Редский сплав

В 1922 году Нобелевская премия в области физики была вручена датскому ученому Нильсу Бору "за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения".

На церемонии награждения Аррениус, член Шведской королевской академии наук, отметил, что открытия Бора "подвели его к теоретическим идеям, которые существенно отличаются от тех, что лежали в основе классических постулатов Джеймса Клерка Максвелла". Аррениус добавил, что заложенные Бором принципы "обещают обильные плоды в будущих исследованиях".

***

Нильс Хенрик Давид Бор родился в Копенгагене 8 октября 1885 года в семье Кристиана Бора — профессора физиологии в Копенгагенском Университете и Эллен Бор (в девичестве Адлер), происходившей из еврейской семьи, хорошо известной в банковских, политических и интеллектуальных кругах. Нильс и его брат Гаральд (будущий профессор математики) росли в атмосфере, удивительно благоприятствовавшей развитию их гениальных способностей. Отец, выдающийся физиолог, еще в школе привил детям любовь к физике.

Завершив обучение в Гаммельхольмской грамматической школе в Копенгагене в 1903 году, Бор поступил в Копенгагенский университет, где под руководством профессора Кристиансена, большого оригинала и одаренного физика, получил магистерскую степень по физике в 1909, а докторскую степень в 1911.

Еще будучи студентом, Бор был признан необычайно способным исследователем. Его дипломный проект, в котором он определял поверхностное натяжение воды по вибрации водяной струи, принес ему золотую медаль Датской королевской академии наук в 1908 году.

Последующие исследования Бора становились все более теоретическими. Его докторская диссертация по теории электронов в металлах считалась мастерским теоретическим исследованием. Среди прочего в ней вскрывалась неспособность классической электродинамики объяснить магнитные явления в металлах. Это исследование помогло Бору понять на ранней стадии своей научной деятельности, что классическая теория не может полностью описать поведение электронов.

Осенью 1911 года Бор отправился в Кембридж, где занялся экспериментальной работой под руководством Дж. Дж. Томсона (который открыл в 1897 году электрон) и одновременно продолжал разрабатывать свои собственные теории. Заинтересовавшись исследованиями профессора Резерфорда, Бор весной 1912 года переехал в Манчестер, где в то время шла бурная научная жизнь. В 1911 году Резерфорд предположил, что атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Эта модель основывалась на представлениях, находивших опытное подтверждение в физике твердого тела, но приводила к одному трудноразрешимому парадоксу. Согласно классической электродинамике вращающийся по орбите электрон должен постоянно терять энергию, отдавая ее в виде света или другой формы электромагнитного излучения. По мере того как его энергия теряется, электрон должен приближаться по спирали к ядру и в конце концов упасть на него, что привело бы к разрушению атома. На самом же деле атомы весьма стабильны, и, следовательно, здесь образуется брешь в классической теории. Бор испытывал особый интерес к этому очевидному парадоксу классической физики, поскольку все слишком напоминало те трудности, с которыми он столкнулся при работе над диссертацией. Возможное решение этого парадокса, как полагал он, могло лежать в квантовой теории.

В 1900 г. Макс Планк выдвинул предположение, что электромагнитное излучение, испускаемое горячим веществом, идет не сплошным потоком, а вполне определенными дискретными порциями энергии. Назвав в 1905 г. эти единицы квантами, Альберт Эйнштейн распространил данную теорию на электронную эмиссию, возникающую при поглощении света некоторыми металлами (фотоэлектрический эффект). Применяя новую квантовую теорию к проблеме строения атома, Бор предположил, что электроны обладают некоторыми разрешенными устойчивыми орбитами, на которых они не излучают энергию. Только в случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, он приобретает или теряет энергию, причем величина, на которую изменяется энергия, точно равна энергетической разности между двумя орбитами. Идея, что частицы могут обладать лишь определенными орбитами, была революционной, поскольку согласно классической теории их орбиты могли располагаться на любом расстоянии от ядра подобно тому, как планеты могли бы в принципе вращаться по любым орбитам вокруг Солнца.

Хотя модель Бора казалась странной и немного мистической, она позволяла решать проблемы, давно озадачивавшие физиков. В частности, она давала ключ к разделению спектров элементов.

