Hver var Níels Bohr og hvert var framlag hans til vísindanna?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hver var Níels Bohr og hvert var framlag hans til vísindanna?
Níels Bohr (1885-1962) var danskur eðlisfræðingur, einn af frægustu mönnum þeirrar vísindagreinar á sínum tíma. Auk þess sem hann setti fram nýmæli í nútíma eðlisfræði kom hann á fót merkri stofnun í Kaupmannahöfn þar sem margir af helstu eðlisfræðingum heimsins unnu að þróun eðlisfræðinnar, einkum í skammtafræði. Hann lét einnig til sín taka í því að greiða götu gyðinga og annarra flóttamanna frá Þýskalandi á tímabilinu 1930-1944. Hann beitti sér fyrir opnum samskiptum þjóða í lok heimsstyrjaldarinnar en það bar þá því miður lítinn árangur því að kalda stríðið var á næsta leiti.

Nokkur æviatriði

Bohr fæddist í Kaupmannahöfn. Faðir hans hét Christian Bohr og var prófessor í lífeðlisfræði við Hafnarháskóla. Hann var þekktur vísindamaður og var nokkrum sinnum tilnefndur til Nóbelsverðlauna. Móðir Níelsar hét upphaflega Ellen Adler og var af auðugum Gyðingaættum sem mikið bar á í bankamálum og stjórnmálum í Danmörku. Níels átti þessum uppruna sínum margt að þakka eins og síðar kemur fram. Yngri bróðir hans hét Harald og var á tímabili í landsliði Dana í knattspyrnu en varð síðar þekktur prófessor í stærðfræði.

Níels innritaðist til náms í eðlisfræði sem aðalgrein við Hafnarháskóla árið 1905, en lærði einnig stærðfræði, stjörnufræði og heimspeki. Sama ár hlaut hann gullmedalíu í samkeppni Danska vísindafélagsins, fyrir ritgerð um yfirborðsspennu vökva. Doktorsritgerð hans fjallaði um rafeindir í málmum. Hann hallaðist þar að þeirri kenningu að rafeindir í málmum hegðuðu sér svipað og sameindir í gasi. Hann komst að þeirri niðurstöðu að rafeindakenningin dygði ekki til að útskýra segulmagn, enda kom síðar í ljós að þar þurfti skammtafræði til. Doktorsritgerð Bohrs var skrifuð á dönsku, samkvæmt þáverandi kröfum háskólans, og vakti því minni athygli en ella.

Árið 1910 kynntist Bohr Margrethe Nørlund. Hún var systir stærðfræðingsins Niels Eriks Nørlunds sem varð síðar forstöðumaður Dönsku landmælinganna og stýrði mælingum Dana á Íslandi um og upp úr 1930. Bohr gekk úr dönsku þjóðkirkjunni árið 1912 og þau Margrethe giftu sig borgaralega sama ár. Þau eignuðust sex syni en tveir þeirra dóu ungir. Einn sonurinn, Aage, varð heimsþekktur kjarneðlisfræðingur sem fékk Nóbelsverðlaun árið 1975.

Árið 1911 hélt Bohr til Englands til að kynna sér rannsóknir þar á gerð frumeinda (atóma) og sameinda. Hann kynntist meðal annarra nýsjálenska eðlisfræðingnum Ernest Rutherford sem hafði þá einmitt sýnt fram á tilvist atómkjarnans með frægri tilraun. Rutherford bauð honum til samstarfs og hann var hjá honum í ár eða svo, en fór þá heim, meðal annars til að gifta sig.

Atómlíkan Bohrs

Árið 1913 var Bohr ráðinn til Hafnarháskóla sem dósent og kenndi læknanemum eðlisfræði. Sama ár birti hann þrjár frægar greinar um vetnisatómið sem mynda eins konar þríleik. Í þeim tengir hann kjarnalíkan Rutherfords við skammtafræðina (e. quantum mechanics) sem var þá farin að mótast, en svo nefnum við þá grein eðlisfræðinnar sem fjallar um smæstu eindir efnisins, víxlverkanir þeirra innbyrðis og við rafsegulgeislun, þar á meðal ljós. Bohr setur þarna fram atómlíkan sem við hann er kennt. Samkvæmt því getur rafeind atómsins aðeins verið á sérstökum brautum um kjarnann sem hlíta ákveðnum skilyrðum eða valreglum. Rafeindin getur þó færst af einni braut á aðra þegar atómið tekur til sín orku með rafsegulgeislun eða sendir hana frá sér. Það gerist í ákveðnum skömmtum sem samsvara orkumismun brautanna. Þess vegna senda atómin frá sér eða gleypa geislun, einkum ljós, með tilteknum tíðnigildum og samsvarandi bylgjulengdum.

