Niels Bohr ur.1885- zm.1962
Mechanika kwantowa stanowi fundament dwudziestowiecznej fizyki. Pozwoliła ona zrozumieć zjawiska zachodzące w mikroświecie oraz umożliwiła wiele osiągnięć technicznych, takich jak budowa tranzystora, mikroprocesora i opanowanie energii jądrowej. Dzięki mechanice kwantowej lepiej rozumiemy budowę wiązań chemicznych oraz wiele zjawisk biologicznych, a tym samym dysponujemy nowymi możliwościami manipulowania przyrodą. Obecnie idee kwantowe mają znaczenie nawet w kosmologii. Mechanika kwantowa nie tylko spowodowała ogromne przemiany w naszym codziennym życiu, ale zmusiła również do dokonania wielu zmian w poglądach filozoficznych. Duńczyk Niels Bohr był najwybitniejszym fizykiem spośród tych, którzy wzięli udział w stworzeniu teorii kwantów.
Niels Bohr odegrał decydującą rolę w transformacji, jakiej uległa fizyka w XX w. Około 1913 r. opracował model atomu, który zyskał duże uznanie, a w połowie lat dwudziestych uczestniczył w narodzinach nowej teorii kwantów – matematycznej interpretacji wewnątrzatomowej rzeczywistości – która do dziś pozostała w fizyce teorią dominującą. Fizyka kwantowa, a zwłaszcza tak zwana interpretacja kopenhaska nowej teorii, odniosła ogromny sukces, wpływ zaś Bohra miał dla jej akceptacji znaczenie decydujące. Wszystkie wielkie osiągnięcia chemii i elektroniki oraz rozwój energetyki jądrowej wywodzą się z teorii kwantów. Jej następstwem jest również obecne zbliżenie fizyki, kosmologii i biologii. Ogromne znaczenie teorii kwantów wynika także z jej filozoficznych implikacji. Niels Bohr położył kres usilnym dążeniom do odkrycia „ostatecznej” rzeczywistości. Według Bohra „Błędem jest pogląd, że zadaniem fizyki jest wykrycie, jaka jest przyroda. Fizyka dotyczy tego, co możemy powiedzieć o przyrodzie”.
Niels Bohr urodził się w Kopenhadze 7 października 1885 r. Był synem Christiana Bohra, profesora fizjologii, i Elleny z Adlerów. Bohrowie byli sobie bardzo bliscy. Tworzyli rodzinę kulturalną, o wysokim poziomie intelektualnym, tak więc Niels wychowywał się w środowisku sprzyjającym rozwojowi jego geniuszu. Matka była serdeczna i inteligentna. Ojciec uważał, jak sam Bohr później wspominał: „że należy się po mnie czegoś spodziewać”. Bohrowie nie byli zbyt pobożni i Niels został ateistą. Uważał, że przekonania religijne są błędne i przynoszą szkodę. Od 1891 r. uczęszczał do Gammelholms Latin og Realskole, gdzie został w pamięci jako dobry uczeń, chłopiec wysoki jak na swój wiek, skłonny do bójek, ale także nieco nieśmiały. Jak sam wspomina, pasjonował się nauką „dzięki wpływowi ojca”. W 1903 r. wstąpił na uniwersytet w Kopenhadze, gdzie zajmował się głównie fizyką. Uzyskał stopień magistra w 1909 r., a doktora w 1911 r. W tym samym roku zmarł jego ojciec, a Niels poślubił Margeth Norlund.
Rewolucja w poglądach na budowę atomu w 1911 r. była już faktem. Temat pracy doktorskiej Bohra dotyczył teorii elektronów, odkrytych mniej więcej dziesięć lat wcześniej przez J. J. Thomsona. Wiadomo było, że elektrony stanowią powszechnie występujący składnik materii. Thomson sugerował również, że liczba elektronów w atomie odpowiada jego masie i stanowi o różnorodności atomów trwałych pierwiastków. Ernest Rutherford wykazał, że atom ma niewielkie, ciężkie jądro, co miało oczywiście fundamentalne znaczenie. Odkrycie to sprawiło, że fizycy odstąpili od teorii, według której atom był czymś w rodzaju budyniu z rodzynkami – składającego się z jądra usianego elektronami niczym rodzynkami w cieście – na rzecz modelu Rutherforda, w którym elektrony krążą wokół niewielkiego jądra.
W 1913 r. Bohr, współpracując w Anglii z Rutherfordem, opublikował trzy prace na temat budowy atomu, które zdecydowanie wpłynęły na dalszy rozwój fizyki. Model Rutherforda rozwiązał wprawdzie pewne istotne problemy, jednak wciąż brak było odpowiedzi na podstawowe pytanie: dlaczego elektrony – z całą pewnością przyciągane przez jądro – nie zostają w końcu przez nie wchłonięte. Mówiąc krótko, model Rutherforda nie wyjaśniał stabilności atomu, jednej z jego podstawowych cech.
