Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

«Быть или не быть, вот в чем вопрос». Как и принц Гамлет, Бор сталкивался с этой дилеммой много раз за свою карьеру. Но он был далек от озлобленности и мрачного безумия, в которых пребывал шекспировский персонаж, искавший мира в несуществующем прошлом. Бор пытался реализовать свои принципы и превозмочь научные, философские и социальные противоречия, призвав на помощь воображение, ответственность и творчество. Таким он и остался в истории: Бор считается отцом поколения, изменившего физику.

1885 7 октября в Копенгагене на свет появляется Нильс Хенрик Давид Бор.

1911 Защищает в Копенгагенском университете докторскую диссертацию по электронной теории металлов.

1912 Переезжает в Манчестер, где с небольшими перерывами живет до 1916 года. Женится на Маргрет Норлунд.

1913 Формулирует свою модель атома.

1918 Удостаивается звания профессора в Копенгагене.

1918 Формулирует принцип соответствия.

1921 В Копенгагене открывается Институт теоретической физики.

1922 Бор удостаивается Нобелевской премии по физике за работу в области структуры атома и радиации.

1924 Начало сотрудничества, а также дружбы с Вернером Гейзенбергом.

1925 В своей первой статье Гейзенберг формулирует новую квантовую механику. Через год и Эрвин Шрёдингер публикует подтвердившуюся теорию. Эта трехсторонняя дискуссия (при участии Бора) дает в результате так называемую 4копенгагенскую интерпретацию» основ квантовой механики; Шрёдингер и Эйнштейн ее не признавали.

1927 Бор формулирует принцип дополнительности в Комо (Италия).

1932 «Чудесный год» для ядерной физики: открытие нейтрона и позитрона, запуск первого ускорителя частиц; все это происходит в Кембридже.

1933 До конца Второй мировой войны Бор находит в дружественных странах убежище физикам — жертвам нацистского режима.

1935 Запускает проект по созданию ускорителя частиц в Дании.

1939 Открытие расщепления ядра.

1943 Бор с женой переезжают в США.

1945 Атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки. Бор начинает кампанию за «Открытый мир».

1947 Становится кавалером Ордена Слона, высшей национальной награды Дании.

1982 Умирает 18 ноября в Копенгагене.

1985 Институт теоретической физики получает название Института Нильса Бора.

ГЛАВА 1

Бор играет с электронами

По мере своего развития наука погружалась в сферу все более мелких частиц: сперва атомов, а затем крошечных электронов. В начале XX века электроны были недавним открытием и представляли собой целую вселенную, которую требовалось исследовать. Им и посвятил свою докторскую диссертацию молодой Нильс Бор, показав себя подающим надежды и оригинальным ученым.

Нильс Бор провел свои первые исследования в Дании, в маленькой по сравнению с крупными европейскими державами XIX века стране. Это небольшое скандинавское государство — родина викингов и колыбель писателей вроде Ханса Кристиана Андерсена (1805-1875), чьи сказки снискали мировую славу, философа-экзистенциалиста Сёрена Кьеркегора (1813-1855) и Карен Бликсен (1885-1962), которая подписывала свои работы псевдонимом Исак Динесен. Среди знаменитых датских ученых выделяются астроном Тихо Браге (1546- 1601), физики Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851), чьи работы по нахождению связи между электричеством и магнетизмом сделали его одним из родоначальников электромагнетизма, и Людвиг Валентин Лоренц (1829-1891), прославившийся работами в областях оптики, электричества и термодинамики. К этому списку известных лиц следует добавить Нильса Хенрика Давида Бора, одного из самых влиятельных датчан в истории XX века.

Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в неоклассическом особняке в центре Копенгагена, который его дед со стороны матери, состоятельный еврейский банкир, купил примерно десятью годами ранее. Его отец, Кристиан Бор (1855-1911), читал лекции по физиологии в Копенгагенском университете, где был профессором и ректором, следуя академической традиции, установленной семейством Боров в XIX веке. Так, Кристиан Фредрик (1773-1832) являлся членом Академии наук Швеции и Норвегии; Петер Георг (1776-1846), прадедушка Нильса, читал лекции по теологии, а Хенрик Георг Кристиан (1813— 1880), дедушка, был профессором и ректором гимназии Вестенске в Копенгагене. Все это позволяет представить Нильса как члена обеспеченной интеллектуальной семьи конца XIX века.

