В 1922 году Нобелевский комитет вручил премию по физике 37-летнему датчанину за работу, которую большинство академиков считали спорной. Через двадцать лет этот же человек, по легенде, растворил золотую нобелевскую медаль в царской водке — только чтобы не досталась гитлеровцам. А еще через три года его расчеты помогли создать оружие, способное уничтожить человечество. «Ямал-Медиа» рассказывает об удивительной судьбе и волнующих открытиях гениального физика Нильса Бора. Сегодня, 7 октября, со дня его рождения исполнилось 140 лет.
Нильс Бор: биография физика
Нильс Хенрик Давид Бор родился 7 октября 1885 года в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Кристиана Бора и Эллен Адлер, дочери влиятельного еврейского банкира и политика. Мать привила маленькому Нильсу любовь к искусству, а отец — к точным наукам.
Семья Боров в конце 1880-х гг. Фото: Институт Нильса Бора в Копенгагене/nbi.ku.dk
В их доме устраивали литературные чтения, музыкальные вечера, обсуждали философские вопросы. Уже в детстве Нильс демонстрировал незаурядные способности к математике и физике. В элитной гимназии Гамле Хеллеруп он показывал блестящие результаты, хотя однокашники считали его немного странным: юный Нильс мог часами размышлять вслух над какой-то задачей, не замечая, что происходит вокруг.
В 18 лет Бор поступил в Копенгагенский университет, где изучал физику, астрономию и математику. Уже на втором курсе он провел эксперименты по измерению поверхностного натяжения воды, за которые получил золотую медаль Датской королевской академии наук. Дипломную работу защитил в 1909-м, диссертацию — в 1911-м. Обе работы были посвящены электронной теории металлов.
Сразу после защиты Бор уехал в Кембридж к первооткрывателю электрона Джозефу Джону Томсону. Сотрудничество не заладилось — Томсон холодно воспринял критику молодого датчанина в адрес своих теорий. Зато в Манчестере Бор нашел того, кого искал. Эрнест Резерфорд, новозеландец с громовым голосом и неуемной энергией, только что предложил планетарную модель атома: ядро в центре, вокруг вращаются электроны — красиво, но физически нестабильно. По классической электродинамике такой атом должен был схлопнуться за доли секунды.
Фото: Inga Nielsen/Shutterstock/Fotodom
Однако Бор увидел в этой проблеме не тупик, а веский повод для дальнейшего развития теории. Так работа с Резерфордом в Манчестере заложила основу для создания знаменитой боровской модели атома.
Футболист и лыжник
Выдающийся физик мог стать профессиональным спортсменом. В юности Нильс Бор играл в футбол на позиции вратаря. Вместе с младшим братом Харальдом он выступал за копенгагенский клуб «Академиск».
Харальд считался более талантливым футболистом, зато его старший брат защищал ворота команды с удивительным хладнокровием. Его товарищи вспоминали, что на поле Нильс думал как физик — не просто отбивал мячи, а рассчитывал их траектории и выбирал оптимальную позицию. А Харальд впоследствии стал серебряным призером Олимпийских игр 1908 года по футболу, а затем — известным математиком.
Братья Боры: Харальд и Нильс. Фото: Институт Нильса Бора в Копенгагене/nbi.ku.dk
Зимой Бор увлекался лыжным спортом и катался до конца жизни, часто обдумывая во время лыжных прогулок научные проблемы. Именно во время одной из них ему пришла идея принципа дополнительности — одной из основополагающих теорий квантовой механики.
Что открыл Нильс Бор
- Главным научным достижением Бора стала квантовая модель атома, предложенная им в 1913 году. До Бора представления об атоме были противоречивыми: по классической электродинамике, вращающийся вокруг ядра электрон по идее должен излучать энергию. Но этого не происходило.
- В 1927 году Бор предложил принцип дополнительности. Он утверждал, что объекты квантового мира могут проявлять свойства и частицы, и волны, но не обеих одновременно. Эта концепция стала частью «копенгагенской интерпретации» квантовой механики, которую Бор разработал вместе с Вернером Гейзенбергом и Максом Борном.
