Нильс Бор
Нильс Хенрик Давид Бор (7 октября 1885, Копенгаген; 18 ноября 1962, Копенгаген): датский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, автор планетарной модели атома 1913 года и принципа дополнительности, лауреат Нобелевской премии по физике 1922 года.
Происхождение и детство
Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в Копенгагене в семье, где царил культ науки и философии. Отец, Кристиан Бор (1858-1911), был профессором физиологии Копенгагенского университета и дважды выдвигался на Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Мать, Эллен Адлер (1860-1930), происходила из состоятельной еврейской банкирской семьи: её отец Давид Барух Адлер был одним из влиятельнейших финансистов Дании. Именно это двойное наследие, еврейские корни по материнской линии, впоследствии едва не стоило Нильсу жизни в годы нацистской оккупации.
В доме Боров постоянно звучали разговоры о науке и смысле познания. Нильс рос вместе со старшей сестрой Йенни и младшим братом Харальдом, который стал известным математиком и выступал за сборную Дании по футболу. Нильс занимался в школе Гаммельхольм и с ранних лет увлекался физикой и философией, видя в них единое стремление понять устройство мира. Помимо учёбы, Нильс играл в футбол на позиции вратаря в клубе «Академиск Болдклуб» вместе с братом, хотя народная молва ошибочно приписывала ему выступления за национальную сборную: сборную представлял только Харальд.
Образование и становление учёного
В 1903 году Нильс поступил в Копенгагенский университет на физико-математический факультет. Его научным руководителем стал Кристиан Кристиансен, один из ведущих датских физиков. Параллельно Бор слушал лекции по астрономии и химии, а у философа Харальда Хёффдинга изучал логику и теорию познания. Эти занятия заложили фундамент философского мышления, которое потом проявится в принципе дополнительности.
В 1906 году Датское королевское научное общество присудило ему золотую медаль за теоретическое исследование колебаний струи жидкости. Магистерскую степень Бор получил в 1909 году, защитив диссертацию по электронной теории металлов. В мае 1911 года он успешно защитил докторскую диссертацию на ту же тему: работа показала, что классическая физика не способна объяснить магнитные свойства вещества и что в дело должна вступить принципиально новая теория.
Осенью 1911 года на стипендию фонда Карлсберга в 2500 крон Бор отправился в Кембридж, чтобы работать под руководством Дж. Дж. Томсона, первооткрывателя электрона. Сотрудничество не задалось: Томсон был занят собственными проблемами и не заинтересовался замечаниями молодого датчанина к его теории. В марте 1912 года Бор перебрался в Манчестер к Эрнесту Резерфорду. С этим человеком у него немедленно возникло глубокое взаимопонимание, и именно в Манчестере Бор начал создавать то, что перевернёт физику.
Квантовая модель атома
В 1911 году Резерфорд показал, что атом устроен как крохотная «солнечная система»: в центре плотное положительное ядро, вокруг него вращаются электроны. Но классическая физика предсказывала, что такой атом мгновенно разрушится: электрон, двигаясь по орбите, должен непрерывно излучать энергию и по спирали падать на ядро. Реальные атомы, однако, были устойчивы. Нильс Бор взялся за это противоречие.
В феврале 1913 года, разбирая закономерности спектральных серий водорода, открытых ещё Бальмером в 1885 году, Бор увидел ключ к решению. В период с июля по декабрь 1913 года в «Philosophical Magazine» вышли три части его революционной статьи «О строении атомов и молекул». Бор ввёл два постулата: во-первых, электроны существуют только на строго определённых, «разрешённых» орбитах, не излучая энергии; во-вторых, при переходе с одной орбиты на другую атом излучает или поглощает квант света с частотой, равной разности энергий орбит, делённой на постоянную Планка. Из этой теории аналитически выводилась формула Бальмера, которой физики пользовались 28 лет, не понимая её природы. Эйнштейн, узнав о работе Бора, назвал её «высшей музыкальностью в сфере мысли».
В 1914 году Резерфорд пригласил Бора занять кафедру математической физики в Манчестере. В 1916 году Бор вернулся в Копенгаген, возглавив кафедру теоретической физики. В 1918 году он сформулировал принцип соответствия: в пределе больших квантовых чисел квантовая теория переходит в классическую. С 1921 по 1923 год он использовал принцип соответствия для объяснения всей периодической системы Менделеева, описав, как электроны заполняют оболочки атомов. В 1922 году в Копенгагенском институте Дирк Костер и Дьёрдь де Хевеши, следуя предсказаниям Бора, обнаружили новый химический элемент, получивший название гафний (от латинского Hafnia, Копенгаген).
