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玻尔老是发现一些新的细节，迫使自己去闹清楚。这也是实验时间被拖长的一个原因。
到临近末了，克里斯琴·玻尔感到儿子把实验拖延得太久了，于是，他硬性给儿子规定了实验完成和论文完成的期限。
最后，实验总算是搞完了，下面转入论文的撰写。为了提高写论文的速度，他父亲把他送到了乡下。
玻尔去了他爸爸的一个朋友在哥本哈根北边乡间的一所住宅。弟弟哈拉尔德也跟着去了，以便给玻尔“抄写”论文。尼尔斯搞出了一篇114页的论文。
这是玻尔的第一篇科学论文。论文不但报告测定了水的表面张力，而且“极好地”引申了瑞利的理论。
它获得了金奖。
1909年，伦敦皇家学会接受了这篇经过修改的表面张力论文，并把它发表在《哲学学报》上。一位权威人士看了这篇论文后，断定它必然是一位教授的手笔。这样，知情人士不得不做出解释。
我们需要记住玻尔的这篇论文。因为水的表面张力的问题，与玻尔日后的一项重要的理论创新有着不可分割的联系。
第一部分：核物理界又一颗巨星冉冉升起答辩时占时之短创了记录
当年4月，哈拉尔德·玻尔去了德国哥廷根的一所大学，并在两年后获得了博土学位。尼尔斯在写给弟弟的信中故意说，他“妒忌很快就要超过屋顶了”。
实际上，尼尔斯自己也正在准备博士论文的答辩。
学校向玻尔提出一个关于金属电子理论的问题的论文题目，玻尔自己对此也很感兴趣。
他的论文于1911年1月完成，题目是《金属电子理论的研究》。
不几天，他的56岁的父亲突然死去。全家人对克里斯琴·玻尔的离去悲痛不已。玻尔把他的论文献给了教他养他的敬爱的父亲。
5月，玻尔在哥本哈根接受了论文答辩。
答辩的次日，哥本哈根日报刊登了一幅照片，并附有一篇短文。照片是一位身穿燕尾服系着白领带的年轻人站在一个笨重的讲台后面接受提问的情景，短文说：“玻尔博士，一个白净而谦虚的青年，并没有在程序中占多少时间，为时之短是创记录的。”
从此之后，日报注定将不断地提到这个名字，他将一次又一次地创建奇迹，为丹麦增光添彩。
第一部分：核物理界又一颗巨星冉冉升起雏鸟出巢
他的父亲生前为了协助他儿子到国外深造，曾经从一个基金会获得一笔奖金。当年的夏天，尼尔斯去了剑桥。他去找了J·J·汤姆生。
到了那里，尼尔斯·玻尔的命运将是怎样的？他是否也像卢瑟福那样受到J·J·汤姆生的热情欢迎，并得到J·J·汤姆生的教导，走上他的成功之路？
资料中留有尼尔斯·玻尔与他弟弟哈拉尔德·玻尔和他的未婚妻的几封通信，给弟弟的一封信上写着：
嗬，哈拉尔德！
我的事一切顺利。我刚同J·J·汤姆生谈过话，并尽可能向他阐明我对放射性、磁学等的看法。你不知道同这样一个人谈话对我意味着什么。他对我特别好，我们谈得如此之多，而且我确信他认为我所谈的有些意义。他现在准备阅读我的论文，而且还邀请我星期天同他在三一学院吃饭，然后他将同我继续讨论。你可以想象我有多高兴……
实际上，玻尔与汤姆生的第一次会晤进行得并不像玻尔理解的那样好。
J·J·汤姆生并没有作假，玻尔也不会说假话。肯定是玻尔在判断上出现了问题。
而且特别要指出的是，从丹麦来的这位新学生，不仅仅阐明了他对放射性、磁学的看法，而且他还向汤姆生指出了其电子理论著作中的一处错误。这一点玻尔也并不打算向人隐瞒。随后，他给他的未婚妻写信讲了这件事，并说：“我不知道他对我不同意他的想法会说些什么。”他继续写道：“我渴望听到汤姆生会说些什么。他是一个大人物。我希望他对我的蠢话不会生气。”
