Нильс Бор

Будущий основоположник квантовой теории родился 7 октября 1885 г. в Копенгагене в семье талантливого ученого Христиана Харальда Лаурица Петера Эмиля Бора — физиолога и специалиста по химии дыхания.

Нильс рос неординарным ребенком: в школе интересовался физикой, математикой и философией, легко общался с друзьями родителей — философом Х. Геффтингом, лингвистом в области скандинаво-славянских связей В. Томсеном и пр. Кроме того, с юных лет вместе с братом Харальдом играл в футбол за датский клуб «Академик БК» (который, кстати, существует и поныне). Впоследствии Харальд стал математиком, однако футбол не бросил: на Олимпиаде 1908 г. в Лондоне в составе датской сборной дошел до полуфинала.

А Нильс в 1903 г. поступил в Копенгагенский университет. Первая же его работа, посвященная измерению поверхностного натяжения воды по колебанию водной струи, удостоилась Золотой медали Датской королевской академии наук. Исследование было чисто теоретическим. Но потом Бор засел в отцовской лаборатории, дополнив работу опытами. Он дотошно проверял свои гипотезы, добивался логической стройности, выявлял взаимосвязи между фактами, которые до него никто не связывал. Например, между торможением частиц, подвешенных в некой среде, и ослаблением света; между величиной заряда атомного ядра и периодичностью свойств элементов таблицы Менделеева.

Попутно в 1910 г. Бор познакомился с Маргрет Норлунд, сестрой математика Нильса Норлунда и своей будущей женой. В том же году он получил степень магистра, а в следующем защитил докторскую диссертацию по электронной теории металлов, представив доказательство того, что суммарный магнитный момент (величина, характеризующая магнитные свойства) зарядов, движущихся в электрическом поле по законам классической механики, равен нулю. Из теоремы следовал важный вывод: в рамках классической физики объяснить магнитные свойства металлов невозможно. Так что диссертация Бора стала первым шагом к открытию квантов.

После защиты Бор получил стипендию для стажировки за границей и отправился в Великобританию. Точнее — в кембриджскую Кавендишскую лабораторию, которая считалась лучшей в мире. Он мечтал заниматься исследованиями под руководством физика Дж. Дж. Томсона. Но когда тот не отреагировал на замечание по поводу ошибки в вычислениях, Бор понял: «Работать в Кембридже интересно, но бесполезно».

Оставив Кембридж, он поехал в Манчестер, где трудился еще один ученик Томсона — Э. Резерфорд. За два года до того Резерфорд предположил, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Однако, согласно классической физике, вращающийся на орбите электрон должен постоянно терять энергию, отдавая ее в виде света или другой формы электромагнитного излучения; и приближаться по спирали к ядру — пока, в конце концов, не упадет на него, разрушив атом.

Как же атомам удается поддерживать стабильность? Именно на этот вопрос хотел ответить Бор, полагая, что решение может лежать в области квантов.

В 1900 г. М. Планк выдвинул теорию, что электромагнитное излучение, испускаемое горячим веществом, идет не сплошным потоком, а дозированными порциями энергии. Назвав эти порции «квантами», А. Эйнштейн распространил теорию на электронную эмиссию — потерю электронов, возникающую при поглощении света металлами (фотоэлектрический эффект). В свою очередь, Бор применил квантовую теорию к проблеме строения атома. И в 1913-м предположил, что существуют орбиты, на которых электроны не теряют энергию, и количество таких орбит строго определено. Переходя с орбиты на орбиту, электрон излучает или поглощает энергию, равную разнице энергий орбит, то есть «квантовано».

Такая модель позволила объяснить, почему луч, испускаемый нагретым газом (водородом) и проходящий через призму, дает не целостный спектр, а последовательность ярких линий, разделенных более широкими темными областями. Согласно теории Бора, каждая яркая цветная линия (т. е. волна определенной длины) соответствует свету, излучаемому электронами, когда они переходят с одной орбиты на другую — менее энергетическую. Частота линий в спектре зависит от разности энергий начальной и конечной орбит, между которыми совершают переход электроны.

В 1913 г. вышли три части статьи Бора «О строении атомов и молекул». Оценив важность этой работы, Резерфорд предложил Бору место лектора в Манчестерском университете. В 1916-м Нильс занял пост профессора Копенгагенского университета, а четыре года спустя основал Институт теоретической физики в Копенгагене, которым руководил до конца жизни.

В 1922-м за выдающийся вклад в развитие мировой науки Бор был удостоен Нобелевской премии. Среди тех, кто его номинировал, был первый Нобелевский лауреат по физике — В. К. Рентген.

Впоследствии Бор занимался проблемами познания в физике. Он сделал большой вклад в копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, согласно которой жесткие причинно-следственные связи, действующие в повседневном макроскопическом мире, не применимы к внутриатомным явлениям. Например, нельзя предсказать траекторию электрона — можно лишь указать вероятность каждой из возможных траекторий.

Также Бор сформулировал два принципа квантовой механики: принцип соответствия и принцип дополнительности. Первый утверждает, что квантово-механическое описание макроскопического мира должно соответствовать его описанию в рамках классической механики. Второй — вещества и излучения могут иметь либо волновой, либо корпускулярный характер (т. е. основанный на потоке частиц); но смешанное поведение не наблюдается никогда. Имея дело с миром атома, «мы должны быть скромными и довольствоваться концепциями, в которых отсутствует визуальная картина».

В 1930-е гг. Бор обратился к ядерной физике и предложил капельную модель, сравнив поведение нестабильного тяжелого атомного ядра с делящейся каплей жидкости, что приблизило ученых к пониманию деления ядра. Во время визита в Принстон в начале 1939 г. Бор определил: обычный изотоп урана — уран-235 — является расщепляемым. Это дало толчок разработке атомной бомбы.

Впрочем, когда физику предложили помочь гитлеровской Германии в создании атомной бомбы, он категорически отказался — поскольку считал нацизм главной опасностью для человечества. В годы войны Бор помогал ученым, бежавшим из Третьего Рейха. Затем при поддержке датского Сопротивления сам бежал из Дании. А в 1944-м призвал президента Рузвельта к полному запрету еще не созданного ядерного оружия….

После войны Нильс участвовал в основании Европейского центра ядерных исследований и Нордического института теоретической атомной физики, выступал в прессе за мирное использование ядерной энергии и предупреждал об опасности ядерного оружия. За это в 1957 г. был награжден премией «За мирный атом», учрежденной Фондом Форда.

Веселый, дружелюбный и гостеприимный гений ушел из жизни 18 ноября 1962 года, в результате сердечного приступа.

Эйнштейн говорил о нем так: «Мало кто обладал такой способностью интуитивно схватывать суть скрытых вещей, сочетая это с обостренным критицизмом. Бор, без сомнения, является одним из величайших умов нашего века».