Нильс Хе́нрик Дави́д Бор (, ; 7 октября 1885, Копенгаген, Дания — 18 ноября 1962, там же) — датский и общественный деятель, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Участник Манхэттенского проекта по разработке атомной бомбы.
Внеся вклад в теоретическую физику, Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Он также внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой. Бор был научным наставником многих видных физиков из разных стран Европы своего времени (Гейзенберг, Хевеши, Крамерс, Клейн).
Член Датского королевского общества с 1917 года и его президент с 1939 по 1962 год, также состоял в более чем 20 академиях наук мира, в том числе иностранным почётным членом Академии наук СССР (1929; членом-корреспондентом — с 1924). Основал Институт теоретической физики в Копенгагенском университете, теперь известный как Институт Нильса Бора, открывшийся в 1920 году.
Являлся убеждённым защитником пацифизма, прав человека и демократии, считал нужным противодействовать нацизму любым способом. Интересовался философией науки.
Обзор жизни и творчества
Семья. Детство и юность
Нильс Бор родился в 1885 году в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Кристиана Бора (1858—1911), дважды становившегося кандидатом на Нобелевскую премию по физиологии и медицинеА. Пайс. Нильс Бор, человек и его наука // А. Пайс. Гении науки . — М.: ИКИ, 2002. — С. 24., и Эллен Адлер (1860—1930), дочери влиятельного и весьма состоятельного еврейского банкира и парламентария-либерала и Дженни Рафаэль (1830—1902) из британской еврейской банкирской династии Д. Данин. Труды и дни Нильса Бора. — М.: Знание, 1985. — С. 8.. Родители Бора поженились в 1881 году.
Молодость. Теорема Бора — ван Лёвен (1885—1911) В школе проявлял явную склонность к физике и математике, а также к философии.
В 1903 году Нильс Бор поступил в Копенгагенский университет, где изучал физику, химию, астрономию, математику. Вместе с братом он организовал студенческий философский кружок, на котором его участники поочерёдно выступали с докладамиА. Б. Мигдал. Указ. соч. — С. 305—306.. В университете Нильс Бор выполнил свои первые работы по исследованию колебаний струи жидкости для более точного определения величины поверхностного натяжения воды. Теоретическое исследование в 1906 году было отмечено золотой медалью Датского королевского общества. В последующие годы (1907—1909) оно было дополнено экспериментальными результатами, полученными Бором в физиологической лаборатории отцаА. Пайс. Указ. соч. — С. 25., и опубликовано по представлению корифеев тогдашней физики Рамзая и Рэлея.
В 1910 году Бор получил степень магистра, а в мае 1911 года защитил докторскую диссертацию по классической электронной теории металлов. В своей диссертационной работе Бор, развивая идеи Лоренца, доказал важную теорему классической статистической механики, согласно которой магнитный момент любой совокупности элементарных электрических зарядов, движущихся по законам классической механики в постоянном магнитном поле, в стационарном состоянии равен нулю. В 1919 году эта теорема была независимо переоткрыта Хендрикой ван Леувен и носит название теоремы Бора — ван Лёвен. Из неё непосредственно следует невозможность объяснения магнитных свойств вещества (в частности, диамагнетизма), оставаясь в рамках классической физикиТеорема Бора — ван Лёвен // Физическая энциклопедия. — М.: БСЭ, 1988. — Т. 1. — С. 225.. Это, видимо, стало первым столкновением Бора с ограниченностью классического описания, подводившим его к вопросам квантовой теории.
Бор в Англии. Модель Бора (1911—1916) В 1911 году Бор получил стипендию в размере 2500 крон от фонда Карлсберга для стажировки за границейА. Пайс. Указ. соч. С. 26.. В сентябре 1911 года он прибыл в Кембриджский университет в Англии, чтобы работать в Кавендишской лаборатории под руководством знаменитого Дж. Дж. Томсона. Бор изучил всего И. Ньютона, увлекался астрономией польских и итальянских учёных — Коперника и Галилея. Однако сотрудничество не сложилось: Томсона не заинтересовал молодой 26-летний датчанин, с ходу указавший на ошибку в одной из его работ и к тому же плохо изъяснявшийся на английском. Впоследствии Бор так вспоминал об этом:
Я был разочарован, Томсона не заинтересовало то, что его вычисления оказались неверными. В этом была и моя вина. Я недостаточно хорошо знал английский и потому не мог объясниться… Томсон был гением, который, на самом деле, указал путь всем… В целом, работать в Кембридже было очень интересно, но это было абсолютно бесполезным занятием.
В итоге в марте 1912 года Бор переехал в Манчестер к Эрнесту Резерфорду, с которым незадолго до того познакомился. В 1911 году Резерфорд по итогам своих опытов опубликовал планетарную модель атома. Бор активно включился в работу по этой тематике, чему способствовали многочисленные обсуждения с работавшим тогда в Манчестере известным химиком Георгом Хевеши и с самим Резерфордом. Исходной идеей было то, что свойства элементов определяются целым числом — атомным номером, в роли которого выступает заряд ядра, который может изменяться в процессах радиоактивного распада. Первым применением резерфордовской модели атома для Бора стало рассмотрение в последние месяцы своего пребывания в Англии процессов взаимодействия альфа- и бета-лучей с веществом. Летом 1912 года Бор вернулся в Данию.