汤姆生也许会生气，也许没有生气，但实际上他并没有抽空阅读玻尔的论文。
当时，汤姆生已不再对电子感到多大兴趣了，他的注意力已转向阳射线。当然，他收留了玻尔，并且指定玻尔做有关这种射线的实验，而玻尔觉得它明显地没有什么希望。
很有可能，汤姆生的冷漠玻尔有了察觉。他对其他的英国人也有了看法。他给弟弟的信中说：“可能需要半年时间才能了解一个英国人……英国的习惯是他们会很客气，并有一套，但他们并不想见什么人……在星期天我参加三一学院的聚餐……我坐在那里，许多个星期天没有人同我谈话，但以后他们就了解到我也并不想同他们谈话，正如他们不想同我谈话一样……”
了解了这一段历史，我们或许将要产生责怪J·J·汤姆生的念头。其实，这是不应该的。我们不能苛求像J·J·汤姆生这样一个人。我们应该说，他培养出了一个卢瑟福，足矣！我们不能要求他做得更多。而且，无论如何，他还是一个伟人，至少是一个好人。
第一部分：核物理界又一颗巨星冉冉升起玻尔遇到了卢瑟福
玻尔是幸运的，在他事业上出现停滞时，卢瑟福出现在了剑桥。
玻尔后来回忆说：“卢瑟福是从曼彻斯特来的，要在卡文迪许年度聚餐会上讲话。虽然这一次我并没有跟他有什么个人接触，但我对他的人格魅力获有深刻的印象。他的品德能够使他不管在什么样的情况下都能做成几乎难于做成的事。”
实际上，玻尔心中已经有些想法，卢瑟福一露面，他很快就联想到了卢瑟福的核及其行星式结构理论上不稳定的问题。
聚餐会之后不久，玻尔就有了到曼彻斯特去拜访卢瑟福的机会。
按照中国的说法，可能是一种缘分。见面后，卢瑟福打量了一下这个年轻的丹麦人，立即就喜欢上了他。卢瑟福对理论家一向是怀有偏见的。后来有人问他形成这种不一致的态度的缘故，卢瑟福则用咆哮来回答对方，他大吼：“玻尔可不一样。”也许他认为应该给自己找一个恰当的理由，他继续咆哮：“他是一个足球队员！”
就这样，卢瑟福收下了玻尔这个学生，使玻尔成为他一生中培养出的11个诺贝尔奖获得者中的一个，而且使玻尔不费力地就成为其中最有才华的一个。
玻尔原想立即就去曼彻斯特，卢瑟福却劝他不要过快地放弃剑桥。他对玻尔说：“曼彻斯特总会在那里，它不会跑掉的。”
第一部分：核物理界又一颗巨星冉冉升起卢瑟福给玻尔添了一个翅膀
玻尔最终到了曼彻斯特。头几周，他听放射性研究实验方法介绍，导师中有盖革和马斯登。
但玻尔这时的主要精力却用在了原子理论的研究方面。
卢瑟福知道玻尔自己所搞的课题。有一天，他找到玻尔，问：“你对乔治·德·赫维赛印象如何？”
玻尔觉得不好回答老师提出的问题，因为他对老师提到的人印象不深——原因是接触太少。他只是经常见到一个年轻的匈牙利人，据说是一位放射化学家，生动的面孔上有一个高大的鼻子。
卢瑟福见玻尔没有回答，又道：“乔治·德·赫维赛可是一位贵族——他的父亲是一位宫廷议员，母亲是男爵夫人。童年时，他可经常在祖父宅邸旁边的奥匈帝国皇帝弗兰茨·约瑟夫的狩猎苑中打山鸡……”
玻尔不得要领。卢瑟福笑了，又道：“重要的是他是一位放射化学家。你去巴结巴结他看……”
德·赫维赛正在做卢瑟福布置的一项工作：把放射性衰变产物从原来的物质中分离出来。对老师诙谐的提示，玻尔想了又想。最终，他一下子想明白了。他开始看到放射化学同他的原子理论的联系，于是找到了德·赫维赛。而经过向德·赫维赛学习放射化学，他思路大开——他也得到了一个终生相好的忠诚朋友。
随后，玻尔直觉的突然爆发所产生的效能是非凡的。几周之内他就了解到，放射性物质来源于原子核，而化学性质主要决定于电子的数目和分布。他了解到——这是想入非非，却刚好是对的——由于电子决定化学性而核的总正电量决定电子数，因此，元素在元素周期表上的位置（“原子序数”）正好是核的电荷，例如氢在元素表上占第一位，核电荷是1，随后是氦，核电荷是2，依次下去直到第92号的铀。
