为有着无限天才的年轻人，可惜死在了一战的战场上）、恩内斯特.马斯登（Ernest Marsden，他和盖革一起做了α粒子散射实验，后来被封为爵士）……等等，等等。

卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最大面值——100元上面，作为国家对他最崇高的敬意和纪念。

五

1912年8月1日，玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇上结婚，随后他们前往英国展开蜜月。当然，有一个人是万万不能忘记拜访的，那就是玻尔家最好的朋友之一，卢瑟福教授。

虽然是在蜜月期，原子和量子的图景仍然没有从玻尔的脑海中消失。他和卢瑟福就此再一次认真地交换了看法，并加深了自己的信念。回到丹麦后，他便以百分之二百的热情投入到这一工作中去。揭开原子内部的奥秘，这一梦想具有太大的诱惑力，令玻尔完全无法抗拒。

为了能使大家跟得上我们史话的步伐，我们还是再次描述一下当时玻尔面临的处境。卢瑟福的实验展示了一个全新的原子面貌：有一个致密的核心处在原子的中央，而电子则绕着这个中心运行，像是围绕着太阳的行星。然而，这个模型面临着严重的理论困难，因为经典电磁理论预言，这样的体系将会无可避免地释放出辐射能量，并最终导致体系的崩溃。换句话说，卢瑟福的原子是不可能稳定存在超过1秒钟的。

玻尔面临着选择，要么放弃卢瑟福模型，要么放弃麦克斯韦和他的伟大理论。玻尔勇气十足地选择了放弃后者。他以一种深刻的洞察力预见到，在原子这样小的层次上，经典理论将不再成立，新的革命性思想必须被引入，这个思想就是普朗克的量子以及他的h常数。

应当说这是一个相当困难的任务。如何推翻麦氏理论还在其次，关键是新理论要能够完美地解释原子的一切行为。玻尔在哥本哈根埋头苦干的那个年头，门捷列夫的元素周期律已经被发现了很久，化学键理论也已经被牢固地建立。种种迹象都表明在原子内部，有一种潜在的规律支配着它们的行为，并形成某种特定的模式。原子世界像一座蕴藏了无穷财宝的金字塔，但如何找到进入其内部的通道，却是一个让人挠头不已的难题。

然而，像当年的贝尔佐尼一样，玻尔也有着一个探险家所具备的最宝贵的素质：洞察力和直觉，这使得他能够抓住那个不起眼，但却是唯一的，稍纵即逝的线索，从而打开那扇通往全新世界的大门。1913年初，年轻的丹麦人汉森（Hans Marius Hansen）请教玻尔，在他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题。对于这个问题，玻尔之前并没有太多地考虑过，原子光谱对他来说是陌生和复杂的，成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来太杂乱无章，似乎不能从中得出什么有用的信息。然而汉森告诉玻尔，这里面其实是有规律的，比如巴尔末公式就是。他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作。

突然间，就像伊翁（Ion）发现了藏在箱子里的绘着戈耳工的麻布，一切都豁然开朗。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。在谁也没有想到的地方，量子得到了决定性的突破。1954年，玻尔回忆道：当我一看见巴尔末的公式，一切就都清楚不过了。

要从头回顾光谱学的发展，又得从伟大的本生和基尔霍夫说起，而那势必又是一篇规模宏大的文字。鉴于篇幅，我们只需要简单地了解一下这方面的背景知识，因为本史话原来也没有打算把方方面面都事无巨细地描述完全。概括来说，当时的人们已经知道，任何元素在被加热时都会释放出含有特定波长的光线，比如我们从中学的焰色实验中知道，钠盐放射出明亮的黄光，钾盐则呈紫色，锂是红色，铜是绿色……等等。将这些光线通过分光镜投射到屏幕上，便得到光谱线。各种元素在光谱里一览无余：钠总是表现为一对黄线，锂产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线，钾则是一条紫线。总而言之，任何元素都产生特定的唯一谱线。

但是，这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律，却是一个大难题。拿氢原子的谱线来说吧，这是最简单的原子谱线了。它就呈现为一组线段，每一条线都代表了一个特定的波长。比如在可见光区间内，氢原子的光谱线依次为：656，484，434，410，397，388，383，380……纳米。这些数据无疑不是杂乱无章的，1885年，瑞士的一位数学教师巴尔末（Johann Balmer）发现了其中的规律，并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系，这就是著名的巴尔末公式。将它的原始形式稍微变换一下，用波长的倒数来表示，则显得更加简单明了：

ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）

其中的R是一个常数，称为里德伯（Rydberg）常数，n是大于2的正整数（3，4，5……等等）。

在很长一段时间里，这是一个十分有用的经验公式。但没有人可以说明，这个公式背后的意义是什么，以及如何从基本理论将它推导出来。但是在玻尔眼里，这无疑是一个晴天霹雳，它像一个火花，瞬间点燃了玻尔的灵感，所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了，玻尔知道，隐藏在原子里的秘密，终于向他嫣然展开笑颜。