Когда свет от светящегося элемента (например, нагретого газа, состоящего из атомов водорода) проходит через призму, он дает не непрерывный включающий все цвета спектр, а последовательность дискретных ярких линий, разделенных более широкими темными областями. Согласно теории Бора каждая яркая цветная линия (т.е. каждая отдельная длина волны) соответствует свету, излучаемому электронами, когда они переходят с одной разрешенной орбиты на другую с более низкой энергией. Бор вывел формулу для частот линий в спектре водорода, в которой содержалась постоянная Планка. Частота, умноженная на постоянную Планка, равна разности энергий между начальной и конечной орбитами, между которыми совершают переход электроны. Теория Бора, опубликованная в 1913 году, принесла ему известность, а его модель атома стала называться атомом Бора.

Оценив важность работы Бора, Резерфорд предложил ему пост лектора в Манчестерском университете, где он читал лекции с 1914 по 1916 годы. В 1916 он занял пост профессора в Копенгагенском университете, продолжая работать над строением атома. В 1920 году Бор основал Институт теоретической физики в Копенгагене, которым руководил до конца своей жизни (кроме периода Второй мировой войны, когда его не было в Дании). Под его руководством институт занял ведущую позицию в развитии квантовой механики (математическое описание волновых и корпускулярных аспектов материи и энергии). В течение 20-х годов боровская модель атома была заменена более сложной квантово — механической моделью, основанной главным образом на исследованиях его студентов и коллег. Тем не менее атом Бора сыграл роль связующего звена между миром атомной структуры и миром квантовой теории.

В 1922 году Бор был награжден Нобелевской премией по физике "за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения".

С 30-х годов Бор увлекся ядерной физикой: ядерным превращением и распадом элементов. В предложенной Бором капельной модели ядра поведение нестабильного тяжелого атомного ядра сравнивается с делящейся каплей жидкости, что позволило ученым Фришу и Майтнеру в конце 1938 года разработать теоретическую основу для понимания деления ядра. Открытие деления накануне Второй мировой войны немедленно дало пищу для домыслов о том, как с его помощью высвободить колоссальную энергию. В начале 1939 года Бор определил, что один из обычных изотопов урана, уран-235, является расщепляемым материалом, что оказало существенное влияние на разработку атомной бомбы.

Помимо этого Бор также сформулировал два фундаментальных принципа, определивших развитие квантовой механики: принцип соответствия и принцип дополнительности, показав, как сильно изменения в области физики могут повлиять на наши научные взгляды и как последствия этих изменений затрагивают все области знаний. Эти вопросы обсуждаются в ряде эссе, написанных с 1933 по 1962 годы.

В первые годы войны Бор продолжал работать в Копенгагене, в условиях германской оккупации Дании, над теоретическими деталями деления ядер. Однако в 1943 году предупрежденный о предстоящем аресте, он с семьей бежал в Швецию, а оттуда в Англию. США, начавшие разрабатывать атомную бомбу, пригласили Бора принять участие в проекте. Он сделал ряд технических разработок при создании бомбы и считался старейшиной среди многих работавших там ученых, однако в конце войны его крайне волновали последствия применения атомной бомбы в будущем. Впоследствии Бор продолжал выступать в прессе за мирное использование ядерной энергии и предупреждал об опасности ядерного оружия. В 1950 году он послал открытое письмо в ООН, повторив свой призыв военных лет к "открытому миру" и международному контролю над вооружениями. За свои усилия в этом направлении Бор получил первую премию "За мирный атом", учрежденную Фондом Форда в 1957 году.

В последние годы жизни он продолжал вносить свой вклад в развитие квантовой физики и проявлял большой интерес к новой области молекулярной биологии.

Бор был членом более двух десятков ведущих научных обществ и являлся президентом Датской королевской академии наук с 1939 года и до конца жизни. Кроме Нобелевской премии он получил высшие награды многих ведущих мировых научных обществ.

Бор женился в 1922 году на Маргрете Норлунд, которая была его другом и помощником на протяжении всей его жизни. У них родилось шесть сыновей, из которых Огэ пошел по стопам отца и стал профессором теоретической физики, заняв должность директора Института теоретической физики.

Эйнштейн сказал однажды: "Что удивительно привлекает в Боре как ученом -мыслителе, так это редкий сплав смелости и осторожности, мало кто обладал такой способностью интуитивно схватывать суть скрытых вещей, сочетая это с обостренным критицизмом. Он, без сомнения, является одним из величайших научных умов нашего века".

Нильс Бор умер в Копенгагене 18 ноября 1962 от сердечного приступа.

Материал подготовил

Арсений Волков