Нільс Бор зображений на купюрі в 500 крон, Данія. Бор був один з головних архітекторів квантової теорії. Він створив першу квантову модель атома і грав головну роль у розвитку сучасної інтерпретації квантової теорії.

Нільс Ге́нрик Дави́д Бор (7 жовтня 1885 — 18 листопада 1962) — данський фізик-теоретик і громадський діяч, один із творців сучасної фізики. Лауреат Нобелівської премії з фізики (1922). Член Данського королівського товариства (1917) та його президент від 1939. Був членом більш ніж 20 академій наук світу.

Відомий як творець першої квантової теорії атома й активний учасник розробки основ квантової механіки. Зробив значний внесок у розвиток теорії атомного ядра та ядерних реакцій, процесів взаємодії елементарних частинок із середовищем.

Теорія Бора 

1911 року Бор отримав стипендію від фонду Карлсберга для стажування за кордоном (у розмірі 2500 крон) . У вересні 1911 він прибув до Кембриджа, щоб працювати в Кавендішській лабораторії під керівництвом славнозвісного Дж. Дж. Томсона. Однак співпраця не склалася: Томсона не зацікавив молодий вчений, який відразу ж вказав на помилку в одній із його робіт і до того ж погано розмовляв англійською.

У підсумку, в березні 1912, Бор переїхав до Манчестера, до Ернеста Резерфорда, з яким незадовго до того познайомився.

1911 року Резерфорд за підсумками своїх досліджень опублікував планетарну модель атома. Бор активно підключився до роботи з цієї тематики, чому сприяли численні обговорення з відомим хіміком Георгом Гевеші, який працював тоді в Манчестері, а також із самим Резерфордом. Початковою ідеєю було те, що властивості елементів визначаються цілим числом — атомним номером (заряд ядра), що може змінюватися внаслідок радіоактивного розпаду. Першим застосуванням резерфордівської моделі атому для Бора став розгляд процесів взаємодії альфа- та бета-випромінювання з речовиною в останні місяці свого перебування в Англії. Влітку 1912 року Бор повернувся до Данії.

1912 року, під час весільної подорожі до Англії та Шотландії, Бор з дружиною відвідали Резерфорда у Манчестері. Бор передав йому свою підготовлену до друку статтю «Теорія гальмування заряджених частинок при їх проходженні через речовину» (вона була опублікована на початку 1913). Так було покладено початок тісній дружбі родин Борів і Резерфордів. Спілкування з Резерфордом суттєво вплинуло як у науковому, так і в особистісному плані на подальшу долю Бора.

Після повернення до Копенгагена Бор викладав в університеті, водночас інтенсивно працюючи над квантовою теорією будови атома. Перші результати були викладені ним у чернетці, надісланій Резерфорду ще в липні 1912, що отримала назву «Резерфордівський меморандум». Проте вирішальних успіхів було досягнуто наприкінці 1912 — початку 1913. Ключовим моментом стало ознайомлення в лютому 1913 з закономірностями розташування спектральних ліній і загальним комбінаційним принципом для частот випромінювання атомів. Згодом сам Бор казав:

Як тільки я побачив формулу Бальмера, питання стало мені негайно зрозумілим.

У березні 1913 року Бор надіслав попередній варіант статті Резерфорду, а в квітні поїхав на кілька днів до Манчестера для обговорення своєї теорії і 5 квітня 1913 року надіслав роботу до редакції. Підсумком проведеної роботи стали три частини революційної статті «Про будову атомів і молекул», опублікованої у журналі «Philosophical Magazine» в липні, жовтні та грудні 1913 року, які містять квантову теорію воднеподібного атома.

У теорії Бора виділяють два основні компоненти: загальні твердження (постулати) про поведінку атомних систем, що зберігають своє значення та всебічно перевірені, і конкретна модель будови атома, що становить у наші дні лише історичний інтерес. Постулати Бора містять припущення про існування стаціонарних станів і про випромінювальні переходи між ними відповідно до уявлень Планка про квантовані енергії речовини. Модельна теорія атома Бора виходить з припущення про можливість опису руху електронів в атомі, що перебуває у стаціонарному стані, на основі класичної фізики з додатковими квантовими умовами (наприклад, квантування кутового моменту електрона).

Теорія Бора відразу ж дозволила обґрунтувати випромінення і поглинання випромінювання в серіях спектру водню, а також пояснити (з поправкою на наведену масуелектрона) воднеподібні спектри з напівцілими квантовими числами, що спостерігалися раніше Чарлзом Пікерінгом та Альфредом Фаулером, як ті, що належать іонізованому гелію. Блискучим успіхом теорії Бора стало теоретичне обрахування значення сталої Ридберґа.

