100 великих учёных

НИЛЬС БОР

Эйнштейн сказал однажды: «Что удивительно привлекает в Боре как учёном-мыслителе, так это редкий сплав смелости и осторожности; мало кто обладал такой способностью интуитивно схватывать суть скрытых вещей, сочетая это с обострённым критицизмом. Он, без сомнения, является одним из величайших научных умов нашего века».

Датский физик Нильс Хенрик Давид Бор родился 7 октября 1885 года в Копенгагене и был вторым из трёх детей Кристиана Бора и Эллен (в девичестве Адлер) Бор. Его отец был известным профессором физиологии в Копенгагенском университете; его мать происходила из еврейской семьи, хорошо известной в банковских, политических и интеллектуальных кругах. Их дом был центром весьма оживлённых дискуссий по животрепещущим научным и философским вопросам, и на протяжении всей своей жизни Бор размышлял над философскими выводами из своей работы. Он учился в Гаммельхольмской грамматической школе в Копенгагене и окончил её в 1903 году. Бор и его брат Харальд, который стал известным математиком, в школьные годы были заядлыми футболистами; позднее Нильс увлекался катанием на лыжах и парусным спортом.

В те годы Харальд пользовался гораздо большей известностью, чем Нильс, правда, не столько как талантливый учёный, сколько как один из лучших футболистов Дании. На протяжении ряда лет он играл полузащитником в командах высшей лиги и в 1908 году участвовал в лондонской олимпиаде, где Дания завоевала серебряные медали. Нильс также был страстным футболистом, но он никогда не поднимался выше запасного вратаря команды высшей лиги, хотя и в этом амплуа выступал лишь в очень редких матчах.

«Нильс, конечно, играл прекрасно, но частенько запаздывал выйти из ворот», — шутил Харальд.

Если в школе Нильса Бора в общем считали учеником обыкновенных способностей, то в Копенгагенском университете его талант очень скоро заставил о себе заговорить. В декабре 1904 году Хельга Лунд писала своему норвежскому другу:

«Кстати, о гениях. С одним из них я встречаюсь каждый день. Это Нильс Бор, о котором я тебе уже рассказывала; его незаурядные способности проявляются всё в большей степени. Это самый лучший, самый скромный человек на свете. У него есть брат Харальд, он почти такой же талантливый и учится на математическом отделении. Я никогда не встречала двух столь неразлучных и любящих друг друга людей. Они очень молоды, одному — 17, другому — 19 лет, но я предпочитаю разговаривать только с ними, потому что они очень приятные».

Нильса действительно признавали необычайно способным исследователем. Его дипломный проект, в котором он определял поверхностное натяжение воды по вибрации водяной струи, принёс ему золотую медаль Датской королевской академии наук. В 1907 году он стал бакалавром. Степень магистра он получил в Копенгагенском университете в 1909 году. Его докторская диссертация по теории электронов в металлах считалась мастерским теоретическим исследованием. Среди прочего в ней вскрывалась неспособность классической электродинамики объяснить магнитные явления в металлах. Это исследование помогло Бору понять на ранней стадии своей научной деятельности, что классическая теория не может полностью описать поведение электронов.

Получив докторскую степень в 1911 году, Бор отправился в Кембриджский университет, в Англию, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном, который открыл электрон в 1897 году. Правда, к тому времени Томсон начал заниматься уже другими темами, и он выказал мало интереса к диссертации Бора и содержащимся там выводам.

Бор поначалу страдал от недостатка знаний английского языка и поэтому сразу же по приезде в Англию начал читать в оригинале «Давида Копперфильда». Со свойственным ему терпением он отыскивал в словаре каждое слово, в датском эквиваленте которого он сомневался, и специально для этой цели купил себе словарь, служивший ему во всех сомнительных случаях. С этим словарём красного цвета Бор не расставался потом всю жизнь.

Вскоре в жизни Бора произошёл решающий поворот: в октябре на ежегодном праздничном обеде в Кавендишской лаборатории он впервые увидел Эрнеста Резерфорда. Хотя в тот раз Бор и не познакомился с ним лично, Резерфорд произвёл на него сильное впечатление. Бор заинтересовался работой Эрнеста Резерфорда в Манчестерском университете. Резерфорд со своими коллегами изучал вопросы радиоактивности элементов и строения атома. Бор переехал в Манчестер на несколько месяцев в начале 1912 года и энергично окунулся в эти исследования. Он вывел много следствий из ядерной модели атома, предложенной Резерфордом, которая не получила ещё широкого признания. В дискуссиях с Резерфордом и другими учёными Бор отрабатывал идеи, которые привели его к созданию своей собственной модели строения атома.

