100 лет атому Бора, отмеченные на родине знаменитой теории

23 Ноября 2013 в 16:00, Лилиана Пертенава 1 809 просмотров 17
niels_and_margrethe_bohr_600

Нильс Бор с женой Маргарет, 30-е годы

В год празднования столетия теории атома, с которой, как принято считать, началась квантовая механика, мне довелось поехать на родину открытия – в Копенгаген. Ещё при подготовке к поездке было принято твердое решение обязательно попасть в Институт Нильса Бора и посмотреть, как там всё устроено.

Немного истории. В 1913 году была опубликована революционная статья датского физика Нильса Бора «О строении атомов и молекул» (оригинальный текст статьи по ссылке).

Бору к тому моменту не исполнилось 27 лет, а он уже получил доктора наук в Копенгагенском университете, а также успел поработать с именитым ученым-физиком Томпсоном в Кембридже, правда, сотрудничество вышло неудачным. Томпсон был велик, но слегка зашорен: молодой ученый сходу сделал английскому гуру физики несколько замечаний и указал на ошибку в вычислениях. Закончилось тем, что Бор вскоре уехал от Томпсона в Манчестер к новому знакомому Резерфорду. Резерфорда все читатели, надеюсь, помнят по планетарной модели атома из курса школьной физики. Именно общение с учителем и, впоследствии, другом Резерфордом и привело к появлению теории атомов. Прошло всего 3 месяца со дня переезда в Манчестер, и когда кто-то из студентов просил Резерфорда объяснить, как устроен атом, тот отвечал: «Спросите у Бора».

В 1922 году датскому ученому была присуждена Нобелевская премия по физике. Альберт Эйнштейн писал о модели Бора:

Было так, точно из-под ног ушла земля, и нигде не было видно твердой почвы, на которой можно было бы строить. Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем — Бору — найти главнейшие законы спектральных линий и электронных оболочек атомов… Это кажется мне чудом и теперь. Это — наивысшая музыкальность в области мысли.

Граждане Дании соотечественника-лауреата чествовали как ненормальные, тот же продолжал трудиться над теоретическими выкладками еще много последующих лет. Главным же своим научным достижением Бор считал принцип соответствия, который стал одной из основ методологии современной науки. Хотя, конечно, наследие гения гораздо шире.

Фигура Бора вызывала мой интерес давно. Во многом, потому что он был не только великим физиком, но и гуманистом, а также философом. Во времена подъема Рейха ряд ученых во имя науки начали работать над развитием ядерной физики и созданием оружия массового поражения нового поколения – атомной бомбы. Бор, спасаясь от нацистов в разгар Второй мировой, хоть и был вынужден некоторое время сотрудничать по аналогичным проектам в США, все-таки выражал категоричную позицию и говорил об атомной угрозе с политиками на самом высоком уровне, вплоть до Рузвельта. Особенно после того, как прогремели Хиросима и Нагасаки, а ядерные испытания проводились по всему миру чуть ли не «на заднем дворе» и в США в том числе.

752px-Exercise_Desert_Rock_IV_(Tumbler-Snapper_Dog)_001

В 1950 году Бор написал открытое послание в ООН и выразил обеспокоенность продолжающейся огромными темпами милитаризацией атома, а также разобщением ученых. Как мы знаем, это не сильно помогло. За дружбу с Петром Капицей Бора считали шпионом, холодную войну остановить было уже никак невозможно, но позиция ученого достойна уважения.

Бор был уникальным по научным и коммуникативным способностям человеком. Он много времени посвящал созданию международного сотрудничества в области физики, главным результатом этих усилий стало появление полноценного сообщества ученых многих стран, в том числе из СССР. В частности, его учеником был Лев Ландау. На вопрос, как ему удается объединять столь разных по темпераменту гениальных и сложных людей, особенно новое поколение физиков, Бор ответил, что просто «не боится показаться глупым перед молодежью».

Еще три причины, по которым я интересуюсь историей физики. Некоторое время назад мне довелось работать на научно-производственном предприятии, базировавшемся на физфаке МГУ, все коллеги и начальство были физики (и один биолог). В данный момент работаю в венчурном фонде Runa Capital, экосистема которого во многом сформирована МФТИ (Физтех) (одного из ведущих физико-математических вузов страны, российского MIT), основатели Фонда – выпускники Физтеха, а также сооснователи Российского квантового центра и фонда QWave Capital (первый в мире фонд, делающий инвестиции в квантовые технологии). Кстати, Юджин Ползик (Eugene Polzik), автор пионерских исследований в области экспериментальной квантовой оптики и квантовой коммуникации, Ph.D. председатель исполнительного комитета Российского квантового центра, является по совместительству профессором Института Нильса Бора, директором Датского центра квантовой оптики, академиком Королевской академии наук Дании. Но моя поездка в NBI была, можно сказать, «дикарской», то есть полностью самостоятельной. Сама я окончила Гидрометеорологический университет в Петербурге, где первые два курса изучала физику атмосферы.