Робота Бора відразу привернула увагу фізиків і простимулювала бурхливий розвиток квантових уявлень. Його сучасники належно оцінили важливий крок, який зробив данський вчений. Навесні 1914 року Резерфорд запросив Бора замінити Чарльза Дарвіна, онука знаменитого натураліста, на посаді лектора з математичної фізики в Манчестерському університеті (Шустерівська школа математичної фізики). Бор пропрацював у Манчестері з осені 1914 до літа 1916. У цей час фізик намагався поширити свою теорію на багатоелектронні атоми, однак скоро зайшов в глухий кут. Вже у вересні 1914 він писав:

1914 року Бор зумів частково пояснити розщеплення спектральних ліній в ефектах Штарка та Зеемана, однак йому не вдалося отримати розщеплення більш ніж на дві частини. У цьому виявилася обмеженість колових орбіт, що розглядаються в його теорії. Подолати її стало можливо лише після того, як на початку 1916 року Арнольд Зоммерфельд сформулював узагальнені квантові умови, ввів три квантових числа для орбіти електрона і пояснив тонку структуру спектральних ліній, врахувавши релятивістські поправки. Бор відразу ж зайнявся докорінним переглядом своїх результатів в світлі цього нового підходу.

Подальший розвиток теорії. Принцип відповідності

Влітку 1916 року Бор остаточно повернувся на батьківщину і очолив кафедру теоретичної фізики в Копенгагенському університеті. У квітні 1917 року він звернувся до данської влади з проханням про виділення коштів на будівництво нового інституту для себе і своїх співробітників. 3 березня 1921 року, після подолання безлічі організаційних та адміністративних труднощів, у Копенгагені було нарешті відкрито Інститут теоретичної фізики, що зараз носить ім'я свого першого керівника — Інститут Нільса Бора.

Незважаючи на велику зайнятість адміністративними справами, Бор продовжував розвивати свою теорію, намагаючись узагальнити її на випадок більш складних атомів, наприклад, гелію. 1918 року в статті «Про квантову теорію лінійчастих спектрів» Бор сформулював кількісно так званий принцип відповідності, що пов'язує квантову теорію з класичною фізикою. Вперше ідея відповідності виникла ще 1913 року, коли Бор висловив думку про те, що переходи між стаціонарними орбітами з великими квантовими числами повинні давати випромінювання з частотою, що збігається з частотою обертання електрона^[28]. Починаючи від 1918, принцип відповідності став у руках Бора потужним засобом для отримання нових результатів: він дозволив, відповідно до уявлень щодо коефіцієнтів Ейнштейна, визначити ймовірності переходів і, отже, інтенсивності спектральних ліній; отримати правила відбору, зокрема для гармонічного осцилятора; дати інтерпретацію числа і поляризації компонент штарківського і зееманівського розщеплень

Принцип відповідності відіграв величезну роль і при побудові послідовної квантової механіки. Саме з нього виходив 1925 року Вернер Гейзенберг при побудові своєї матричної механіки. У загальнофілософському сенсі цей принцип, що пов'язує нові знання з досягненнями минулого, є одним з основних методологічних принципів сучасної науки.

У низці робіт 1921–1923 років Бору вперше вдалося на ґрунті своєї моделі атома, спектроскопічних даних і загальних міркувань про властивості елементів, дати пояснення періодичної системи Менделєєва за допомогою схеми заповнення електронних орбіт (оболонок, згідно з сучасною термінологією). Правильність інтерпретації періодичної таблиці була підтверджена відкриттям 1922 року нового елемента гафнію Дірком Костером та Георгом Гевеші, що працювали у той час у Копенгагені. Як і передбачав Бор, цей елемент виявився близьким за своїми властивостями до цирконію, а не до рідкісноземельних елементів, як вважалося раніше.

1922 року Нільсу Бору була присуджена Нобелівська премія з фізики «за заслуги в дослідженні будови атомів і випромінювання, що випускається ними»^[35]. У своїй нобелівській лекції «Про будову атомів», що була прочитана у Стокгольмі 11 грудня 1922 року, Бор підбив підсумки десятирічної роботи.

