«ОТЕЦ» ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Нильс Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Также он внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

Нильс Хенрик Давид Бор (Niels Henrik David Bohr) родился 7 октября 1885 года в Копенгагене и был вторым из трёх детей в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Кристиана Бора (1858—1911) и Эллен Адлер (1860—1930), происходившей из богатой и влиятельной еврейской семьи. Нильс и его брат Харольд росли в благоприятных для развития их способностей условиях. Впоследствии Бор говорил: "Я рос в семье с глубокими духовными интересами, где обычными были научные дискуссии; да и для моего отца вряд ли существовало строгое различие между его собственной научной работой и его живым интересом ко всем проблемам человеческой жизни".

Физические опыты Нильс начал проводить под руководством отца ещё в школьные годы. Начальное образование Нильс получил в Гаммельхольмской грамматической школе, которую окончил в 1903 г. Он был трудолюбивым, любознательным и вдумчивым учеником, обладал большими способностями в области физики и математики. Только сочинения по родному языку были у него слишком короткими.

В школьные годы был заядлым футболистом; позднее увлекался катанием на лыжах и парусным спортом. Нильс и его брат Харальд (впоследствии ставший известным математиком) выступали за любительский клуб «Академиск» (первый — на позиции вратаря, а второй — полузащитника). «Нильс, конечно, играл прекрасно, но частенько запаздывал выйти из ворот»,— шутил Харальд. В дальнейшем Харальд успешно играл в сборной Дании и выиграл в её составе «серебро» на Олимпиаде-1908, где датская команда уступила в финале англичанам.

Если в школе Нильса Бора, в общем, считали учеником обыкновенных способностей, то в Копенгагенском университете его талант очень скоро заставил о себе заговорить: Нильс быстро себя проявил в учёбе и уже на втором году обучения помогал профессору.

Однажды к президенту Королевской академии, Эрнесту Резерфорду, обратился за помощью коллега из копенгагенского университета. Последний намеревался поставить своему студенту самую низкую оценку, в то время как тот считал, что заслуживает оценки «отлично». Оба участника спора согласились положиться на мнение третьего лица, некого арбитра, которым и стал Резерфорд. Согласно экзаменационному вопросу, студент должен был объяснить, как с помощью барометра можно определить высоту здания. Студент ответил, что для этого нужно привязать барометр к длинной веревке, подняться с ним на крышу здания, опустить его к земле и замерять длину веревки ушедшей вниз. С одной стороны, ответ был абсолютно верным и полным, но с другой – он имел мало общего с физикой. Тогда Резерфорд предложил студенту еще раз попытаться ответить. Он дал ему шесть минут, и предупредил, что ответ должен иллюстрировать понимание физических законов. Через пять минут, услышав от студента, что он выбирает лучшие из нескольких решений, Резерфорд попросил его досрочно ответить. На это раз студент предложил подняться с барометром на крышу, сбросить его вниз, замерять время падения и, воспользовавшись специальной формулой, выяснить высоту. Этот ответ удовлетворил преподавателя, однако он с Резерфордом не могли отказать себе в удовольствии прослушать остальные версии студента.

Следующий способ был основан на измерении высоты тени барометра и высоты тени здания, с последующим решением пропорции. Это вариант понравился Резерфорду, и он с энтузиазмом попросил студента осветить оставшиеся способы. Тогда студент предложил ему самый простой вариант. Нужно было просто прикладывать барометр к стене здания и делать отметки, а затем сосчитать количество отметок и умножить их на длину барометра. Студент считал, что столь очевидный ответ точно нельзя упускать из виду. Дабы не прослыть в глазах ученых шутником, студент предложил и самый изощренный вариант. Привязав к барометру шнурок – рассказывал он, – нужно раскачать его у основания здания и на его крыше, замерев величину гравитации. Из разницы между полученными данными, при желании можно узнать высоту. Кроме того, раскачивая маятник на шнурке с крыши здания, можно определить высоту по периоду прецессии. Наконец, студент предложил найти управляющего здания и взамен на замечательный барометр выведать у него высоту. Резерфорд спросил, неужели студент и впрямь не знает общепринятого решения задачи. Он не стал скрывать, что знает, но признался, что сыт по горло навязыванием учителями своего образа мышления подопечным, в школе и колледже, и отверганием ими нестандартных решений. Этим студентом был Нильс Бор.