德·赫维赛告诉他，已知的放射性元素已经超过周期表上可用的位置，玻尔于是做出更多直觉联系。
玻尔还勾划出后来称为放射性位移的定律。
这些最初的见解是粗放的，但即使它们粗放，别的人很可能需要花费多年的工夫才能得到。
第一部分：核物理界又一颗巨星冉冉升起原子量子论诞生
这都是玻尔的开创性的思考，但他真正的开创性工作却不是这些。
他所思考的是有关原子结构的稳定性问题。是玻尔第一个窥见到了这一问题，并且努力地进行着理论的探索，通过数学的运算，以期将J·J·汤姆生的电子稳定在卢瑟福的核的运行轨道上。
进入夏天，玻尔把自己思考的结果讲给了卢瑟福。卢瑟福一下子就捕捉到了玻尔理论的巨大意义，听后立即兴奋起来，对玻尔说：“回到自己的房子里去，快些把想法写出来！”
玻尔自己当时还估计不到他所进行的工作的巨大意义。他计划回哥本哈根去，8月1日在那里同玛格丽特·诺兰德结婚。
卢瑟福没有像J·J·汤姆生当初暗示他的学生那样，让玻尔推迟婚期。他倒是鼓励玻尔按计划回哥本哈根去。
玻尔回到哥本哈根，同玛格丽特结合了，并做到了相伴终生。
但是，玻尔一刻也没有放下自己那个原子结构稳定性的问题，即使新婚之夜，他仍奋力思索着自己的原子新模型。
11月4日他给卢瑟福写信，说他希望“在几周之内能完成论文”。
但是，几周过去了，论文并没有完成。玻尔着急了，他同玛格丽特躲到了乡下。
老办法生效了，他在那里完成了论文。1913年3月6日，他把论文的第一部分寄给了卢瑟福，自豪而勇敢地题为《论原子和分子的组成》。毫无疑问，这次新娘成了“抄写员”。
他向卢瑟福报告，第二和第三部分将于年终前修改完毕。
早在玻尔进行博士论文答辩时，他就断定他正在考察的一些现象不能用牛顿物理学的机械定律来解释。这时，他的《论原子和分子的组成》里出现了这样的话：“必须假定自然界存在某些力，其性质完全不同于机械力。”
寻找这种“其性质完全不同于机械力”的力，是他全部钻研的出发点。他努力地寻找，最后，终于找到了它。
一门新的学说——原子量子论——诞生了。
它成功地解释了电子运转稳定性的问题，阐明了构造复杂的原子内部各个部分质量和能量之间的关系，使新发现的原子结构得到世人的最终承认，对核物理后来的发展的指导意义是无法估量的。
第一部分：核物理界又一颗巨星冉冉升起向物理界发起了挑战
卢瑟福给自己的弟子的学说当宣传员；玛丽·居里说玻尔“向物理界发起了挑战”；爱因斯坦一度有过类似的想法，但未敢拿出来发表
9月，英国协会年会将在伯明翰召开。玻尔原本没有去参加的计划，但卢瑟福认为他应该参加。卢瑟福判定，玻尔的量子化原子将是会议的主题。玻尔心软了，并赶到了伯明翰。
旅馆住满了人。第一夜玻尔睡在一张台球桌上。第二天，善于想办法的德·赫维赛给他在一所女子学院里弄到了一个床位。
协会会长奥利弗·洛奇在他的开幕词中果然提到了玻尔的工作。
卢瑟福则对玻尔的成就大大赞扬了一番，他说：
“有创见的工作本质上就是叛逆的。玻尔的论文不仅是对物理世界的一种检查，而且也是一篇旗帜鲜明的政治文件。它在一定意义上表明，物理学需要开始一个改造运动了！”
卢瑟福继续说：
“机械论物理曾经变成权威性的。它过分地要求普遍适用，要求人们持有这样一种看法：宇宙以及其中的一切事物，都由机械论的因果关系牢牢地控制着。玻尔的论文则宣布，这样的时代结束了！”