Проте було очевидно, що теорія Бора в своїй основі містила внутрішню суперечність, оскільки вона механічно об'єднувала класичні поняття і закони з квантовими умовами. Крім того, вона була неповною, недостатньо універсальною, тому що не могла бути використана для кількісного пояснення всього розмаїття явищ атомного світу. Наприклад, Бору разом з його асистентом Гендриком Крамерсом так і не вдалося розв'язати задачу про рух електронів в атомі гелію (найпростішій двохелектронній системі), якою вони займалися від 1916 року. Бор чітко розумів обмеженість наявних підходів (так званої «старої квантової теорії») і необхідність побудови теорії, заснованої на зовсім нових принципах.

Становлення квантової механіки. 

Новою теорією стала квантова механіка, яка була створена у 1925–1927 роках працями Вернера Гейзенберга, Ервіна Шредінгера, Макса Борна, Поля Дірака. Разом з тим, основні ідеї квантової механіки, незважаючи на її формальні успіхи, в перші роки залишалися багато в чому неясними. Для повного розуміння фізичних основ квантової механіки було необхідно пов'язати її з дослідами, виявити сенс використовуваних у ній понять, тобто дати інтерпретацію її формалізму, бо використання класичної термінології вже не було правомірним.

Саме над цими питаннями фізичної інтерпретації квантової механіки розмірковував у той час Бор. Підсумком стала концепція доповнюваності, яку було представлено на конгресі пам'яті Алессандро Вольти в Комо у вересні 1927 року. Вихідним пунктом еволюції поглядів Бора стало прийняття ним 1925 року дуалізму «хвиля — частинка»: до цього часу Бор відмовлявся визнавати реальність ейнштейнівських квантів світла — фотонів, яку було важко узгодити з принципом відповідності. У спільній із Крамерсом та Джоном Слетером статті було зроблено несподіване припущення про незбереження енергії та імпульсу в індивідуальних мікроскопічних процесах, тобто вчені стверджували, що закони збереження мають статистичний характер. Проте ці погляди незабаром були спростовані дослідами Вальтера Боте та Ганса Гейгера^. Саме корпускулярно-хвильовий дуалізм був покладений Бором в основу інтерпретації теорії. Ідея доповнюваності, розвинена на початку 1927 року під час відпустки в Норвегії, відтворює логічне співвідношення між двома способами опису або наборами уявлень, які, хоча і виключають один одного, обидва необхідні для вичерпного опису. Сутність принципу невизначеності полягає в тому, що не може виникнути такої фізичної ситуації, в якій обидва доповнювані аспекти явища з'явилися б одночасно і однаково чітко^[43]. Іншими словами, в мікросвіті немає станів, в яких об'єкт мав би одночасно точні динамічні характеристики, що належать двом певним класам, які взаємно виключають один одного. Це твердження формулюється у вигляді принципу невизначеності. Слід зазначити, що на формування ідей Бора, як він сам визнавав, вплинули філософсько-психологічні дослідження Серена К'єркегора, Гаральда Геффдінга та Вільяма Джемса^. Принцип доповнюваності ліг в основу так званої копенгагенської інтерпретації квантової механіки та аналізу процесу вимірювання^[46] характеристик мікрооб'єктів. Відповідно до цієї інтерпретації, запозичені з класичної фізики динамічні характеристики мікрочастинки (її координата, імпульс, енергія тощо) зовсім не властиві частинці самій по собі. Сенс і певне значення тієї чи іншої характеристики електрона, наприклад, його імпульсу, розкриваються у взаємозв'язку з класичними об'єктами, для яких ці величини мають певний сенс і всі одночасно можуть мати певне значення (такий класичний об'єкт умовно називається вимірювальним приладом). Роль принципу доповнюваності виявилася настільки суттєвою, що Паулі навіть пропонував назвати квантову механіку «теорією доповнюваності» за аналогією з теорією відносності^. Принцип доповнювальності Бора в квантовій механіці визначає, що саме вимірювання імпульсно-енергетичних та просторово-часових характеристик є взаємодоповнювальними в описі квантового об'єкта.

Через місяць після конгресу в Комо, на п'ятому Сольвеївському конгресі в Брюсселі, почалися знамениті дискусії Бора і Ейнштейна про інтерпретацію квантової механіки. Суперечка продовжилася 1930 року на шостому конгресі, а потім відновилася з новою силою 1935, після появи відомої роботи Ейнштейна, Подольськогота Розена про повноту квантової механіки. Дискусії не припинялися до самої смерті Ейнштейна,часом набуваючи запеклого характеру.