В 1910 году Нильс встретил Маргарет Нёрлунд, сестру Нильса Эрика Нёрлунда, товарища Харальда Бора, и дочь аптекаря Альфреда Нёрлунда из Слагельса. В 1911 году состоялась их помолвка. Летом 1912 года Бор вернулся в Копенгаген и стал ассистент-профессором Копенгагенского университета. 1 августа этого же года — через четыре дня после возвращения Бора из своей первой короткой учебной поездки к Резерфорду, он женился на Маргарет. Свадебное путешествие привело их в Англию, где после недельного пребывания в Кембридже молодая пара посетила Резерфорда. Нильс Бор оставил ему свою работу о торможении альфа-частиц, начатую незадолго до возвращения домой.

Брак Нильса Бора с Маргарет Нёрлунд 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».

В течение следующих двух лет Бор продолжал работать над проблемами, возникающими в связи с ядерной моделью атома. Резерфорд предположил, что атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Согласно классической электродинамике, вращающийся по орбите электрон должен постоянно терять энергию. Постепенно электрон должен приближаться по спирали к ядру и, в конце концов, упасть на него, что привело бы к разрушению атома. На самом же деле атомы весьма стабильны, и, следовательно, здесь образуется брешь в классической теории. Бор испытывал особый интерес к этому очевидному парадоксу классической физики, поскольку всё слишком напоминало те трудности, с которыми он столкнулся при работе над диссертацией. Возможное решение этого парадокса, как полагал он, могло лежать в квантовой теории.

Применяя новую квантовую теорию к проблеме строения атома, Бор предположил, что электроны обладают некоторыми разрешёнными устойчивыми орбитами, на которых они не излучают энергию. Только в случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, он приобретает или теряет энергию, причём величина, на которую изменяется энергия, точно равна энергетической разности между двумя орбитами. Идея, что частицы могут обладать лишь определёнными орбитами, была революционной, поскольку, согласно классической теории, их орбиты могли располагаться на любом расстоянии от ядра, подобно тому как планеты могли бы в принципе вращаться по любым орбитам вокруг Солнца.

Хотя модель Бора казалась странной и немного мистической, она позволяла решить проблемы, давно озадачивавшие физиков. В частности, она давала ключ к разделению спектров элементов. Когда свет от светящегося элемента (например, нагретого газа, состоящего из атомов водорода) проходит через призму, он даёт не непрерывный включающий все цвета спектр, а последовательность дискретных ярких линий, разделённых более широкими тёмными областями. Согласно теории Бора, каждая яркая цветная линия (т. е. каждая отдельная длина волны) соответствует свету, излучаемому электронами, когда они переходят с одной разрешённой орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Бор вывел формулу для частот линий в спектре водорода, в которой содержалась постоянная Планка. Частота, умноженная на постоянную Планка, равна разности энергий между начальной и конечной орбитами, между которыми совершают переход электроны. Теория Бора, опубликованная в 1913 году, принесла ему известность; его модель атома стала известна как атом Бора.

Немедленно оценив важность работы Бора, Резерфорд предложил ему ставку лектора в Манчестерском университете — пост, который Бор занимал с 1914 по 1916 год. В 1916 году он занял пост профессора, созданный для него в Копенгагенском университете, где он продолжал работать над строением атома. В 1920 году он основал Институт теоретической физики в Копенгагене. За исключением периода Второй мировой войны, когда Бора не было в Дании, он руководил этим институтом до конца своей жизни. Под его руководством институт сыграл ведущую роль в развитии квантовой механики (математическое описание волновых и корпускулярных аспектов материи и энергии). В течение двадцатых годов боровская модель атома была заменена более сложной квантово-механической моделью, основанной главным образом на исследованиях его студентов и коллег. Тем не менее атом Бора сыграл существенную роль моста между миром атомной структуры и миром квантовой теории.

Бор был награждён в 1922 году Нобелевской премией по физике «За заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения». При презентации лауреата Сванте Аррениус, член Шведской королевской академии наук, отметил, что открытия Бора «подвели его к теоретическим идеям, которые существенно отличаются от тех, какие лежали в основе классических постулатов Джеймса Клерка Максвелла». Аррениус добавил, что заложенные Бором принципы «обещают обильные плоды в будущих исследованиях».

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

В двадцатые годы учёный сделал решающий вклад в то, что позднее было названо копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Основываясь на принципе неопределённости Вернера Гейзенберга, копенгагенская интерпретация исходит из того, что жёсткие законы причины и следствия, привычные нам в повседневном, макроскопическом мире, неприложимы 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.