Myndin sýnir aðalatriðin í líkani Bohrs af vetnisfrumeindinni frá 1913. Neikvætt hlaðin rafeind er á braut um jákvætt hlaðinn kjarna (Z = 1 fyrir vetni). Brautin er auðkennd með bókstafnum $n$ sem tekur gildið 1 í grunnástandinu. Orka leyfðra brauta tekur staksett (e. discrete) gildi og er því talað um orkustig. Í örvuðu ástandi er rafeindin á stærri braut með $n= 2, 3$ og svo framvegis. Rafeind í örvuðu ástandi getur færst í ástand með lægra gildi á $n$ og frumeindin sendir þá frá sér orkuskammt rafegulgeislunar, oft ljós. Orkuskammtarnir voru síðar nefndir ljóseindir og hafa orku og tíðni samkvæmt jöfnu Plancks, $E = h f$ þar sem $E$ er orkan, $f$ er tíðnin og $h$ er fasti Plancks. Orkan $E$ er sem næst jöfn breytingunni á orku atómsins.

Margir af eldri eðlisfræðingum þessara ára létu sér fátt um finnast þegar Bohr setti fram þetta líkan sitt. En yngri menn tóku því fagnandi, þar á meðal menn eins og Rutherford og Einstein, og síðar Heisenberg, Schrödinger og Pauli. Líkanið skýrði ýmis fyrirbæri sem voru óskiljanleg samkvæmt öðrum líkönum og sagði fyrir um niðurstöður sem voru síðar staðfestar með tilraunum. Hins vegar varð fljótlega ljóst að það leysti ekki allan vanda og því héldu menn áfram að reyna að gera frumeindunum enn betri skil með líkönum og kenningum.

Bohr starfaði sem gestur hjá Rutherford í Manchester á árunum 1914-1916. En árið 1916 var honum veitt nýstofnuð prófessorsstaða í kennilegri eðlisfræði við Hafnarháskóla. Hann fór þá fljótlega að vinna að því að koma á fót Stofnun í kennilegri eðlisfræði (d. Institut for teoretisk fysik) sem er nú þekkt undir nafninu Stofnun Níelsar Bohrs (d. Niels Bohr Instituttet). Stofnun varð fljótlega brennipunktur kennilegra rannsókna í eðlisfræði frumeinda sem snerust þá mjög um skammtafræði. Margir af þekktustu eðlisfræðingum í Evrópu sem þá voru hefja störf, mótuðust þar undir handarjaðri Bohrs.

Líkan Bohr gaf góða raun í rannsóknum á vetnisfrumeindinni en dugði skammt þegar reynt var að beita því við þyngri og flóknari frumeindir og niðurröðun rafeinda í ástöndum þeirra og á orkustigin. Þýski eðlisfræðingurinn Arnold Sommerfeld steig fljótlega mikilvægt skref til að bæta úr þessu og kjarni vandans leystist að lokum árið 1925 þegar austurríski eðlisfræðingurinn Wolfgang Pauli setti fram einsetulögmálið og endurreisti niðurstöður Bohrs með því. Það gerði Bohr kleift að segja til um eiginleika frumefnis númer 72 sem hafði vantað í lotukerfið. Það var síðan uppgötvað í tilraunum og mælingum í Kaupmannahöfn og nefnt hafnín, með vísun til borgarinnar við Sundið.

Nóbelsverðlaun

Bohr fékk Nóbelsverðlaun árið 1922 fyrir „rannsóknir á innri gerð frumeinda og á geisluninni sem frá þeim stafar“. Í Nóbelsfyrirlestri sínum sagði hann meðal annars frá samsvörunarlögmálinu (e. correspendence principle) sem hann hafði átt þátt í að móta, og felur í sér að skammtafræðin gefur sömu mæliniðurstöður og hefðbundin eðlisfræði þegar tekið er nánar tiltekið markgildi. Svipað lögmál á einnig við um afstæðiskenninguna; forsagnir hennar verða samhljóða aflfræði Newtons þegar hraði hluta er óverulegur miðað við ljóshraðann og þyngdarsvið eru veik.