Хоча Бор так і не зумів переконати Ейнштейна в своїй правоті, ці обговорення та розв'язання численних парадоксів дозволили йому надзвичайно поліпшити ясність своїх думок і формулювань, поглибити розуміння квантової механіки.

Ядерна фізика

1932 року Бор з родиною переїхав до так званого «Будинку честі», резиденції найшанованішого громадянина Данії, побудуваної засновником пивоварної компанії «Карлсберг». Тут його відвідували знаменитості не лише наукового, як, наприклад, Резерфорд, а й політичного світу: королівське подружжя Данії, президенти і прем'єр-міністри різних країн.

1934 року Бор пережив важку особисту трагедію. Під час плавання на яхті у протоці Каттегат штормовою хвилею було змито за борт його старшого сина — 19-річного Християна; знайти його так і не вдалося.

У 1930-тих роках Бор захопився ядерною тематикою, переорієнтувавши на неї свій інститут: завдяки своїй популярності і своєму впливові він зумів домогтися виділення коштів на будівництво у себе в Інституті нових установок — циклотрона, прискорювача за моделлю Кокрофта — Уолтона, прискорювача Ван де Граафа. Сам Бор у цей час зробив значний внесок у теорію будови ядра та ядерних реакцій.

1936 року Бор, виходячи з існування щойно виявлених нейтронних резонансів, сформулював фундаментальне для ядерної фізики уявлення про характер перебігу ядерних реакцій: він припустив існування так званого складеного ядра — «компаунд-ядра», тобто збудженого стану ядра з часом життя, що дорівнює приблизно часу руху нейтрона крізь нього. Тоді механізм реакцій, не обмежуючись лише нейтронними реакціями, включає два етапи: 1) утворення складеного ядра, 2) його розпад. При цьому дві ці стадії відбуваються незалежно одна від одного, що обумовлено рівноважним перерозподілом енергії між ступенями свободикомпаунд-ядра. Це надало змогу застосувати статистичний підхід до опису поведінки ядер, що уможливило обчислення перерізу низки реакцій, а також інтерпретувати розпад складеного ядра в термінах випаровування частинок, створивши за пропозицією Якова Френкеля краплинну модель ядра.

Однак така проста картина має місце лише при великих відстанях між резонансами (рівнями ядра), тобто при малих енергіях збудження. 1939 року у спільній роботі Бора з Рудольфом Пайерлсом та Георгом Плачеком було показано, що при перекритті резонансів компаунд-ядра рівновага в системі не встигає встановитися і дві стадії реакції перестають бути незалежними, тобто характер розпаду проміжного ядра визначається процесом його формування. Розвиток теорії в цьому напрямку призвів пізніше (1953) до створення Віктором Вайскопфом, Германом Фешбахом і К. Портером так званої «оптичної моделі ядра», що описує ядерні реакції у широкому діапазоні енергій.

Одночасно з уявленням про складене ядро Бор, спільно з Ф. Калькаром, запропонував розглядати колективні рухи частинок в ядрах, протиставивши їх картині незалежних нуклонів. Такі коливальні моди рідкокрапельного типу відбиваються у спектроскопічних даних, зокрема, в мультипольній структурі ядерного випромінювання. Ідеї про поляризованість і деформації ядер були покладені в основу узагальненої (колективної) моделі ядра, розвиненої на початку 1950-х років Оге Бором, Беном Моттельсономта Джеймсом Рейнуотером.

Великий внесок Бора в пояснення механізму поділу ядер, при якому відбувається звільнення величезної кількості енергії. Поділ було експериментально виявлено в кінці 1938 року Отто Ганом та Фріцем Штрассманом і правильно витлумачено Лізою Майтнер та Отто Фрішем під час різдвяних канікул. Бор дізнався про їхні ідеї від Фріша, який працював тоді в Копенгагені, перед самим від'їздом до США у січні 1939 року. У Принстоні спільно з Джоном Вілером Бор розвинув кількісну теорію поділу ядер, ґрунтуючись на моделі складеного ядра і уявленнях про критичні деформації ядра, що призводять до його дрижання й розпаду. Для деяких ядер ця критична величина може дорівнювати нулю, що виражається в розпаді ядра при яких завгодно малих деформаціях. Теорія дозволила отримати залежність перерізу поділу від енергії, що збігається з експериментальною. Крім того, Бору вдалося показати, що поділ ядер урану-235 викликається «повільними» (низькоенергетичними) нейтронами, а урану-238 — швидкими.