Он нашел применение этой идее в областях, выходящих далеко за рамки физики — психологии, биологии, истории, искусстве. Вероятно, он не возражал бы против использования принципа дополнительности и в процессе письма — в отношениях между автором и его текстом.
Нильс Бор (слева), Вернер Гейзенберг (посередине) и Вольфганг Паули (справа). Фото: Институт Нильса Бора в Копенгагене/nbi.ku.dk
Почему бы и нет? Каждый раз, садясь за работу, писатель сталкивается с огромным количеством вариантов. Можно выбрать любые слова из тысяч возможных, выстроить их в разном порядке, вставить случайные или осмысленные замечания, разделить текст на главы, строфы, сцены, разделы, строки, акты или абзацы.
Важным принципом квантовой механики также стало признание фундаментальной роли неопределенности, которая, согласно авторам, должна приниматься учеными как базовый аспект природы. Этот принцип революционно изменил представление о детерминизме в физике. В классической механике считалось, что, если точно знать положение и скорость всех частиц в системе, можно предсказать ее будущее состояние с абсолютной точностью. Принцип неопределенности показал, что на квантовом уровне такая полная предсказуемость принципиально невозможна. Природа на микроуровне обладает внутренней вероятностной характеристикой, которая не может быть устранена никакими улучшениями в технике измерения.
В 1927 году на Пятом Сольвеевском конгрессе по физике состоялся известный обмен мнениями между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. Эйнштейн, не соглашаясь с идеями Бора и его соратников, заявил, что «Бог не играет со Вселенной в кости». В ответ Бор предложил Эйнштейну не указывать Богу, как поступать.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Парк скульптур Музеон в Москве. Фото: Pat Moore/Shutterstock/Fotodom
Хотя в тот момент сторонники «копенгагенской интерпретации» и не убедили Эйнштейна, дискуссия привлекла внимание научного сообщества и ускорила признание их подхода, который впоследствии стал основным в квантовой механике.
- Бор также сформулировал принцип соответствия, согласно которому квантовая механика должна переходить в классическую при больших квантовых числах. Этот принцип стал важным методологическим инструментом для развития всей квантовой теории.
- В 1936 году Бор предложил капельную модель ядра, которая рассматривала атомное ядро как каплю «ядерной жидкости». Эта модель помогла объяснить механизм деления ядер тяжелых элементов и легла в основу понимания природы ядерной энергии.
- В 1939 году он вместе с Джоном Уилером разработал теорию деления ядер, заложившую основу для создания ядерного оружия и ядерной энергетики.
Что такое модель Бора
До теории Нильса Бора ученые придерживались модели атома Резерфорда, согласно которой атом представлял собой миниатюрную солнечную систему с положительно заряженным ядром в центре и вращающимися вокруг него электронами. Однако она противоречила законам классической электродинамики: движущиеся с ускорением электроны должны были бы излучать энергию и упасть на ядро, что противоречило стабильности атомов.
Модель атома Бора можно представить как набор вложенных друг в друга окружностей разного диаметра — орбит. Опираясь на квантовую теорию Планка, ученый утверждал, что на стабильных орбитах электроны не излучают энергию и только при перемене орбит могут испускать и поглощать определенные порции энергии — световые кванты, энергия которых равна разнице энергий между орбитами. Момент импульса электрона на стационарной орбите кратен постоянной Планка (mvr = nħ, где n — главное квантовое число). Этим объяснялись спектральные линии, наблюдаемые в экспериментах с водородом.
Боровская модель атома. Фото: rktz/Shutterstock/Fotodom
В 1922 году Нильс Бор был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследование строения атомов и испускаемого ими излучения». Хотя впоследствии его модель была заменена на более точную квантово-механическую, где электроны описываются как волны вероятности, а не частицы на определенных орбитах, она сыграла ключевую роль в становлении квантовой физики и до сих пор используется в школьных учебниках как упрощенное, но наглядное объяснение строения атома.
Нильс Бор против фашизма
Когда нацисты оккупировали Данию в 1940 году, для Бора, имевшего еврейские корни по материнской линии, начался опасный период. Несмотря на угрозу ареста, он отказался сотрудничать с оккупационными властями и превратил свой институт в убежище для ученых-евреев.