Bohr rozumiał, że klasyczna mechanika newtonowska nie może wyjaśnić zachowania materii w skali atomu, wobec czego zainteresował się kwantową teorią „promieniowania ciała doskonale czarnego”, sformułowaną na przełomie wieku przez Maxa Plancka, którą zastosował Einstein do wyjaśnienia zachowania „cząstek” światła. W 1912 r., po stosunkowo krótkim okresie wytężonej pracy, Bohr wyjaśnił, dlaczego atom wodoru wysyła promienie świetlne, i opracował teorię wyjątkowo dobrze odpowiadającą faktom doświadczalnym. Bohr założył, że elektron wypromieniowuje światło tylko wówczas, gdy zmienia swoją orbitę, to znaczy emisja kwantu światła towarzyszy „przeskokowi” elektronu z jednej orbity na drugą. Einstein, dowiedziawszy się o wynikach pracy Bohra, powiedział z przekonaniem, z charakterystyczną dlań lakonicznością: „To jest olbrzymie osiągnięcie”.
Zbudowanie modelu atomu, zwanego modelem Rutherforda-Bohra, stanowiło wielki krok naprzód i wkrótce zaczęto go stosować do wyjaśniania budowy atomu wszystkich innych pierwiastków. Jednym z osiągnięć Bohra w 1913 r. była identyfikacja widma promieniowania rentgenowskiego z odpowiednimi kwantowymi przeskokami elektronów. Spektroskopia umożliwiła dziewiętnastowiecznym uczonymi odkrycie i zbadanie wielu pierwiastków. Promienie rentgenowskie, mające znacznie krótszą długość fali niż światło widzialne, dostarczają ważnych informacji na temat zjawisk zachodzących w skali atomowej. Patrz Gustav Kirchhoff i Max von Laue.
W ciągu następnego roku fizyk brytyjski Harry Moseley opracował, pod kierunkiem Bohra, na podstawie badań widma promieniowania rentgenowskiego poszczególnych pierwiastków nowe, ostateczne uszeregowanie pierwiastków w układzie okresowym i przypisał każdemu pierwiastkowi właściwą liczbę atomową. W ciągu następnych kilku lat Bohr dokonał wielu bardziej szczegółowych odkryć. Jak pisał Abraham Pais: „Oceniając teraz… wszystko to było tym bardziej bajeczne i zadziwiające, że wywodziło się z analogii – orbity atomowe podobne do orbit planet krążących wokół Słońca, kręt (spin) podobny do obrotu planet wokół własnej osi – choć w rzeczywistości analogie te są fałszywe”. W 1922 r. Bohr został uhonorowany Nagrodą Nobla.
Okazało się, że w istocie model atomu Bohra miał kilka poważnych braków. Tak zwana pierwsza rewolucja kwantowa nie rozwiązała wszystkich problemów związanych z zachowaniem się bardziej złożonych atomów. Mimo że w łatach 1913-1925 w różny sposób korygowano tę teorię, narastały jednocześnie poważne wątpliwości, które w końcu doprowadziły do „drugiej rewolucji kwantowej”. W latach dwudziestych XX w. Bohr odegrał decydującą rolę w zażegnywaniu kryzysu w fizyce, wywołanego wadami modelu atomowego, który sam stworzył. Wróciwszy w 1916 r. na uniwersytet w Kopenhadze, Bohr został profesorem fizyki teoretycznej i pięć lat później uczestniczył w otwarciu Instytutu Fizyki Teoretycznej. Dzięki osobie Bohra Kopenhaga stała się ośrodkiem przyciągającym fizyków. Tak zwana druga rewolucja kwantowa przyczyniła się do powstania nowego, czysto matematycznego modelu atomu, co w istocie potwierdziło ograniczoną zdolność człowieka do postrzegania zjawisk wewnątrzatomowych. Na drugą rewolucję złożyły się mechanika falowa Schrodingera oraz mechanika macierzowa Heisenberga i jego słynna zasada nieoznaczoności, która określa granice poznania układów fizycznych.