Его мать, Эллен Адлер (1860-1930), принадлежала к первому поколению датчанок, которым было разрешено обучаться в университете, хотя и с некоторыми ограничениями. В академических кругах считалось, что эта уступка по отношению к «слабому полу» может снизить качество университетского образования. Чтобы гарантировать женщинам успех в обучении, им была выделена дополнительная помощь в лице персональных наставников. Так Эллен познакомилась с преподавателем физиологии Кристианом Бором, который затем стал ее мужем.

В этом браке Нильс был вторым сыном. За два года до него родилась Дженни (1883-1933), которая, следуя по стопам матери, получила университетское образование в Копенгагене и Оксфорде. Здоровье иногда не позволяло этой девушке нервического склада отдаваться любимой работе, преподаванию. Через два года после Нильса родился его брат Харальд (1887- 1951). Между двумя братьями с детства установилась дружба, остававшаяся неизменной всю жизнь. Именно из писем к брату мы узнаем о некоторых подробностях первых приключений Нильса Бора за пределами Дании. Харальд стал блестящим математиком (профессором Копенгагенского университета) и лучшим футболистом, чем его брат, он даже был в составе сборной Дании на Олимпийских играх 1908 года в Лондоне.

Именно в отчем доме Нильс и Харальд сделали свои первые шаги в интеллектуальной жизни. К их отцу часто приходили профессор физики Кристиан Кристиансен (1843-1917), философ Харальд Хёффдинг (1834-1931) и лингвист Вильгельм Томсен (1842-1927), чтобы в неформальной обстановке обсудить самые разные темы. Обоим братьям разрешалось присутствовать при этих разговорах и даже участвовать в них, задавать вопросы и критиковать. Так укрепились некоторые свойства научной работы Бора: его страсть идти до конца, его стремление учитывать максимально возможное число точек зрения и не оставлять нерешенных задач.

Тихо Браге — один из значимых астрономов эпохи Возрождения наряду с Коперником, Кеплером и Галилеем. Он родился в 1546 году в шведской провинции Сконе, принадлежавшей в ту пору Дании. Король даровал ученому остров Вен, где тот построил, пожалуй, лучшую обсерваторию своего времени, снабдив ее гигантским квадрантом для чрезвычайно точного измерения видимых диаметров звезд.

Как на современной фабрике, каждый сотрудник на острове решал определенную задачу (будь то наблюдение с помощью квадранта или последующие математические расчеты), и всех их контролировал вездесущий Браге. В конце XVI века, когда астрономы разделились на сторонников классической модели космоса (в которой все планеты вращаются вокруг Земли) и новой модели Коперника (с Солнцем в центре), Тихо Браге предложил третий вариант. Он заявил, что Земля находится в центре Вселенной, вокруг нее движутся Солнце и Луна, а остальные планеты перемещаются вокруг вращающегося Солнца (как показано на рисунке). Интересно заметить, что в XX веке аналогия между планетарными системами и атомной структурой была источником проблем, и Нильс Бор оказался первым, кто положил конец этому уподоблению перемещения электронов в атоме движению светил в космосе.

В 1903 году Нильс поступил в Копенгагенский университет, чтобы изучать физику, хотя этот предмет был не единственным его увлечением в студенческие годы. Вместе с братом и дюжиной приятелей, получавших самое разнообразное образование, они создали философский клуб «Эклиптика», в некоторой степени воспроизводивший виденное ими дома. Это был междисциплинарный клуб, где молодые люди обсуждали различные серьезные научные вопросы в неформальной дружеской обстановке. На этих собраниях проявилась еще одна черта Бора: сосредоточившись на конкретной проблеме, он говорил все тише, пока не переходил на шепот. (Нильс Бор едва различал процессы мышления и говорения, так что очень часто его слова были почти неслышны.) Из этого клуба со временем вышли профессор филологии, профессор психологии, три директора национальных музеев, директор Института геодезии, экономисты и один посол Дании.

Датский физик первой половины XIX века Ханс Кристиан Эрстед известен как один из первых исследователей, доказавших тесную связь электричества и магнетизма и объединивших таким образом две науки в одну — электромагнетизм. Почти случайно в 1820 году Эрстед заметил, что при включении и выключении электрической цепи стрелка на компасе рядом с прибором отклоняется. Это подтверждало, что электрический ток и магнитные колебания — явления, связанные между собой. Примечательно, что эта связь проявляется только при включении или выключении прибора, а также при изменении силы электрического тока. Следовательно, не собственно ток, а его изменения влияют на земное магнитное поле и заставляют стрелку отклоняться.