В 1907 г., будучи студентом, Бор, был награждён золотой медалью Копенгагенской Академии наук за экспериментальное исследование поверхностного натяжения воды. Это была его единственная экспериментальная работа. Бор работал с такой основательностью, что оформление работ надолго затягивалось, и отцу приходилось отправлять его в деревню к дедушке и бабушке, чтобы он мог изложить в уединении свои результаты.

В 1910 году Нильс Бор получил степень магистра, а в мае 1911 года получил степень доктора философии в Копенгагенском университете за работу по электронной теории металлов, в которой он углубил разработанные Дж.Дж. Томсоном и Г.А. Лоренцем методы исследований.

В 1911 году Бор получил стипендию в размере 2500 крон от фонда Карлсберга для стажировки за границей. В сентябре 1911 года он прибыл в Кембридж, чтобы работать в Кавендишской лаборатории под руководством знаменитого Дж. Дж. Томсона. Однако сотрудничество не сложилось: Томсона не заинтересовал молодой датчанин, с ходу указавший на ошибку в одной из его работ и к тому же плохо изъяснявшийся на английском. В итоге в марте 1912 года Бор переехал в Манчестер к Эрнесту Резерфорду, с которым незадолго до того познакомился.

Здесь он и приступил к изучению структуры атомов, проработав почти четыре года под руководством Резерфорда.

Приехав в Кавендиш, Бор понял, что англичане не понимают его английского языка. Он купил словарь, полное собрание сочинений Чарльза Диккенса и приступил к чтению романов, отыскивая каждое незнакомое слово в словаре. С этим словарем красного цвета Бор не расставался потом всю жизнь.

«Было бы лучше, - сказал однажды Резерфорд Бору, испытывавшему трудности с английским, - если бы Вы не начинали каждое предложение словом «однако».

1 августа 1912 г., через четыре дня после возвращения Бора из своей первой короткой учебной поездки к Резерфорду, в Копенгагене состоялась свадьба Бора и Маргарет Норлунд, дочери аптекаря Альфреда Нерлунда из Слагельса, сестры близкого друга Харальда — Нильса Эрика Норлунда, с которой он познакомился в 1909 г. Во время свадебного путешествия в Англию и Шотландию Бор с супругой посетили Резерфорда в Манчестере. Бор передал ему свою подготовленную к печати статью «Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через вещество» (она была опубликована в начале 1913 г.). Вместе с тем было положено начало тесной дружбе семей Боров и Резерфордов. Общение с Резерфордом оставило неизгладимый отпечаток (как в научном, так и в личностном плане) на дальнейшей судьбе Бора, который спустя много лет писал: «Очень характерным для Резерфорда был благожелательный интерес, который он проявлял ко всем молодым физикам, с которыми ему приходилось долго или коротко иметь дело. <…> для меня Резерфорд стал вторым отцом».

Брак Нильса Бора с Маргарет Нерлунд принёс им обоим настоящее счастье — они так много значили друг для друга. Маргарет Бор стала подлинной и незаменимой опорой мужа не только благодаря силе своего характера, уму и знанию жизни, но, прежде всего, благодаря своей беспредельной преданности. У них было шесть сыновей, один из которых, Оге Бор, также стал известным физиком. Другой сын Бора, Ханс позднее писал: «…Нельзя не отметить, какую роль в нашей семье играла мать. Её мнение было для отца решающим, его жизнь была её жизнью. В любом событии — маленьком или большом — она принимала участие и, разумеется, была ближайшим советником отца, когда нужно было принять какое-либо решение».