Институт Бора и Копенгагенская школа
Ещё в апреле 1917 года Бор обратился к датским властям с просьбой финансировать новый институт теоретической физики. 3 марта 1921 года Институт теоретической физики при Копенгагенском университете официально открылся. Бор возглавлял его более сорока лет; в 1965 году институту присвоили его имя, и теперь он называется Институтом Нильса Бора.
На протяжении 1920-х годов институт стал главным центром квантовой революции. Сюда приезжали работать Вернер Гейзенберг, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Оскар Клейн, Хендрик Крамерс, Дьёрдь де Хевеши. Именно здесь формировался стиль работы, который историки науки назвали «Копенгагенским духом»: свободные дискуссии, готовность ломать привычные представления, соединение физики с философией. Бор финансировал институт из нескольких источников, включая пожертвования пивоваренной компании «Карлсберг», и в 1932 году вместе с семьёй переехал в так называемый «Дом чести», резиденцию основателя «Карлсберга», переданную Бору как почётному жителю Дании.
Принцип дополнительности и спор с Эйнштейном
В начале 1927 года, находясь в зимнем отпуске в норвежских горах, Бор сформулировал принцип дополнительности. Суть его состоит в следующем: у квантового объекта существуют взаимоисключающие, но одинаково необходимые способы описания. Частица и волна не противоречие, а дополнение: какое описание окажется уместным, определяется условиями наблюдения. Измерить обе «стороны» объекта одновременно с одинаковой точностью невозможно. Принцип дополнительности лёг в основу копенгагенской интерпретации квантовой механики.
В сентябре 1927 года Бор представил принцип на Международном конгрессе памяти Алессандро Вольты в Комо, а в октябре 1927 года на пятом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе начались его знаменитые дискуссии с Альбертом Эйнштейном. Эйнштейн не желал мириться с тем, что квантовая механика принципиально вероятностна: «Бог не играет в кости». Он приносил всё новые мысленные эксперименты, призванные обойти соотношение неопределённостей Гейзенберга. Бор каждый раз находил опровержение. На шестом Сольвеевском конгрессе 1930 года Эйнштейн предложил знаменитый парадокс «фотонного ящика»: весы с часовым механизмом, якобы позволяющие одновременно измерить и время испускания фотона, и потерю массы. Бор всю ночь искал ответ и нашёл его, использовав... общую теорию относительности самого Эйнштейна.
В 1935 году спор вспыхнул с новой силой: Эйнштейн вместе с Подольским и Розеном опубликовал статью о «парадоксе ЭПР», утверждая, что квантовая механика неполна, так как допускает «призрачное дальнодействие» между разнесёнными частицами. Бор ответил подробным разбором, настаивая, что понятие «реальности» в квантовом мире нельзя применять в отрыве от условий измерения. Полемика продолжалась до смерти Эйнштейна в 1955 году. При всей резкости разногласий оба учёных относились друг к другу с искренним восхищением: Эйнштейн называл Бора «одним из величайших мыслителей современности».
Нобелевская премия и международное признание
В 1922 году Шведская королевская академия наук присудила Нильсу Бору Нобелевскую премию по физике «за заслуги в изучении строения атомов и излучения, исходящего от них». Нобелевскую лекцию «О строении атомов» он прочитал в Стокгольме 11 декабря 1922 года. Примечательно, что Нобелевскую премию по физике того же года получил будущий научный наставник Бора Альберт Эйнштейн (за 1921 год, присуждённую с задержкой), так что обе награды вручались на одной церемонии.
Признание Бора вышло далеко за рамки одной премии. Он стал членом более двадцати академий наук по всему миру, в том числе иностранным членом Академии наук СССР (членом-корреспондентом с 1924 года, почётным иностранным членом с 1929 года). В 1921 году получил медаль Хьюза Лондонского королевского общества, в 1923-м медаль Маттеуччи, в 1926-м медаль Франклина, в 1938-м медаль Копли. В 1947 году датский король Фредерик IX удостоил его ордена Слона, чрезвычайно редкой награды, как правило вручаемой лишь монархам и главам государств.
Война, побег и Манхэттенский проект
С приходом нацистов к власти в 1933 году Бор начал помогать учёным-эмигрантам из Германии. Вместе с братом Харальдом и несколькими единомышленниками он основал Комитет помощи учёным-беженцам. В апреле 1940 года нацистская Германия оккупировала Данию. Бор остался в Копенгагене, считая своим долгом защищать институт и сотрудников.
В сентябре 1941 года к нему в Копенгаген приехал Вернер Гейзенберг, руководивший немецким ядерным проектом. Они встретились на вечерней прогулке. Точное содержание разговора по сей день остаётся предметом споров: Гейзенберг утверждал, что предупреждал Бора об опасности ядерного оружия, тогда как Бор понял из беседы, что Германия активно работает над бомбой. Эта встреча легла в основу знаменитой театральной пьесы Майкла Фрейна «Копенгаген» (1998).