Надо сказать, что я совершенно не ожидала, насколько масштабными будут празднования столетия теории Бора. Весь Копенгаген был увешан плакатами с фото ученого, в музеях и библиотеках проходили открытые мероприятия и лекции, посвященные физике. Конечно, Дания небольшая страна, но все-таки такая сосредоточенность на научном событии, согласитесь, приятно удивляет и как-то радует.

Примечательно, что национальный банк Дании выпустил монеты, посвященные юбилею теории атома.  Презентация монет как раз и была намечена на тот самый понедельник, когда я нацелилась посетить альма-матер квантовой механики.

фото 2

Niels Bohr Institute (NBI) действует как часть большого Копенгагенского Университета и находится на государственном обеспечении. Ученые института, помимо научной деятельности, читают лекции студентам, принимают экзамены и работают с аспирантами. Нильс Бор, которого еще называют одним из «отцов» ядерной физики, основал институт в 1920 году и руководил им до конца своих дней.

Институт Нильса Бора

Так вот, в тот праздничный понедельник я попала в Институт Бора безо всяких проблем — никаких проходных, никакой охраны. Казалось, что посещаю вовсе не научное учреждение, наполненное гениями и огромным количеством дорогостоящей аппаратуры, а студенческий кампус. Стены завешаны плакатами научных событий, ярмарок и выставок, а также постерами фильмов о Боре и его наследии.

После 20-минутной прогулки по главному корпусу, подумалось, что пора войти в контакт с кем-то из сотрудников.

На ресепшене не удивились, а сразу же позвали штатного экскурсовода. Это была милая дама преклонных лет по имени Герти. Она отреагировала на меня воодушевленно. Я заверила даму, что мой материал прочитают многие фанаты физики и науки из России, и что всем им интересно будет вместе со мной немного прикоснуться к истории квантовой физики.

Штатный экскурсовод деловито повела меня по коридору и по лестницам. Как оказалось, первая остановка – рабочий кабинет Нильса Бора. Классический скромный интерьер: зеленые драпированные стены и коричневая мебель. На одной из стен, при ближайшем рассмотрении – подборка коллективных фото всех сотрудников Института в разные годы. Видно и самого Бора на каждом фото, вплоть до 1962 года.

Фото из кабинета Бора

Моя проводница начала рассказ с того, что денег на институт дал пивовар Карлсберг. Выяснилось,  что пивовар был не просто успешный предприниматель, а фанат науки и огромнейшие деньги регулярно жертвовал ученым. При этом, сам очень любил пользоваться научными достижениями в производстве. Сейчас пивоварни Карлсберга назвали бы «инновационными».
Бор стал национальной знаменитостью, как только опубликовал свою теорию и начал участвовать в дебатах по ее защите, и благодаря своему влиянию смог сделать Институт ведущим центром исследований в теоретической физике.

В одной из комнат института некоторое время жил немецкий физик Вернер Гейзенберг. В середине 20-х они вместе с Бором в этом самом институте совершали революцию в физике. Именно разговоры и споры с Гейзенбергом подтолкнули Бора к формулированию принципа дополнительности, по которому, в том числе, атом может проявлять себя как частица и как волна. Роль принципа дополнительности была очень велика для физики, Паули всерьез предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности.

Знаменитый парадокс кота Шредингера, кстати, появился от желания автора доказать неправоту «копенгагенской интерпретации» Бора. Спорили они на протяжении нескольких дней в ходе одной из all physics stars конференций в 1926 году. На стенах кабинета Бора также масса фотографий из путешествий: в Китай и СССР. Герти рассказывает, что жена Бора была ему невероятно предана и совершенно не обиделась, когда еще в начале карьеры вместо свадебного путешествия муж повез ее в Манчестер к Резерфорду. Кстати, у Бора было 6 детей.
Следующим пунктом была Аудитория.

Волнительно

Копенгаген в начале века стал притягивать молодых амбициозных физиков, в основном благодаря репутации Бора, как главного европейского радикала со множеством очень нестандартных идей. Многие из энтузиастов собирались именно в этой аудитории, чтобы полемизировать и оттачивать новую физику – квантовую механику. Бор лично спроектировал черную доску для формул, сделал серию досок, которые поднимаются и опускаются как уступы, чтобы ему не приходилось останавливать повествование для протирания. Ни минуты на ветер! Еще Бор мог генерировать научные идеи прямо на ходу, но ему обязательно требовался слушатель, поэтому Аудитория была идеальным местом. Собрания ученых в этой небольшой аудитории носили неформальный и веселый характер. Например, если Гейзенбергу что-то не нравилось в обоснованиях коллег, он буквально дудел в дуду. Другие ученые громко стучали по столам.