В 1943 году, когда начались массовые аресты евреев, Бор узнал о готовящейся операции через своего друга в немецком посольстве. Он немедленно связался со шведским правительством и добился согласия на прием датских евреев. Затем информация была распространена по всей еврейской общине Дании. За несколько недель рыбаки на своих лодках переправили в нейтральную Швецию почти семь тысяч человек — около 95% всего еврейского населения страны.
В конце сентября 1943 года вслед за иммигрантами в Швецию отправился на лодке и Нильс Бор вместе с женой. Затем их в бомбоотсеке бомбардировщика доставили в Великобританию. Дорога была опасной — из-за нехватки кислорода на высоте Бор потерял сознание и едва не погиб.
По легенде, еще в 1940 году ученый по совету друга, венгерского химика Дьёрдя де Хевеши, растворил свою золотую нобелевскую медаль и медаль немецкого физика Макса фон Лауэ в царской водке. Банка с раствором простояла на полке лаборатории до конца войны. В 1950 году химик, сам к тому времени ставший нобелевским лауреатом, осадил золото обратно, и из него отлили новые медали.
Фото: Bertil Jonsson/Shutterstock/Fotodom
В Великобритании и США Бор включился в Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы, хотя его роль была больше консультативной. Уже тогда он выражал беспокойство о послевоенной ядерной гонке и пытался убедить Черчилля и Рузвельта поделиться ядерными технологиями с Советским Союзом для предотвращения гонки вооружений.
Премьер-министр Великобритании Уинстон Черчилль считал Бора наивным, а его идеи — опасными. В одном из документов Черчилль даже предложил «присматривать за профессором Бором», опасаясь, что тот может передать секретную информацию СССР. Такая подозрительность глубоко задела ученого.
«Человечество не погибнет в атомном кошмаре»: мирный атом и афоризмы Нильса Бора
После войны Бор стал одним из самых активных сторонников мирного использования атомной энергии. Он понимал, что технологию нельзя «разизобрести», но верил, что ее можно поставить на службу человечеству.
В 1950 году Бор опубликовал открытое письмо ООН, где призывал к «открытому миру» с международным контролем над ядерным оружием. Он писал: «Мы находимся в новой ситуации, которая не имеет прецедента в истории человечества и может быть решена только беспрецедентными мерами».
Фото: Natali _ Mis/Shutterstock/Fotodom
Бор активно продвигал идею использования ядерной энергии в мирных целях. Он поддерживал создание Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) и международное сотрудничество в области ядерной физики. Основанный им институт в Копенгагене стал центром разработки мирных ядерных технологий и квантовой механики. А в 1957-м Нильс Бор получил первую премию «За мирный атом».
Цитаты Нильса Бора
- «Тот факт, что религии на протяжении веков излагали образы, притчи и парадоксы, просто означает, что не существовало других способов постичь действительность, к которой они относятся. Но отсюда вовсе не следует, что она не подлинная действительность. И, разделяя эту действительность на объективную и субъективную, мы далеко не уйдем. Вот почему я считаю великим освобождением мысли те достижения в физике за последние десятилетия, которые показали, насколько проблематичны такие понятия, как «объективный» и «субъективный».
- «По-прежнему не имеет значения, является ли наблюдатель человеком, животным или устройством, но теперь уже невозможно делать прогнозы без ссылки на наблюдателя или средства наблюдения»
- «Концепция наблюдения настолько произвольна, насколько зависит от того, какие объекты включены в наблюдаемую систему».
Портрет Нильса Бора на датской марке, выпущенной в честь 50-летия со дня появления атомной теории нобелевского лауреата. Фото: Marzolino/Shutterstock/Fotodom
- «Даже когда человек пытается достичь максимально возможной степени независимости, он все равно будет подчиняться существующим духовным структурам — сознательно или бессознательно. Ибо он тоже должен уметь говорить о жизни и смерти и человеческом состоянии другим членам общества, в котором ему довелось жить; он должен воспитывать своих детей в соответствии с нормами этого общества, вписываться в его жизнь».
- «Добиваясь гармонии человеческой жизни, никогда не забывай, что на сцене бытия мы сами являемся как актерами, так и зрителями».