卢瑟福之后，剑桥的数学物理学家詹姆斯·金斯诙谐地承认：
“目前为这些假设提出的惟一证明，恰恰就是玻尔那有分量的成就。”
玛丽·居里也从法国赶来了。她自然成了会议的中心之一。
她赞扬了卢瑟福，预言他定然很快会有“巨大的进展”，她说他是“有可能给人类提供无比幸福的活着的人”。
她在会上没有对玻尔的假设讲什么。可玻尔有幸结识了这位“腼腆、谦让、冷静而高贵”的女性。就在他们私下的谈话中，她引用卢瑟福的话，说玻尔“向物理界发起了挑战”。
可对玻尔的理论持反对态度的人也为数不少。虽然这种态度没有表现在这次会上。
哈拉尔德·玻尔从哥廷根写信告诉他的哥哥，那里的年轻人“不敢相信你的论文客观上会是对的；他们觉得那些假设过于‘大胆’而‘离奇’”。
但玻尔很快从德·赫维赛那里听到了好消息：德·赫维赛参加了由爱因斯坦参加的维也纳物理会议，在会上，他恰巧碰到了爱因斯坦，并向爱因斯坦讲了玻尔的理论。爱因斯坦向德·赫维赛说了这样的话：“我看过了他的论文。我自己一度有过类似的想法，但未敢发表……”
五、飞上九重——玻尔获得诺贝尔奖桂冠
一篇“小论文”引起的反响是不平常的。
玻尔一夜之间成了世界名人。
他回到了哥本哈根，要单独地创办自己的事业。当然，这一举动是在老师卢瑟福的鼓动下做出的，正像当年卢瑟福被自己的老师J·J·汤姆生鼓动去了蒙特利尔一样。
玻尔建造了一个理论物理研究所。研究所于1921年1月18日完工。研究所位于法拉德公园一侧，附近有几个足球场，每年人们都在其中的一个足球场上举行狂欢节庆祝丹麦宪法日。这说明，这里是一个喧嚣之地。可市政府只能拨出这样的地盘给玻尔。那时，玻尔还没有得到诺贝尔奖，而且他的量子论尚有强有力的、权威性的反对者。他的有关原子结构的理论尚在孕育之中。
建筑朴素，灰色的楼体，红瓦房顶，比许多私人住宅还小。内里有一个讲演厅、一个图书馆、若干个实验室、办公室，有一个厅内设有一张乒乓球台。玻尔常常来打球，以调节紧张着的神经。
第二年，即1922年，玻尔取得第二项巨大理论成就：完成了对原子结构的阐明。它成为元素周期表规律性的基础，并且无可逆转地把化学同物理结合在了一起。
玻尔提出，原子的外围是由围绕着核的一层层的电子轨道壳。每一层上能容纳多至某一数目的电子而且数目有限。最外层上的电子数决定着元素的化学性质。就是说，这些电子可用于化学化合。例如，周期表上的第56号元素钡，其原子量为13734，其电子壳上自外向内各层有2、8、18、18、8和2个电子。另一碱土金属镭，第88号元素，原子量为226，电子壳上自外向内各层有2、8、18、32、18、8和2个电子。由于它们外层都有两个价电子，尽管钡和镭原子量和电子数差别很大，但他们的化学性质却是相似的。
当时，第72号元素还没有被发现，元素周期表上，第72号的位置还空着。某些化学家曾预言，72号元素将类似从57号到71号的那种稀土元素。玻尔却断定，72号元素将不是这样的——这时，已经宣布玻尔成为当年诺贝尔物理奖的得主。
当时，乔治·德·赫维赛已经加入了玻尔的研究所，他幻想在玻尔站在斯德哥尔摩领奖台上之前能够找到那种72号元素，并祈求上帝让它符合玻尔所规定的条件。
玻尔同夫人玛格丽特是12月初前往斯德哥尔摩的。
真是上帝的特别恩赐，在玻尔走上领奖台的前一天，他接到了乔治·德·赫维赛的电话，赫维赛告诉玻尔，第72号元素被他发现了，其性质与玻尔的预料完全相同。他建议把这种新元素定名为铪（Hafnium）。这是哥本哈根的古老的拉丁名字——哈夫尼亚（Hafnia）。
第二天，玻尔在领奖台上讲演的末了，自豪地宣布了这一发现，