我们来看一下巴耳末公式，这里面用到了一个变量n，那是大于2的任何正整数。n可以等于3，可以等于4，但不能等于3.5，这无疑是一种量子化的表述。玻尔深呼了一口气，他的大脑在急速地运转，原子只能放射出波长符合某种量子规律的辐射，这说明了什么呢？我们回忆一下从普朗克引出的那个经典量子公式：E = hν。频率（波长）是能量的量度，原子只释放特定波长的辐射，说明在原子内部，它只能以特定的量吸收或发射能量。而原子怎么会吸收或者释放能量的呢？这在当时已经有了一定的认识，比如斯塔克（J.Stark）就提出，光谱的谱线是由电子在不同势能的位置之间移动而放射出来的，英国人尼科尔森（J.W.Nicholson）也有着类似的想法。玻尔对这些工作无疑都是了解的。

一个大胆的想法在玻尔的脑中浮现出来：原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换。也就是说，电子只能按照某些“确定的”轨道运行，这些轨道，必须符合一定的势能条件，从而使得电子在这些轨道间跃迁时，只能释放出符合巴耳末公式的能量来。

我们可以这样来打比方。如果你在中学里好好地听讲过物理课，你应该知道势能的转化。一个体重100公斤的人从1米高的台阶上跳下来，他/她会获得1000焦耳的能量，当然，这些能量会转化为落下时的动能。但如果情况是这样的，我们通过某种方法得知，一个体重100公斤的人跳下了若干级高度相同的台阶后，总共释放出了1000焦耳的能量，那么我们关于每一级台阶的高度可以说些什么呢？

明显而直接的计算就是，这个人总共下落了1米，这就为我们台阶的高度加上了一个严格的限制。如果在平时，我们会承认，一个台阶可以有任意的高度，完全看建造者的兴趣而已。但如果加上了我们的这个条件，每一级台阶的高度就不再是任意的了。我们可以假设，总共只有一级台阶，那么它的高度就是1米。或者这个人总共跳了两级台阶，那么每级台阶的高度是0.5米。如果跳了3次，那么每级就是1/3米。如果你是间谍片的爱好者，那么大概你会推测每级台阶高1/39米。但是无论如何，我们不可能得到这样的结论，即每级台阶高0.6米。道理是明显的：高0.6米的台阶不符合我们的观测（总共释放了1000焦耳能量）。如果只有一级这样的台阶，那么它带来的能量就不够，如果有两级，那么总高度就达到了1.2米，导致释放的能量超过了观测值。如果要符合我们的观测，那么必须假定总共有一又三分之二级台阶，而这无疑是荒谬的，因为小孩子都知道，台阶只能有整数级。

在这里，台阶数“必须”是整数，就是我们的量子化条件。这个条件就限制了每级台阶的高度只能是1米，或者1/2米，而不能是这其间的任何一个数字。

原子和电子的故事在道理上基本和这个差不多。我们还记得，在卢瑟福模型里，电子像行星一样绕着原子核打转。当电子离核最近的时候，它的能量最低，可以看成是在“平地”上的状态。但是，一旦电子获得了特定的能量，它就获得了动力，向上“攀登”一个或几个台阶，到达一个新的轨道。当然，如果没有了能量的补充，它又将从那个高处的轨道上掉落下来，一直回到“平地”状态为止，同时把当初的能量再次以辐射的形式释放出来。

关键是，我们现在知道，在这一过程中，电子只能释放或吸收特定的能量（由光谱的巴尔末公式给出），而不是连续不断的。玻尔做出了合理的推断：这说明电子所攀登的“台阶”，它们必须符合一定的高度条件，而不能像经典理论所假设的那样，是连续而任意的。连续性被破坏，量子化条件必须成为原子理论的主宰。

我们不得不再一次用到量子公式E = hν，还请各位多多包涵。史蒂芬.霍金在他那畅销书《时间简史》的Acknowledgements里面说，插入任何一个数学公式都会使作品的销量减半，所以他考虑再三，只用了一个公式E = mc2。我们的史话本是戏作，也不考虑那么多，但就算列出公式，也不强求各位看客理解其数学意义。唯有这个E = hν，笔者觉得还是有必要清楚它的含义，这对于整部史话的理解也是有好处的，从科学意义上来说，它也决不亚于爱因斯坦的那个E = mc2。所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述：E代表能量，h是普朗克常数，ν是频率。

回到正题，玻尔现在清楚了，氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一个台阶所释放的能量。因为观测到的光谱线是量子化的，所以电子的“台阶”（或者轨道）必定也是量子化的，它不能连续而取任意值，而必须分成“底楼”，“一楼”，“二楼”等，在两层“楼”之间，是电子的禁区，它不可能出现在那里。正如一个人不能悬在两级台阶之间漂浮一样。如果现在电子在“三楼”，它的能量用W3表示，那么当这个电子突发奇想，决定跳到“一楼”（能量W1）的期间，它便释放出了W3-W1的能量。我们要求大家记住的那个公式再一次发挥作用，W3-W1 = hν。所以这一举动的直接结果就是，一条频率为ν的谱线出现在该原子的光谱上。

玻尔所有的这些思想，转化成理论推导和数学表达，并以三篇论文的形式最终发表。这三篇论文（或者也可以说，一篇大论文的三个部分），分别题名为《论原子和分子的构造》（On the Constitution of Atoms and Molecules），《单原子核体系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核体系》（Systems Containing Several Nuclei），于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福，并由后者推荐发表在《哲学杂志》（Philosophical Magazine）上。这就是在量子物理历史上划时代的文献，亦即伟大的“三部曲”。