Leitin að nýrri og yfirgripsmeiri kenningu um ljósið og smæstu eindir efnisins hélt áfram og ekkert var heilagt í þeirri leit. Árið 1924 setti Bohr ásamt John Slater og Hans Kramers fram hugmynd eða líkan sem var kennt við höfundana og kallað BKS-líkanið. Það fól í sér frávik frá lögmálinu um varðveislu orkunnar og vakti því deilur. Nokkru síðar kom þó í ljós að svo sársaukafullar aðgerðir voru óþarfar.

Skammtafræði

Fyrstur til að setja fram heildstæða kenningu um skammta varð lærisveinn Bohrs og náinn samstarfsmaður, þýski eðlisfræðingurinn Werner Heisenberg, í grein frá árinu 1925, en hann var þá 24ra ára. Hann lagði þar grunninn að því sem nú er kallað fylkjaframsetning skammtafræðinnar (e. matrix mechanics). Nokkrum mánuðum síðar, í janúar 1926, hóf austurríski eðlisfræðingurinn Erwin Schrödinger að birta greinaflokk þar sem hann setur grundvöll skammtafræðinnar fram með allt öðrum hætti. Í stað fylkjanna hjá Heisenberg setur Schrödinger fram hlutafleiðujöfnu sem við hann er kennd (bylgjuframsetning skammtafræðinnar; e. wave mechanics) og höfðar betur til áður þekktra aðferða í eðlisfræði. Aðferðir þeirra Heisenbergs og Schrödingers virtust við fyrstu sýn ósamrýmanlegar en Schrödinger tókst að sýna fram á það síðar á árinu 1926 að þær leiddu til nákvæmlega sömu forsagna um hvers konar athuganir og mælingar.

Bohr var á þessum tíma orðinn sannfærður um að ljósið hegðaði sér bæði sem bylgjur og eindir og einnig kom í ljós um þetta leyti að efniseindir eins og rafeindir hegðuðu sér stundum sem bylgjur. Bohr setti fram svonefnt fyllingarlögmál (e. complementarity) um þetta: Fyrirbæri geta haft eiginleika sem virðast útiloka hver annan, eins og að vera bæði bylgjur og eindastraumur, allt eftir umgerð tilrauna eða athugana. Þetta er eitt dæmið um það sérkenni Bohrs að hann hafði alla tíð áhuga á heimspeki og heimspekilegar hugleiðingar höfðu veruleg áhrif á störf hans sem eðlisfræðings. Það átti hann raunar semeiginlegt með Einstein. Samræður þeirra félaga voru yfirleitt með heimspekilegu ívafi. Þær hafa verið gefnar út á prenti og vekja enn verulegan áhuga.

Kjarneðlisfræði

Á fjórða áratug 20. aldar sneri Bohr sér að mestu að kjarneðlisfræði sem var þá að slíta barnskónum, og hafði þar talsverð áhrif, meðal annars með svonefndu dropalíkani um atómkjarna sem styrkti mjög skilning á hegðun þeirra.

Þegar nasistar voru að komast til valda í Þýskalandi upp úr 1930 þurftu margir þýskir eðlisfræðingar að flýja land, oftast af því að þeir voru af gyðingaættum en einnig gátu sumir einfaldlega ekki fellt sig við stjórn nasista. Bohr greiddi götu margra þessara manna með því að finna þeim störf til bráðabirgða við stofnun sína, útvega þeim fjárstyrki, finna þeim vist til frambúðar við stofnanir um allan heim og hjálpa þeim að komast frá Danmörku, oftast fyrst til Svíþjóðar. Eftir að Þjóðverjar hernámu Danmörku árið 1940 bjargaði Bohr tveimur Nóbelsmedalíum starfsbræðra sinna með því að láta leysa gullið upp í kóngavatni og geyma þær þannig þar til stríðinu lauk árið 1945.