Війна. Боротьба проти атомної загрози

Після приходу до влади у Німеччині націонал-соціалістів Бор взяв активну участь у вирішенні долі багатьох вчених-емігрантів, що переїхали до Копенгагена. 1933 року зусиллями Нільса Бора, його брата Гаральда, директора Інституту вакцин Торвальда Мадсена і адвоката Альберта Йоргенсена був заснований спеціальний Комітет допомоги вченим-біженцям.

Після окупації Данії у квітні 1940 року виникла реальна небезпека арешту Бора у зв'язку з його напівєврейським походженням. Та все ж, він вирішив залишатися у Копенгагені, доки це буде можливо, щоб гарантувати захист інституту і своїм співробітникам від посягань окупаційної влади. У жовтні 1941 Бора відвідав Гейзенберг, на той час керівник німецького уранового

В одному зі своїх останніх інтерв'ю в березні 2006 року учень Гейзенберга, хорватський фізик Іван Супек згадував про одну подробицю зустрічі яку йому розповіла дружини Бора, Маргрете. За її словами Гейзенберг і Вайцзеккер завітали до Бора зодягнені в форму вермахту, щоб переконати його виступити посередником між Великою Британією і Німеччиною в мирних перемовинах. Ідею подав Вайцзеккер, батько якого був заступником міністра закордонних справ Третього Рейха, Йоахіма фон Ріббентропа.

29 вересня 1943 року британській розвідці стало відомо, що у Берліні підписаний наказ про арешт Бора й вивезення його до Німеччини. 30 вересня за допомогою данського Руху опору він виїхав разом з сином Оге спочатку на човні до Швеції, а через 12 днів у бомбовому відділенні англійського літака прибув до Англії. Тітка Бора (старша сестра його матері) — відомий данський педагог Ханна Адлер (1859—1947) — була депортована в концтабір незважаючи на 84-річний вік і урядовий захист.^[68] У Великій Британії та США, куди він незабаром переїхав, вчений приєднався до роботи над створенням атомної бомби і брав участь в ньому аж до червня 1945. У США вони з сином носили імена Ніколас і Джим Бейкер.

Разом з тим, вже починаючи з 1944 Бор усвідомлював всю небезпеку атомної загрози.

Зустріч з прем'єр-міністром Великої Британії 16 травня 1944 року не призвела до якихось результатів. Після цього Нільс Бор почав домагатися прийому його президентом США Франкліном Рузвельтом. У своєму меморандумі на ім'я президента Рузвельта (3 липня 1944) він закликав до повної заборони використання ядерної зброї, до забезпечення суворого міжнародного контролю за цим і, в той же час, до знищення всякої монополії на мирне застосування атомної енергії. Згодом він направив на адресу керівників США ще два меморандуми — від 24 березня 1945 і від 17 травня 1948^[69]. Бор намагався донести свої думки до Черчилля та Рузвельта і при особистих зустрічах з ними, однак безуспішно. Більше того, ця діяльність, а також запрошення приїхати на час війни до Радянського Союзу, отримане від Петра Капіци на початку 1944 року, викликали підозру у шпигунстві на користь СРСР.

У листопаді 1945 р. за завданням радянської розвідки і за рекомендацією П. Капіци Бора відвідав радянський фізик Я. П. Терлецький, що поставив йому низку питань щодо американського атомного проекту (про атомні реактори). Бор розповів лише те, що на цей час було опубліковано у відкритих джерелах, і повідомив про візит Терлецького контррозвідувальні служби.

1950 року Бор опублікував відкритого листа до ООН, наполягаючи на мирній співпраці та вільному обміні інформацією між державами, як підґрунтю для побудови «відкритого світу». Надалі він неодноразово висловлювався на цю тему, своїм авторитетом підкріплюючи заклики до миру і запобігання загрози ядерної війни^.

Останні роки

В останні роки життя Бор займався переважно громадською діяльністю, виступав з лекціями у різних країнах, писав статті на філософські теми.

Безпосередньо в галузі фізики в 1940-1950-х роках він продовжував розробляти проблему взаємодії елементарних частинок із середовищем. Бор вважав принцип доповнюваності своїм найціннішим внеском у науку. Він намагався розширити його застосування на інші галузі людської діяльності — біологію, психологію, культуру, багато розмірковуючи про роль і значення мови в науці і житті.

Помер Нільс Бор 18 листопада 1962 року від серцевого нападу. Урна з його прахом знаходиться в сімейній могилі в Копенгагені.

Цікаві відеододатки

https://www.youtube.com/watch?v=eRt6yH3Srh4

https://www.youtube.com/watch?v=V1AZqcK5ioI