Бор также сформулировал два из фундаментальных принципа, определивших развитие квантовой механики: принцип соответствия и принцип дополнительности. Принцип соответствия утверждает, что квантовомеханическое описание макроскопического мира должно соответствовать его описанию в рамках классической механики. 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 определённого 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».

Метод работы Бора многим представлялся необычным. Но при более близком знакомстве становилось понятно, что он полностью соответствовал его научному кредо. За исключением личных писем и коротких записей самим Бором было написано лишь несколько статей. Лучше всего его мысль работала, когда он не писал, а диктовал. Кроме того, Бор всегда нуждался в присутствии человека, с которым он мог обсуждать проблемы. Эта своего рода живая дека была необходимой предпосылкой для работы, средством проверки силы аргументов.

Он ощущал внутреннюю потребность в критике, чрезвычайно остро реагируя на любое критическое высказывание. Часто в ходе дискуссии ему удавалось сформулировать свою мысль наилучшим образом. Бор с жадностью ловил каждое справедливое замечание в отношении выбора слова и охотно вносил изменение в текст.

В тридцатые годы Бор обратился к ядерной физике. Энрико Ферми с сотрудниками изучали результаты бомбардировки атомных ядер нейтронами. Бор вместе с рядом других учёных предложил капельную модель ядра, соответствующую многим наблюдаемым реакциям. Эта модель, где поведение нестабильного тяжёлого атомного ядра сравнивается с делящейся каплей жидкости, дала в конце 1938 года возможность Отто Р. Фришу и Лизе Майтнер разработать теоретическую основу для понимания деления ядра. Открытие деления накануне Второй мировой войны немедленно дало пищу для домыслов о том, как с его помощью можно высвобождать колоссальную энергию. Во время визита в Принстон в начале 1939 года Бор определил, что один из обычных изотопов урана, уран-235, является расщепляемым материалом, что оказало существенное влияние на разработку атомной бомбы.

В первые годы войны Бор продолжал работать в Копенгагене над теоретическими деталями деления ядер, в условиях германской оккупации Дании. Однако 29 сентября 1943 года Бора неоднократно информировали о решении немцев арестовать его вместе со всей семьёй в связи с предстоящей высылкой датских евреев в Германию. К счастью, ему удалось принять необходимые меры и той же ночью вместе с женой, братом Харальдом и другими членами семьи переправиться в Швецию. Оттуда он вместе с сыном Оге перелетел в Англию в пустом бомбовом отсеке британского военного самолёта.

Хотя Бор считал создание атомной бомбы технически неосуществимым, работа по созданию такой бомбы уже начиналась в Соединённых Штатах, и союзникам потребовалась его помощь. В конце 1943 году Нильс и Оге Бор отправились в Лос-Аламос для участия в работе над Манхэттенским проектом. Старший Бор сделал ряд технических разработок при создании бомбы и считался старейшиной среди многих работавших там учёных; однако его в конце войны крайне волновали последствия применения атомной бомбы в будущем. Он встречался с президентом США Франклином Д. Рузвельтом и премьер-министром Великобритании Уинстоном Черчиллем, пытаясь убедить их быть открытыми и откровенными с Советским Союзом в отношении нового оружия, а также настаивал на установлении системы контроля над вооружениями в послевоенный период. Однако его усилия не увенчались успехом.

После войны Бор вернулся в Институт теоретической физики, который расширился под его руководством Он помогал основать ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований) и играл активную роль в его научной программе в пятидесятые годы. Он также принял участие в основании Нордического института теоретической атомной физики (Нордита) в Копенгагене — объединённого научного центра Скандинавских государств. В эти годы учёный продолжал выступать в прессе за мирное использование ядерной энергии и предупреждал об опасности ядерного оружия. В 1950 году он послал открытое письмо в ООН, повторив свой призыв военных лет к «открытому миру» и международному контролю над вооружениями.

Человек высокого роста, с большим чувством юмора, Бор был известен своим дружелюбием и гостеприимством. 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!»

7 октября 1955 года Нильсу Бору исполнилось 70 лет. По этому случаю 14 октября состоялось торжественное заседание, на котором присутствовал король. Президент поблагодарил короля за его участие в заседании и за поддержку, оказываемую им Обществу. Король сообщил, что он наградил президента орденом Даннеброга первой степени.

Достигнув возраста обязательной отставки, Бор ушёл с поста профессора Копенгагенского университета, но оставался главой Института теоретической физики. В последние годы своей жизни он продолжал вносить свой вклад в развитие квантовой физики и проявлял большой интерес к новой области молекулярной биологии. За свои усилия в этом направлении он получил первую премию «За мирный атом», учреждённую Фондом Форда в 1957 году.

Бор умер 18 ноября 1962 года в своём доме в Копенгагене в результате сердечного приступа.