Маргарет ничего не смыслила в физике, но была готова слушать мужа часами. Бор же, в свою очередь, не мог думать молча. Каждый вечер, расхаживая по кухне, он вслух размышлял о строении молекул и ядра. Маргарет при этом успевала и готовить, и конспектировать его речи.

Вернувшись в 1913 г. в Копенгаген, он, исходя из резерфордовской модели атома, развил новый взгляд на строение атома водорода. В опубликованной на эту тему работе он творчески объединил идеи Резерфорда, Планка, Эйнштейна, спектроскопию и квантовую теорию. Атом Резерфорда был крайне неустойчивым, должен был распадаться через кратчайшее время, т.к. вращающиеся вокруг ядра электроны, потеряв свою энергию на излучение, должны были бы упасть на ядро. Другое возражение против модели атома Резерфорда высказал Гейзенберг: "Никакая планетная система, которая подчи¬няется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в своё исходное состояние. В то время как, например, атом углерода остаётся атомом углерода и после столкновения с другими атомами или после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение".

Весной 1914 года Бор был приглашён Резерфордом заменить Чарльза Дарвина, внука знаменитого естествоиспытателя, в качестве лектора по математической физике в Манчестерском университете. Он оставался в Манчестере с осени 1914 года до лета 1916 года. В это время он пытался распространить свою теорию на многоэлектронные атомы, однако скоро зашёл в тупик.

Бору удалось устранить недостатки модели Резерфорда, введя учение о квантах света в теорию строения атома. По Бору модель атома напоминает нашу планетную систему, но ведёт себя не как классическое механическое образование, которое может принимать и отдавать любое количество энергии, а в соответствии с законом квантового учения.

Через десять лет Планк говорил, что смелость Бора, порвавшего с укоренившимися воззрениями, не имеет себе равных. Всемирно известная модель атома Бора построена на двух квантовых условиях: электроны в атоме вращаются под влиянием кулоновских сил по известным свободным от излучения "квантовым орбитам", соответствующим определённым энергетическим уровням; электроны совершают внезапные скачкообразные переходы, "квантовые скачки", между своими свободными от излучения орбитами.

В возрасте 37 лет Бор получил Нобелевскую премию за выдающиеся достижения в атомной физике. Это событие превратилось в национальное торжество всей Дании. Одним из первых поздравил Бора Э. Резерфорд.

Была ли эта награда заслуженна и своевременна? Спорный вопрос. Во-первых, наработки Нильса казались неполными, противоречивыми и явно непригодными для практического использования. А во-вторых, являлись результатом исследований десятка физиков, работавших вместе с Бором. Среди них Лев Ландау, Эрнест Резерфорд и другие, включая сына ученого Ore Бора. И тогда, и сейчас остается невыясненным, какие из разделов теории атома принадлежали самому Бору, а какие - его коллегам.

Бор не испытывал излишнего благоговения перед классическими представлениями, поэтому именно он, а не Планк стал творцом атомной механики и главой "квантовых теоретиков". Путь идей квантования шёл от Планка через Эйнштейна к Бору.

Резерфорд воспринял модель атома Бора с одобрением, но многие известные физики (в том числе и Томсон) решительно отклонили её.

Эйнштейн о теории Бора сказал: "высшая музыкальность в области мысли".

С 1916 г. Бор - профессор университета, где для него в 1920 г. была создана кафедра теоретической физики, которую Бор возглавлял до конца жизни.

В 1917 г. Бор стал членом Датского королевского общества. К тому же времени относится его инициатива в создании Института теоретической физики, который оказал впоследствии огромное влияние не только на становление физики, но и на выработку нового стиля научного мышления, которому Л.Д.Ландау дал такое афористическое определение: «Современный физик должен уметь понимать даже то, что он не в состоянии себе представить». В знак признания его заслуг, город предоставляет Бору для института (который теперь носит его имя – Институт Нильса Бора) исторический «Дом Пивовара».