Árið 1939, um svipað leyti og seinni heimsstyrjöldin hófst, uppgötvuðu þrír þýskir eðlis- og efnafræðingar svonefnda kjarnaklofnun, það er að þungir frumeindakjarnar eins og úran geta klofnað í tvo minni kjarna, og við það losnar mikil orka. Þar með er þó aðeins hálf sagan sögð, því að einnig losna stakar nifteindir sem geta sett af stað klofnun annarra sams konar kjarna í kring þannig að keðjuverkun kemst á. Menn sáu að líklega væri hægt að nota þetta til orkuframleiðslu, bæði í friðsamlegum tilgangi í kjarnaofnum og einnig ef til vill í kjarnorkusprengjum. Nánari rannsóknir á þessu hófust nokkru síðar, bæði í Bandaríkjunum, Bretlandi og í Þýskalandi.

Fundur Bohrs og Heisenbergs

Eftir að Þjóðverjar hernámu Danmörku settu þeir á fót „Þýska menningarstofnun“ í Kaupmannahöfn. Árið 1941 stóð hún fyrir ráðstefnu um stjarneðlisfræði og Heisenberg var einn framsögumanna. Hann heimsótti Bohr og stofnun hans í leiðinni og er talið að hann hafi vilja ræða stöðu mála varðandi kjarnorkuna, en við vitum núna að hann var þá forstöðumaður „Úransamtakanna“ (þ. Uranverein) sem var vettvangur þýskra vísindamanna sem unnu að þessum málum með stuðningi stjórnvalda. Ekki er vitað nákvæmlega hvað þeim Bohr fór á milli en Bohr og aðrir tóku þessu framtaki Heisenbergs fálega. Meðal annars deildu þeir ekki trú Heisenbergs á þýskan sigur í styrjöldinni. Hafa verið gerð leikrit og kvikmyndir þar sem höfundar glíma við að gefa mynd af fundi Bohrs og Heisenbergs.

Seinni heimsstyrjöldin

Í september 1943 heyrðu bræðurnir Níels og Harald ávæning af því að nasistar teldu þá vera gyðinga vegna ætternis móðurinnar. Þess vegna væri hætta á að þeir yrðu handteknir (að minnsta kosti). Danska andspyrnuhreyfingin hjálpaði Bohr-hjónunum að komast yfir sundið til Svíþjóðar. Næstu daga beitti Bohr sér fyrir málstað danskra gyðinga við Svíakonung og önnur yfirvöld. En danskir gyðingar og andspyrnuhreyfingin höfðu haft spurnir af aðgerðum Þjóðverja sem hófust sama dag og Bohr komst undan, og rúmlega 7.000 gyðingum var fyrst komið í skjól og þeir síðan fluttir til Svíþjóðar.

Fréttir bárust snarlega til Bretlands um að Bohr hefði farið yfir sundið og hann var fluttur áfram til Bretlands með ævintýralegum hætti í sprengjuflugvél um það bil viku síðar. Tveimur mánuðum seinna flaug hann til Bandaríkjanna og fór meðal annars til Los Alamos þar sem unnið var að smíði kjarnorkusprengju. Hann lagði þar nokkuð til mála en fór síðan aftur til Bretlands.

Hann fékk bréf frá sovéskum kjarneðlisfræðingi sem benti til að Sovétmönnum væri kunnugt um starf Breta og Bandaríkjamanna að smíði kjarnavopna. Hann taldi rétt að þessar þjóðir tækju upp opin samskipti við Sovétmenn um kjarnorkumál og ræddi það við Churchill, forsætisráðherra Breta, í maí 1944 en sagði síðar svo frá fundi þeirra að „við töluðum ekki sama tungumálið.“ Komið var á fundi með honum og Roosevelt Bandaríkjaforseta í ágúst en Roosevelt lagði til að hann leitaði aftur samþykkis Breta. Churchill og Roosevelt hittust í London í september og Churchill hafnaði þar þeirri hugmynd að gera kjarnorkuverkefnið opinbert. Í minnisblaði um fundinn er viðauki þar sem segir að „spyrjast þarf fyrir um störf prófessor Bohrs og tryggja að hann leki engum upplýsingum, sér í lagi til Rússa“.