W końcu lat dwudziestych Bohr opracował dwie zasady, które miały pomóc w doprowadzeniu rewolucji kwantowej do szczęśliwego zakończenia. W słynnym wykładzie w 1927 r. pt. „Filozoficzne podstawy teorii kwantów” Bohr omówił po raz pierwszy koncepcję komplementarności. Jej istotą jest, że jakkolwiek układy atomowe można określać we wzajemnie sprzeczny sposób – jako fale i jako cząstki – obie te cechy są niezbędne dla wyczerpującego opisania zjawisk. Bohr zaintrygowany filozoficznymi implikacjami tej koncepcji, ostatecznie doszedł do wniosku, że zasada komplementarności odnosi się do problemu wolnej woli i podstawowych procesów życia. Być może ważniejszym następstwem tej zasady było to, że teorię kwantów wykorzystano do wyczerpującego opisu przyrody, którego nie zmieniły późniejsze odkrycia. Nie ma żadnej „głębszej” rzeczywistości kryjącej się za pomiarami kwantowymi i choć tę koncepcję często później atakowano z najrozmaitszych stron, pozostała ona fundamentem „kopenhaskiego ducha” – mimo różnych myślowych eksperymentów, rozważań na temat „umysłu Boga” i teorii wielu wszechświatów. Doktryny komplementarności nigdy nie uznali w pełni ani Albert Einstein, ani Max Planck, ani wielu innych fizyków, ale mimo to pozostała do dziś podstawą fizyki.
W latach trzydziestych Bohr zajął się fizyką jądrową. W 1934 r. zaproponował kroplowy model jądra atomowego, który okazał się’bardzo pomocny w zrozumieniu zjawiska rozszczepienia jądra. W 1936 r. sformułował teorię jądra atomowego, która w następnym dziesięcioleciu służyła za podstawę dalszych badań jądrowych. Według teorii Bohra ciasno upakowane w jądrze atomowym neutrony i protony są związane przez silne oddziaływanie, które równoważy wzajemne odpychanie się protonów, mających taki sam ładunek elektryczny. Wprawdzie było oczywiste, że naruszeniu równowagi jądra towarzyszyłoby wyzwolenie energii, ale daleko było fizykom do zrozumienia wszystkich konsekwencji tego procesu.
Po wybuchu II wojny światowej Bohr początkowo pozostał w Danii, którą Niemcy zajęli w 1940 r. Z uwagi na swoją pozycję zdołał ocalić wielu swoich kolegów przed prześladowaniami, odmówił jednak współpracy z Niemcami. W 1943 r. rozeszły się pogłoski o planowanym rychłym uwięzieniu Bohra. Uczony wraz z rodziną uciekł wówczas do Szwecji, a następnie do Anglii, potem znalazł się w Stanach Zjednoczonych. Wkrótce przyłączył się do zespołu pracującego nad Projektem Manhattan. Ze względu na bezpieczeństwo nadano mu pseudonim Wujek Nick (Uncle Nick). Udział Bohra w projekcie miał znaczenie bardziej symboliczne niż realne. Bohr był przeciwny zrzuceniu bomby atomowej. W czasie wojny spotkał się z Rooseveltem i Churchillem, którzy odrzucili jego propozycję, by celem zapobieżenia wyścigowi zbrojeń jądrowych przekazać Związkowi Radzieckiemu informacje na temat badań jądrowych.
Po powrocie do Danii Bohr aktywnie pracował do końca życia. Odszedł z uniwersytetu na emeryturę w 1955 r. Jako uczony angażował się w walkę przeciw zbrojeniom atomowym; napisał między innymi w 1950 r. słynny „list otwarty” do Organizacji Narodów Zjednoczonych. Otrzymał wiele nagród, w tym również nagrodę „Atom dla pokoju” w 1957 r. Aktywnie wspierał międzynarodową współpracę w dziedzinie badań fizycznych i przyczynił się do powstania Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych (CERN) w Genewie. 17 listopada 1962 r. udzielił ostatniego wywiadu na temat historii teorii kwantów. Następnego dnia, podczas swojej zwykłej poobiedniej drzemki, zmarł na atak serca. Został pochowany w grobie rodzinnym w Kopenhadze.
Bohr cieszył się powszechnym uznaniem, niektóre wypowiedzi pozwalają zrozumieć, jak duże było jego znaczenie. Victor Weisskopf tak opisał atmosferę panującą w stworzonej przez Bohra „szkole kopenhaskiej”: „Widzieliśmy go, największego z naszych kolegów, jak pracował, rozmawiał, żył. Był taki jak większość młodych ludzi – optymistyczny, wesoły, entuzjastyczny, atakujący najgłębsze zagadki natury bez skrępowania konwencjonalnymi więzami, z uczuciem radości, które trudno opisać”. Niezależnie od stylu, będącego wyrazem uwielbienia, uwagi Weisskopfa są trafne. Zgodził się z nimi Abraham Pais, który pisał: „Bohr odegrał główną rolę w wyjaśnianiu zmian filozoficznych założeń fizyki, niezbędnych do zrozumienia zjawisk kwantowych”. Richard Rhodes wyłożył to prościej: „Wkład Bohra do fizyki XX w. ustępuje jedynie osiągnięciom Einsteina”.