Семинар Бора в Институте теоретической физики в Копенгагене, 1930. В первом ряду: Клейн, Бор, Гейзенберг, Паули, Гамов, Ландау, Крамерс.

Невозможно себе представить, какая атмосфера, какая жизнь, какая интеллектуальная активность царили в Копенгагене в это время. Бор был рядом, мы видели его работающим, разговаривающим, живущим среди молодых, весёлых, жизнерадостных энтузиастов. Они приближались к глубочайшим тайнам материи, одержимые духом свободы, духом борьбы и радости, которую невозможно описать, — писал молодой участник собраний Вейскопф, впоследствии профессор MIT и участник Манхэттенского проекта.

После аудитории Герти повела меня по лабораториям. Физики из МГУ однажды сказали мне, что настоящий физик — это тот, кто способен сделать необходимый прибор своими руками, то есть инженер.

В Институте Бора исследования проводятся по нескольким направлениям:

— Астрономия

— Геофизика и климат

— Физика элементарных частиц

— Квантовая физика

— Биофизика

— Физика конденсированного состояния

— E-Science в рамках проекта, по построению грид-инфраструктуры (распределенных вычислений)

Мне удалось побывать в лабораториях комплекса квантовой физики Института, а именно на отделении квантовой оптики (QUANTOP).

Стеллажи до потолка заполнены микросхемами и железными конструкциями, отовсюду свисают провода, и где-то в глубине огромного помещения два молодых человека что-то обсуждают на ломаном английском. Аспиранты – Анди из Германии и Луи из Франции. Я попросила рассказать об их работе.

Лаборатория

Анди начал с того, что в QUANTOP работает пять групп ученых, и целью его группы является создание источника фотонов, обладающих теми же свойствами, которые описаны в ЭПР-парадоксе (названного в честь Эйнштейна, Подольского и Розена), то есть, чтобы было возможно одновременно точно измерить координату и импульс (скорость) частицы. Это позволит соединить результаты их эксперимента для взаимодействия с атомами цезия, которые используют для параллельных экспериментов. Работа его группы является промежуточным шагом по изучению неклассических состояний света и частью большого эксперимента по квантовой обработке информации. На мой попсовый вопрос про квантовый компьютер аспиранты отреагировали удивленно: «Это, конечно, важно! Но сначала надо понять множество фундаментальных принципов!»

На этом мое пребывание в Институте подошло к концу. Два часа пролетели незаметно. Герти предложила оставить отзыв в книге для посетителей и я с удовольствием написала:

Спасибо институту и лично Герти за прекрасную экскурсию. Я своими глазами увидела современную науку, которая открыта для всех. И современный научный институт, в который хочется возвращаться. Happy Birthday Neils Bohr!

На календаре было 7 октября 2013 года.

Ну и напоследок эпическая фотография с научной конференции мечты, где, как гласит «Википедия», «состоялась знаменитая дискуссия между Эйнштейном, пытавшимся спасти детерминизм, и Нильсом Бором, понявшим раньше многих, что возврат к детерминизму уже невозможен, ибо Планк «открыл универсальный квант действия, обнаруживший черты целостности в атомных процессах, совершено чуждые идеям классической физики и превосходящие доктрину древних о предельной делимости материи». Таким образом, в физику было впервые введено утверждение о наличии индетерминизма на субатомном уровне, совершился величайший переворот, определивший лицо физики 20 века.»

V Сольвеевский конгресс (1927) «Электроны и фотоны» (обновленная цветом фотография)

1376507447_514273426

 

1-й ряд (слева направо): Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Кюри, Хенрик Лоренц, Альберт Эйнштейн, Поль Ланжевен, Шарль Гюи, Чарльз Вильсон, Оуэн Ричардсон.

2-й ряд (слева направо):  Петер Дебай, Мартин Кнудсен, Уильям Брэгг, Хендрик Крамерс, Поль Дирак, Артур Комптон,  Луи де Бройль,  Макс Борн, Нильс Бор.

Стоят (слева направо): Огюст Пикар, Эмиль Анрио, Поль Эренфест, Эдуард Герцен, Теофил де Дондер, Эрвин Шрёдингер, Жюль Эмиль Вершафельт, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Ральф Фаулер, Леон Бриллюэн.