- «Нет никакого сомнения, что перед нами безумная теория. Вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной».
- «На свете есть столь серьезные вещи, что говорить о них можно только шутя».
- «Если тебя не испугала квантовая физика, значит, ты ничего в ней не понял».
Здание Института Нильса Бора (ныне входит в структуру Копенгагенского университета). Фото: Danila Zhuravskiy/Shutterstock/Fotodom
- «Подкова приносит счастье даже тем, кто в это не верит».
- «В конечном итоге математика — это игра ума, в которую мы можем играть или не играть по своему усмотрению».
Личная жизнь и последние годы Нильса Бора
В 1912 году Бор женился на дочери фармацевта Маргарет Нёрлунд. Их брак оказался счастливым и прочным — один раз и на всю жизнь.
Маргарет и Нильс: помолвка. Фото: Институт Нильса Бора в Копенгагене/nbi.ku.dk
У пары родилось шестеро сыновей, но двое умерли в детстве. Старший сын Кристиан погиб в 1934 году во время морской прогулки на глазах у отца — эта трагедия оставила глубокий след в душе Бора.
Один из сыновей, Оге Бор, пошел по стопам отца и также стал физиком-ядерщиком, получил в 1975 году Нобелевскую премию. Это один из немногих случаев в истории, когда отец и сын становились лауреатами самой престижной премии в мире.
Дом Боров в Карлсберге, предоставленный ученому пивоваренной компанией, был местом неформальных встреч физиков. Здесь за чашкой кофе или бокалом пива рождались идеи, перевернувшие науку XX века.
Нильс Бор трижды приезжал в Советский Союз — в 1934, 1945 и 1961 годах. В ходе этих поездок он общался с коллегами, выступал с докладами о квантовой механике и принципе дополнительности. Во время одного из визитов Нильс Бор начертал на доске лекторий МГУ: «Contraria non contradictoria sed complementa sunt» — «Противоположности не исключают, а дополняют друг друга». В 1961 году его избрали почетным профессором Московского университета.
Бронзовый бюст Нильса Бора в парке METUв Анкаре. Фото: Wen Chi OLCEL/Shutterstock/Fotodom
Рассказывают, что на выступлении Нильса Бора в Институте Капицы во время дискуссии гостя спросили о принципах общения с учениками. Переводчик Лифшиц передал его ответ так: «Господин Бор говорит, что при общении со своим учеником он всегда может сказать, что тот — дурак». Академик Тамм немедленно вскочил на трибуну и возбужденно поправил: «Совсем не это сказал господин Бор!.. Господин Бор сказал, что при общении со своим учеником он всегда может сказать, что он, господин Бор, — дурак». После того как зал успокоился, из аудитории раздался язвительный комментарий Капицы: «Вот вам и разница между школой Ландау и школой Бора».
Но настоящей кульминацией визита стало появление Бора на празднике «День Архимеда» физфака МГУ. Театрализованное представление разворачивалось на ступеньках перед входом, почетные гости сидели на стульях, остальная публика заполнила все пространство между факультетами, а самые смелые взобрались на памятники Столетову и Лебедеву. Увидев такое скопление народа, гость из Дании заметил, что никогда прежде не видел столько физиков в одном месте.
Последние годы жизни Нильс Бор посвятил философским вопросам квантовой механики и проблеме ядерного разоружения. Он активно выступал за международное научное сотрудничество и открытый обмен информацией даже в разгар холодной войны.
Нильс Бор скончался 18 ноября 1962 года от сердечного приступа в своем доме в Карлсберге. Похоронен на кладбище Ассистенс в Копенгагене рядом с сыном Кристианом.
Фото: Peter Hermes Furian/Shutterstock/Fotodom
Именем Бора назван химический элемент с атомным номером 107 — борий. С 1964 года его имя также носит лунный кратер, а с 1985-го — астероид 3948. А на родине ученого, в Дании, его портрет украшал банкноту в 500 крон до 2003 года.
Тем временем стало известно, что мировыми рекордсменами в точности квантовых вычислений для решения практических задач стали российские ученые.
Самые важные и оперативные новости — в нашем телеграм-канале «Ямал-Медиа».