Í júní 1950 skrifaði Bohr opið bréf til Sameinuðu þjóðanna þar sem hann hvatti til alþjóðasamvinnu um kjarnorkumál. Eftir að Sovétríkin sprengdu fyrstu kjarnorkusprengju sína árið 1949 var Alþjóða kjarnorkumálastofnunin sett á fót í Vínarborg, með hliðsjón af tillögum Bohrs. Og hann hélt áfram að berjast fyrir málstað opinna samskipta.

CERN og Nordita

Bohr átti þátt í að stofna Kjarnorkurannsóknastöð Evrópu (fr. Centre Européen pour la Recherche Nucleaire, CERN) árið 1952, með aðsetur við borgina Géneve í Sviss. Stöðinni var ætlað að vinna gegn því að evrópskir eðlisfræðingar mundu flykkjast til Bandaríkjanna og það hefur svo sannarlega tekist því að stöðin er nú langöflugasta rannsóknastöð heims í öreindafræði og raunar ein stærsta rannsóknastöð manna yfirleitt.

Bohr átti einnig ríkan þátt í að stofna Nordita, Nordisk Institut for teoretisk Atomfysik (Rannsóknastofnun Norðurlanda í kennilegri frumeindaeðlisfræði) og sömuleiðis Rannsóknastofnun Dana í tilraunaeðlisfræði í Risø. Margir íslenskir eðlisfræðingar hafa stundað framhaldsnám og rannsóknir við Nordita og sumir hafa gegnt forystuhlutverkum í stjórn hennar í tímans rás. Nokkrir hafa einnig starfað við stöðina í Risø.

Bohr fékk hjartaáfall og lést á heimili sínu árið 1962. Árið 1965 hefði Bohr orðið áttræður og þá var nafni stofnunarinnar við Blegdamsvej formlega breytt í það sem hún hafði lengi verið kölluð óformlega: Stofnun Níelsar Bohrs sem tekur nú yfir alla eðlisfræði, stjörnufræði og jarðeðlisfræði við Hafnarháskóla.

Heimildir og lesefni:

• Bohr, Aage (ritstj.), 1964. Niels Bohr: Hans liv og virke fortalt af en kreds af venner og medarbejdere. København: Schultz.
• Bohr, Niels, 1958. Atomteori og naturbeskrivelse. København: Schultz.
• Bohr, Niels, 1959. Atomfysik og menneskelig erkendelse. København: Schultz.
• Folse, Henry J., 1985. The Philosophy of Niels Bohr: The Framework of Complementarity. Amsterdam: North-Holland.
• Murdoch, Dugald, 1990 (1987). Niels Bohr's Philosophy of Physics. Cambridge: Cambridge University Press.
• Ottó Elíasson, 2010. ,,Hvers konar veruleika lýsir skammtafræði?“ Tímarit um raunvísindi og stærðfræði 7, (1), 29-44. http://raust.is/2010/1/04/ raust.is/2010/1/04. Skoðað 19.01.2015.
• Pais, Abraham, 1991. Niels Bohr's Times, In Physics, Philosophy, and Polity. Oxford: Clarendon Press.
• Wikipedia, „Niels Bohr“. Niels Bohr - Wikipedia, the free encyclopedia. Skoðað 18. jan. 2016.
• Þorsteinn Vilhjálmsson, 2009. ,,Skammtafræði í ljósi vísindasögu og heimspeki.“ Tímarit um raunvísindi og stærðfræði, 6, (1), 59--72. http://raust.is/2009/1/08/. Skoðað 29.06.2015.
• Þorsteinn Vilhjálmsson (ritstj.), 2015. Einstein, eindir og afstæði: Tímamótagreinar Einsteins frá 1905. ÞV þýddi og ritstýrði, Jakob Yngvason, Þorsteinn Halldórsson og ÞV rituðu inngangskafla. Reykjavík: Hið íslenska Bókmenntafélag.

Myndir:

• File:Niels Bohr 1935.jpg - Wikimedia Commons. (Sótt 27.01.2016).
• File:Bohr-atom-PAR.svg - Wikimedia Commons. (Sótt 27.01.2016). Birt undir leyfinu Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.
• Niels Bohr - Wikipedia, the free encyclopedia. (Sótt 27.01.2016).
• Einstein, Bohr and John Wheeler | Manjit Kumar's Random Walks. (Sótt 27.01.2016).

...