Этому институту суждено было сыграть выдающуюся роль в развитии квантовой физики. Несомненно, определяющее значение имели здесь исключительные личные качества его директора. Он постоянно был окружен сотрудниками и учениками (грани между первыми и вторыми в действительности и не было), которые приезжали к Бору отовсюду. К его большой интернациональной школе принадлежали Феликс Блох, Оге Бор, Виктор Фредерик Вайскопф, X. Казимир, О. Клейн, X. Крамерс, Л. Ландау, К. Меллер, У. Нишика, А.Пайс, Л. Розенфельд, Дж. Уиллер и многие другие.

«Дом Пивовара» стал центром притяжения для всех теоретиков. К Бору не раз приезжал немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг, как раз в ту пору, когда создавался «принцип неопределенности», там вёл мучительные дискуссии с Бором Эрвин Шрёдингер, пытавшийся защищать чисто-волновую точку зрения. Именно в институте Бора формировалось то, что определило качественно новое лицо физики 20 века.

Бор не обладал даром лектора. Он говорил, заикаясь, тихо и невнятно, в самые ответственные моменты вдруг закрывал рот ладонью. Затруднялся он и с распределением учебного материала по часам. Поэтому ему было по душе освобождение от необходимости читать лекции в связи с присуждением ему Нобелевской премии.

А вот на коллоквиумах, проводимых в его институте, где выступлении носили форму диалога, Бор блистал.

Бор блестяще излагал свои мысли, когда был один на один с собеседником, а вот выступления его перед большой аудиторией часто бывали неудачны. Его брат Харольд, известный математик, был блестящим лектором. "Причина простая, - говорил он, - я всегда объясняю то, о чём говорил и раньше, а Нильс всегда объясняет то, о чём будет говорить позже".

Обладая способностью генерировать научные идеи, Бор оказался настолько умелым руководителем коллектива исследователей, что Копенгаген стал "столицей" атомной физики. Многие известные физики - теоретики с гордостью называли себя его учениками. Среди них были В.Гейзенберг, Л. Ландау и др.

У себя в институте теоретической физики Н. Бор сумел создать особый стиль работы, основанный на уважении, дружбе, полной свободе слова и мысли, доброжелательности, остроумии и оптимизме. Его всегда окружали молодые учёные, он не работал в одиночестве, считал, что развитие науки требует широкого сотрудничества. Бор умел подбирать людей, сплачивать их в работоспособный коллектив, руководить им и трудиться со всеми рука об руку. В этом он походил на своего учителя Резерфорда.

Бор обладал глубоким умом, величайшей скромностью, честностью, справедливостью, способностью предвидеть, исключительным упорством в поисках истины и её отстаивании.

Нильс Бор обладал в области физики гениальной интуицией, но в области владения математическим аппаратом он уступал своим коллегам. Поэтому математическое оформление квантовой механики, созданной на основе его работ, было сделано Борном, Гейзенбергом, Иорданом, Паули, Дираком, Шрёдингером. Его ученики шутили, что Бор знает будто бы только два математических знака: "меньше, чем ... " и " приблизительно равно".

Известный экспериментатор Джеймс Франк так описывал поиски Бором ответов на трудные вопросы: "Порою, он усаживался неподвижно с выражением совершеннейшего безнадёжного идиотизма на пустом лице. Глаза его становились бессмысленными, фигура обмякшей, безвольно повисали руки, и он делался до такой степени неузнаваемым, что вы не рискнули бы даже сказать, будто где - то уже встречали этого человека прежде. Впору было решить, что перед вами клинический недоумок, да ещё без малейших признаков жизни. Но вдруг он весь озарялся изнутри. Вы видели, как вспыхивает в нём искра, и потом он произносил: 'Так, теперь я это понимаю..."