В сентябре 1943 года германские власти начали облаву на датских евреев. Боря, имевшего еврейские корни по матери, предупредили об угрозе ареста. 29 сентября 1943 года датский рыбак Флемминг Юель переправил его на лодке через пролив в Швецию. Бор немедленно добился у короля Швеции Густава V публичного объявления о предоставлении убежища датским евреям. Это решение позволило спасти более 7000 человек, переправившихся из Дании в Швецию. 6 октября 1943 года британский самолёт-разведчик «Де Хэвилленд Москито» доставил Бора из Стокгольма в Лондон. Во время перелёта на большой высоте он потерял сознание из-за нехватки кислорода, не надев надлежащим образом кислородную маску, и выжил лишь по счастливой случайности.
В декабре 1943 года Бор прибыл в Вашингтон и приступил к работе на Манхэттенском проекте под псевдонимом «Николас Бейкер». Его сын Оге работал рядом под именем «Джеймс Бейкер». Бор консультировал учёных в Лос-Аламосе, помогая решить проблему нейтронного инициатора для плутониевой бомбы. Роберт Оппенгеймер высоко ценил его вклад. Однако Бора куда больше занимал другой вопрос: как не допустить ядерной катастрофы после войны. Он встречался с Черчиллем и Рузвельтом, добиваясь международного контроля над ядерными разработками. Черчилль встретил его идеи в штыки. После атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 года Бор стал одним из главных голосов в пользу ядерного разоружения.
Личная жизнь
16 апреля 1912 года Нильс Бор вышел из лютеранской церкви Дании. 1 августа 1912 года он женился на Маргрете Нёрлунд (1886-1984), сестре математика Нильса Эрика Нёрлунда, в ратуше города Слагельсе. Маргрете стала неизменным спутником жизни учёного на протяжении пятидесяти лет, помогала с перепиской и была первым читателем его рукописей.
В браке родились шестеро сыновей. Старший, Кристиан, погиб в 1934 году в парусной катастрофе на глазах у отца. Второй сын, Харальд, с раннего детства страдал тяжёлой умственной инвалидностью, был помещён в учреждение и скончался от менингита в десятилетнем возрасте. Эти трагедии тяжело ударили по Бору. Третий сын, Оге Нильс Бор (1918-2009), пошёл по стопам отца: в 1975 году он разделил Нобелевскую премию по физике за создание коллективной модели атомного ядра. Эрнест Бор выступал за сборную Дании по хоккею на траве на Олимпийских играх 1948 года в Лондоне. Ханс стал врачом, Эрик инженером-химиком.
Последние годы и смерть
После Второй мировой войны Бор возглавил усилия по мирному использованию атомной энергии в Дании. В 1955 году он стал первым председателем Датской комиссии по атомной энергии и Исследовательского центра Рисё. В 1952 году он поддержал создание ЦЕРН в Женеве, а в 1957 году возглавил Северный институт теоретической физики (НОРДИТА) в Копенгагене. С 1939 по 1962 год Бор занимал пост президента Датской королевской академии наук и словесности. В 1957 году он получил первую премию «Атом для мира». В 1961 году ему была присуждена Премия Зонинга как одному из выдающихся деятелей культуры Скандинавии.
18 ноября 1962 года Нильс Бор скончался от сердечной недостаточности в своём доме в Карлсберге на окраине Копенгагена. Ему было 77 лет. Урна с его прахом покоится на семейном участке кладбища Ассистенс в копенгагенском квартале Норребро рядом с родителями, братом Харальдом и сыном Кристианом. В 1965 году Институт теоретической физики в Копенгагене был переименован в его честь.
Наследие и влияние
Научное наследие Нильса Бора пронизывает всю современную физику. Квантовая модель атома 1913 года, хотя и уступила место более сложной квантовомеханической картине, открыла эру, в которую стали возможны лазеры, транзисторы, МРТ-сканеры и атомная энергетика. Принцип дополнительности вышел за пределы физики и повлиял на философию науки, биологию (сам Бор применял его к проблеме жизни и сознания) и теорию познания.
В 1999 году опрос выдающихся физиков поставил Бора на четвёртое место среди величайших учёных всех времён, после Эйнштейна, Ньютона и Максвелла. Химический элемент с атомным номером 107, открытый в 1981 году, назван в его честь bohrium (борий). Институт Нильса Бора в Копенгагене по сей день входит в число ведущих теоретических центров мира. Его личный герб, утверждённый в 1947 году при награждении орденом Слона, содержал символ инь-ян с девизом «Contraria sunt complementa» («Противоположности дополняют друг друга»), что само по себе стало наглядным образом его главной идеи.