В 1912 году, во время свадебного путешествия, Бор передал Резерфорду свою подготовленную к печати статью «Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через вещество» (она была опубликована в начале 1913 года). 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, спустя много лет написавшего:
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.
По возвращении в Копенгаген Бор преподавал в университете, в то же время интенсивно работая над квантовой теорией строения атома. Первые результаты содержатся в черновике, посланном Резерфорду ещё в июле 1912 года и носящем название «резерфордовского меморандума». Однако решающие успехи были достигнуты в конце 1912 — начале 1913 года. Ключевым моментом стало знакомство в феврале 1913 года с закономерностями расположения спектральных линий и общим комбинационным принципом для частот излучения атомов. Впоследствии сам Бор говорил:
Как только я увидел формулу Бальмера, весь вопрос стал мне немедленно ясенМ. А. Ельяшевич. Указ. соч. — С. 270..
В марте 1913 года Бор послал предварительный вариант статьи Резерфорду, а в апреле съездил на несколько дней в Манчестер для обсуждения своей теории. Итогом проведённой работы стали три части революционной статьи «О строении атомов и молекул»Первая часть доступна по ссылке: On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I . — Phil. Mag. — Vol. 26. — p. 1—24 (1913)., опубликованные в журнале «Philosophical Magazine» в июле, октябре и декабре 1913 года и содержащие квантовую теорию водородоподобного атома. В теории Бора можно выделить два основных компонентаМ. А. Ельяшевич. Указ. соч. — С. 254—255, 273.: общие утверждения (постулаты) о поведении атомных систем, сохраняющие своё значение и всесторонне проверенные, и конкретная модель строения атома, представляющая в наши дни лишь исторический интерес. Постулаты Бора содержат предположения о существовании стационарных состояний и об излучательных переходах между ними в соответствии с представлениями Планка о квантовании энергии вещества. Модельная теория атома Бора исходит из предположения о возможности описания движения электронов в атоме, находящемся в стационарном состоянии, на основе классической физики, на которое накладываются дополнительные квантовые условия (например, квантование углового момента электрона). Теория Бора сразу же позволила обосновать испускание и поглощение излучения в сериальных спектрах водорода, а также объяснить (с поправкой на приведённую массу электрона) наблюдавшиеся ранее Чарлзом Пикерингом и Альфредом Фаулером водородоподобные спектры с полуцелыми квантовыми числами как принадлежащие ионизированному гелию. Блестящим успехом теории Бора стало теоретическое получение значения постоянной РидбергаМ. А. Ельяшевич. Указ. соч. — С. 275—278..
Работа Бора сразу привлекла внимание физиков и стимулировала бурное развитие квантовых представлений. Его современники по достоинству оценили важный шаг, который сделал датский учёный. Так, в 1936 году Резерфорд писал:
Я считаю первоначальную квантовую теорию спектров, выдвинутую Бором, одной из самых революционных из всех когда-либо созданных в науке; и я не знаю другой теории, которая имела бы больший успехМ. А. Ельяшевич. Указ. соч. — С. 297. См. также: Э. Резерфорд. Избр. науч. тр. — М.: Наука, 1972. — С. 490..
В 1949 году Альберт Эйнштейн так вспоминал о своих впечатлениях от знакомства с теорией Бора:
Все мои попытки приспособить теоретические основы физики к этим результатам [то есть следствиям закона Планка для излучения чёрного тела] потерпели полную неудачу. Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твёрдой почвы, на которой можно было бы строить. Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточным, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьём — найти главные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это наивысшая музыкальность в области мыслиМ. А. Ельяшевич. Указ. соч. — С. 297. См. также: А. Эйнштейн. Собр. науч. тр. — М.: Наука, 1967. — Т. 4. — С. 275..
Весной 1914 года Бор был приглашён Резерфордом заменить Чарльза Дарвина, внука знаменитого естествоиспытателя, в качестве лектора по математической физике в Манчестерском университете (Шустеровская школа математической физики). 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. Уже в сентябре 1914 года он писал:
Для систем, состоящих из более чем двух частиц, нет простого соотношения между энергией и числом обращений, и по этой причине соображения, подобные тем, которые я использовал ранее, не могут быть применены для определения «стационарных состояний» системы. Я склонен полагать, что в этой проблеме скрыты очень значительные трудности, которые могут быть преодолены лишь путём отказа от обычных представлений в ещё большей степени, чем это требовалось до сих пор, и что единственной причиной достигнутых успехов является простота рассмотренных системМ. А. Ельяшевич. Указ. соч. — С. 281..
В 1914 году Бор сумел частично объяснить расщепление спектральных линий в эффектах Штарка и Зеемана, однако ему не удалось получить расщепление более чем на два компонента. В этом проявилась ограниченность круговых орбит, рассматриваемых в его теории. Преодолеть её стало возможно лишь после того, как в начале 1916 года Арнольд Зоммерфельд сформулировал обобщённые квантовые условия, ввёл три квантовых числа для орбиты электрона и объяснил тонкую структуру спектральных линий, учтя релятивистские поправки. Бор сразу же занялся коренным пересмотром своих результатов в свете этого нового подходаМ. А. Ельяшевич. Указ. соч. — С. 283, 286..
Дальнейшее развитие модели. Принцип соответствия (1916—1923)