В 20-е г.г. Бор сделал решающий вклад в то, что позднее было названо копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Основываясь на принципе неопределенности Вернера Гейзенберга, копенгагенская интерпретация исходит из того, что жёсткие законы причины и следствия, привычные нам в повседневном, макроскопическом мире, неприменимы к внутриатомным явлениям, которые можно истолковать лишь в вероятностных терминах. Например, нельзя даже в принципе предсказать заранее траекторию электрона; вместо этого можно указать вероятность каждой из возможных траекторий.

Вкладом Бора в развитие атомной физики является установление двух принципов: соответствия и дополнительности. Принцип соответствия (1916г.) означает, что квантовая теория может быть определённым образом согласована с классической теорией, т.е. "соответствовать" ей. Принцип соответствия сыграл огромную роль и при построении последовательной квантовой механики. Именно из него исходил в 1925 году Вернер Гейзенберг при построении своей матричной механики. В общефилософском смысле этот принцип, связывающий новые знания с достижениями прошлого, является одним из основных методологических принципов современной науки.

Однако было очевидно, что теория Бора в своей основе содержала внутреннее противоречие, поскольку она механически объединяла классические понятия и законы с квантовыми условиями. Кроме того, она была неполной, недостаточно универсальной, так как не могла быть использована для количественного объяснения всего многообразия явлений атомного мира. Бор отчётливо понимал ограниченность существующих подходов (так называемой «старой квантовой теории») и необходимость построения теории, основанной на совершенно новых принципах.

Новой теорией стала квантовая механика, которая была создана в 1925—1927 годах в работах Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера, Макса Борна, Поля Дирака. Вместе с тем, основные идеи квантовой механики, несмотря на её формальные успехи, в первые годы оставались во многом неясными. Для полного понимания физических основ квантовой механики было необходимо связать её с опытом, выявить смысл используемых в ней понятий (ибо использование классической терминологии уже не было правомерным).

Именно над этими вопросами физической интерпретации квантовой механики размышлял в это время Бор. Итогом стала концепция дополнительности, которая была представлена на конгрессе памяти Алессандро Вольты в Комо в сентябре 1927 года.

После этого стало возможным непротиворечивое толкование явлений квантовой механики. Основное содержание этого принципа Бор сформулировал так: "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу; они являются дополняющими картинами происходящего". Принцип дополнительности утверждает, что волновой и корпускулярный характер вещества и излучения представляют собой взаимоисключающие свойства, хотя оба эти представления являются необходимыми компонентами понимания природы. Волновое или корпускулярное поведение может проявиться в эксперименте определенного типа, однако смешанное поведение не наблюдается никогда. Приняв сосуществование двух очевидно противоречащих друг другу интерпретаций, мы вынуждены обходиться без визуальных моделей – такова мысль, выраженная Бором в его Нобелевской лекции. Имея дело с миром атома, сказал он, «мы должны быть скромными в наших запросах и довольствоваться концепциями, которые являются формальными в том смысле, что в них отсутствует столь привычная нам визуальная картина».

Объясняя на примерах свой принцип дополнительности, Бор любил вспоминать шутку Б. Шоу. «Хороший специалист - это тот, кто знает много о немногом. Хороший журналист - тот, кто знает понемногу о многом. В пределе: самый хороший специалист знает всё ни о чём; наилучший журналист знает ничего обо всём».

Роль принципа дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности.

Немалое значение для уяснения проблемы имели дискуссии Бора с Альбертом Эйнштейном, так и не примирившимся с вероятностным истолкованием квантовой механики.

Не все даже ведущие физики правильно поняли копенгагенское толкование теории атома. А. Эйнштейн, М. фон Лауэ, Э. Шрёдингер не согласились с основными положениями Бора. Дискуссии не прекращались до самой смерти Эйнштейна, порой принимая ожесточённый характер. Впрочем, участники никогда не переставали относиться друг к другу с огромным уважением, что нашло отражение в словах Эйнштейна, написанных в 1949 г.: «Я вижу, что я был … довольно резок, но ведь … ссорятся по-настоящему только братья или близкие друзья.»