Внимание! Специально для вас, дорогие читатели, мы решили разыграть парочку «трофеев» из Института Бора — футболку Института Бора и плакат к столетию Теории Атома. Призы получит тот, кто первый в комментариях к этой статье правильно ответит на следующий вопрос:

Как известно, модель атома Резерфорда для наглядности сравнивают с планетарной системой. С чем для наглядности можно сравнить модель атома водорода по Бору?

UPD: У нас есть победители! Юбилейная футболка и плакат отправляются к QZMIND, также плакат получает IDMITRIEV. Поздравляем!

100 лет атому Бора, отмеченные на родине знаменитой теории

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

17 комментариев

  1. gammacide

    Максимум что пока приходит в голову - движение шарика в рулетке. Как пример стационарного движения по круговой орбите.

  2. Huginn

    Может сравнивают с моделью Земли и Луны, т.к. у водорода один протон и один электрон.

  3. Лилиана Пертенава

    Спасибо за комментарии!
    Но пока верного сравнения среди них ещё нет)

  4. Bezdelnik

    Со сферой.

  5. lkm80

    С Сатурном и его кольцами, т.к в какой точке находиться электрон в данный момент это относительно.

  6. qzmind

    Бор предположил, что угловой момент электрона квантуется. Далее он показал, что в этом случае электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.

  7. kostabear

    Центрифуга?

  8. idmitriev

    Скорее всего имеется ввиду механизм перехода электрона между разрешёнными орбитами - квантовый скачок. Очень похоже на движение по ступенькам лестницы

  9. qzmind

    Другой вариант это сравнение с многоэтажным домом, в котором электроны расположены на энергетических уровнях как на этажах дома. То есть если мы изобразим энергетическую диаграмму атома в целом, то получится своеобразный "многоэтажный дом" с квартирами – квантовыми ячейками в которых находятся электроны. При этом при смене электроном своей "квартиры" (читай орбиты) происходит излучение энергии.

    Это подсмотрел в документальном фильме Atom от BBC. Всем рекомендую.

  10. ROSSIMBOL

    Атом потихонечку "сошел с ума".
    Сначала была простая и наглядная планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, кажется, в 1911году. Но вскоре ее "продинамили" по строгим законам классической электродинамики.
    На смену ей пришла модель Бора, построенная на четырех постулатах и законах квантовой механики. А затем кто только не прикладывал к атому руку! И Шрёдингер, и Гейзенберг, и Борн, и Паули, и Планк, и Дирак, и группа неизвестных химиков, подогнавших атом под свои химические нужды...
    В итоге атом теперь -это нечто бесформенное и туманное: то ли груша, то ли гантель, то ли струна, то ли радуга, наверное, в зависимости от энергетического или трезвого состояния то ли атомов, то ли физиков...

  11. stepan

    Ну приложили руку не менее великие а именно на ровне с Бором.
    Бора уважаю бесконечно,в отличие от Эйнштейна.
    Меня всегда волновал вопрос смены уровней электрона(об орбитах говорить не приходиться-есть ли они?)-а что между уровнями ,за кем и чем зарезервированны?
    Наверное атом в том смысле в. котором мы его ,,знаем,, гораздо более сложно устроенная штучка)).
    Может в нём есть место и для тёмной материи? Ведь в таком случае очень многое надо будет пересмотреть,если даже они просто постулируемы.
    Про тёмную энергию молчу,но ведь ясно-грандиознее чем атомная...






  12. collaps

    Скорее похоже на ядро, вокруг которого проложены желобки или лыжня (энергетические уровни) только по которым разрешено движение электрона.

  13. Сергей Грэй

    Рискну предположить, что это Земля, вокруг которой вращается Луна )

  14. Лилиана Пертенава

    Итак, у нас есть правильный ответ. Поздравляю QZMIND!

    Именно сравнение с многоэтажным домом часто используется при пояснении теории Бора об атоме.
    Данное сравнение значительно отличается от планетарной модели и позволяет продемонстрировать концепцию строения атома водорода, которая и стала революционной в своё время.

    Юбилейную футболку и плакат направим победителю!! По деталям пишите в твиттер или FB.

    ***
    Также спасибо за все комментарии - множество глубоких и интересных идей.

    У меня есть еще один плакат (так сказать, запасной) его я хотела бы в качестве 'поощрительного' презента отдать IDMITRIEV т.к. сравнение с лестницей было наиболее близким к правильному. В общем, сюрприз)

    ***
    Фильм BBC 'Атом', действительно, отличный. Если кто-то еще не видел - рекомендую!

    Спасибо всем!

    • stepan

      Наиболее близка к правильному...
      Наверное всё же к общепринятому?

      • Лилиана Пертенава

        В данном конкретном случае: 'правильный' ответ = общепринятой интерпретации)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.