В истории физики три модели атома - Томсона, Резерфорда, Бора - следуют друг за другом. В жизни это три имени тоже были связаны между собой: Э.Резерфорд был учеником Дж. Дж. Томсона, а Н. Бор - ученик Э.Резерфорда.

Большую роль в истории науки сыграли семь лекций, прочитанных Бором в июне 1922 года в Гёттингенском университете (так называемый «Боровский фестиваль»). Именно тогда он познакомился с молодыми физиками Вольфгангом Паули и Вернером Гейзенбергом, учениками Зоммерфельда. Свои впечатления от первой беседы с Бором во время прогулки Гейзенберг выразил следующим образом: «Эта прогулка оказала сильнейшее влияние на моё последующее научное развитие, или, пожалуй, можно сказать лучше, что моё собственно научное развитие только и началось с этой прогулки.»

В дальнейшем связь группы Бора с гёттингенской группой, руководимой Максом Борном, не прерывалась и дала множество выдающихся научных результатов. В 1925 г. австрийский физик В.Паули открыл принцип, согласно которому в одном атоме не может быть двух и более электронов, находящихся в одинаковом состоянии (принцип Паули). Им закончилась первая фаза развития квантового учения.

Бор был центральной фигурой общественной жизни датской столицы, "национальной святыней". Академия наук в знак признания заслуг подарила ему виллу с колонным залом, расположенную в центре великолепного парка. Этот дом стал центром научной жизни.

В институте Бора не смолкали споры. Сам Бор критиковал строго, но критика его всегда была необидной, шла на пользу. Разгромив какую - нибудь не очень удачную идею, Бор извиняющимся тоном говорил:

• Не с целью критики, а только чтоб познать.

В отличии от Эйнштейна, который, по его собственным словам, всегда "ходил в одиночной упряжке", не испытывая нужды в человеческом обществе, Бор был главой дружной семьи.

Бор глубоко понимал литературу, живопись, скульптуру. Музыкальных же наклонностей он не имел.

Рассказывают, что с Бором было совершенно невозможно играть в шахматы. Всякий раз, когда противник делал неудачный ход, Бор ставил фигуры в исходное положение и давал ему переиграть.

Эта история, по-видимому, вымышлена, но она совсем в духе Бора; он любил остроумные рассказы и считал, что хорошая история не обязательно должна быть правдивой. В этой связи Бор имел обыкновение цитировать одного немецкого коллегу, который якобы говорил: «Но, мой дорогой друг, уж если рассказывать действительно интересную историю, не нужно слишком строго придерживаться фактов!»

Из классиков мировой литературы Бору ближе всего были Шекспир, Диккенс, Гёте и Шиллер. При этом он строго разграничивал науку и искусство. Он любил совершать лыжные прогулки со своими учениками и сотрудниками. Бора отличала доброта и желание всегда прийти на помощь.

Бор иногда мог вспылить, однако имел гораздо более спокойный характер, чем Резерфорд. Он был всегда исключительно внимателен к студентам, верил в плодотворность тесного сотрудничества между теоретиками и экспериментатором.

В 1924 году Бор купил усадьбу в Луннене. Здесь, на прекрасном лугу, ему очень нравилось отдыхать. Вместе с женой и детьми он совершал велосипедные прогулки в лес, купался в море, играл в футбол.

В 1932 г. Бор с семьёй переехал в так называемый «Дом чести», резиденцию самого уважаемого гражданина Дании, выстроенную основателем пивоваренной компании «Карлсберг». Здесь его посещали знаменитости не только научного (например, Резерфорд), но и политического мира (королевская чета Дании, английская королева Елизавета, президенты и премьер-министры различных стран).