Niels Bohr: Viata si contributia sa in domeniul fizicii

Niels Bohr a fost un fizician danez considerat unul dintre cei mai importanti fiziceni ai secolului XX. A fost primul care a aplicat conceptul de cuanta, ce restrictioneaza energia unui sistem la anumite valori discrete, la problema structurii atomice si moleculara. Pentru activitatea sa a primit in 1922 Premiul Nobel pentru fizica. Rolul sau complex in initierea si dezvoltarea fizicii cuantice reprezinta cea mai mare contributie a sa, insa de-a lungul lungii sale cariere implicarea lui a fost mult mai extinsa, atat in lumea fizicii, cat si in afara ei.

Tineretea

Bohr a fost al doilea dintre cei trei copii nascuti intr-o familie de burghezi instariti din Copenhaga. Mama lui, Ellen era fiica unui bancher evreu important. Tatal sau, Christian, a devenit profesor de fiziologie la Universitatea din Copenhaga si a fost nominalizat de doua ori pentru Premiul Nobel.

Cand s-a inscris la Universitatea din Copenhaga, in 1903, Bohr stia ca va studia fizica. Cercetarea si educatia in acest domeniu se desfasurau in incaperile stramte ale Institului Politehnic, inchiriat universitatii in acest scop. Bohr si-a obtinut doctoratul in 1911 cu o disertatie despre teoria electronica a metalelor.

La 1 august 1912, Bohr s-a casatorit cu Margrethe Norlund, iar casatoria s-a dovedit a fi una foarte fericita. De-a lungul intregii sale vieti, Margrethe a fost consilierul sau cel mai de incredere. Au mai avut sase fii, dintre care ai patrulea, Aage N. Bhor a fost unul dintre cei trei laureati ai Preminului Nobel pentru fizica din 1975, acordat pentru modelul colectiv al nucleului atomic propus la inceputul anilor 1950.

Prima contributie a lui Bohr la noua idee a fizicii cuantice s-a concretizat in 1912 in timpul a ceea ce a zi s-ar numi cercetare postdoctorala, in Anglia, alaturi de Ernest Rutherford de la Universitatea din Manchester. Cu doar un an ininte, Rutherford si colaboratorii sai descoperisera pe cale experimentala ca atomul era alcatuit dintr-un nucleu greu cu o incarcatura pozitiva, in jurul caruia la o distanta considerabila, gravitau electroni incarcati negativ si cu o greutate mult mai mica. Conform fizicii clasice, un astfel de sistem ar fi fost instabil, iar Bohr s-a simtit obligat sa arate, intr-o fundamentala trilogie de articole publicate in “The Philosophical Magazine” in 1913, ca electronii pot ocupa doar orbite arbitrare, determinante de cuantumul actiunii, si ca radiatiile electromagnetice dintr-un atom apareau doar atunci cand un electron sarea de pe o orbita cu energie mai joasa. Desi era radical si inacceptabil pentru cei mai multi fizicieni ai vremii, modelul atomic Bohr a contribuit la aflarea pe cale experimentala a multor date, incepand cu seria de linii spectrale emise de hidrogen.

In primavara lui 1916, lui Bohr i s-a oferit un nou post de profesor la Universitatea din Copenhaga, dedicata fizicii teoretice; aceasta era a doua catreda de fizica de acolo. Pentru ca fizica inca era studiata in incaperile stramte ale Institutului Politehnic, nu era surprinzator ca in primavara lui 1917 Bohr a redactat o scrisoare lunga adresata facultatii, in care cerea infiintarea unui Institut de Fizica Teoretica. In discursul inaugural pentru noul institut la 3 martie 1921, a pus accentul intai pe faptul ca, experimentele si cei care le deruleaza sunt indispensabil pentru un institut de fizica teoretica, pentru ca ei testeaza afirmatiile teoreticienilor. Apoi si-a aratat ambitia de a transforma noul institut intr-un loc in care generatiile tinere de fizicieni sa propuna idei proaspete. Desi a inceput cu un personal redus, institutul lui Bohr a indeplinit aceste obiective la superlativ.

Premiul Nobel

Inca dintre cele trei studii publicate in 1913, Bohr urma sa-si aplice teoria pentru a intelege tabelul periodic al elementelor. A imbunatatit acest aspect al cercetarilor sale, la inceputul anilor 1920. La acea vreme dezvoltase deja o schema elaborata prin care construia tabelul periodic adaugand electronii unul dupa altul la atom, urmand modelul sau atomic. In 1922, cand Bohr a primit Premiul Nobel pentru activitatea sa, fizicianul si chimistul maghiar Georg Hevesy, alaturi de fizicianul Dirk Coster din Olanda, lucrau la institutul lui Bohr pentru a dovedi prin experiment ca elementul atomic 72 inca nedescoperit se comporta asa cum prezicea teoria lui Bohr. Au reusit in 1923, dovedind astfel puterea teoriei lui Bohr si adevarul practic al vorbelor pe care le rostise la inaugurarea institutului despre rolul important al experimentului. Elementul a fost denumit hafniu (termenul latin pentru Copenhaga).

Printre fizicienii care lucrau la institutul lui Bohr in perioada interbelica, “spiritul Copenhaga” reprezenta mediul social special de acolo, care insemna o atmosfera foarte degajata, ocazia de a vorbi despre fizica fara a fi preocupat de alte lucruri si, pentru cei care aveau acest privilegiu, oportunitatea unica de a lucra cu Bohr.

In ciuda activitatii sale experimentale importante efectuate de Hevesy, Coster si de altii, teoreticienii erau cei care deschideau drumul. In 1925, Werner Heisenberg din Germania a dezvoltat revolutionara mecanica cuantica; aceasta spre deosebire de predecesoarea sa, asa numita “veche teorie a cuantumului” care se baza pe fizica clasica, a reprezentat o teorie complet independenta. In timpul anului academic 1926-1927 la Heisenberg a fost asistentul lui Bohr la Copenhaga, unde a formulat principiul fundamental al incertitudinii ca postulat al mecanicii cuantice. Bohr, Heisenberg si alti cativa au inceput sa dezvolte ceea ce a devenit cunoscut interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice, care inca reprezinta baza conceptuala a teoriei.

Un element central al interpretarii Copenhaga este principiul complementaritatii al lui Bohr, prezentat pentru prima data in 1927 la o conferinta din Como, Italia. Conform acestui principiu, la nivel atomic, un fenomen fizic este exprimat diferit, in functie de cadrul experimental folosit pentru a-l analiza. Astfel, lumina apare uneori sub forma de valuri si alte ori sub forma de particule, pentru explicatie completa trebuie sa fie luate in considerare ambele aspecte, care, conform fizicii clasice, sunt contradictorii. Celelalt personaj marcant al fizicii din secolul XX, Albert Einstein nu a acceptat niciodata interpretarea Copenhaga, facand faimoasa declaratie impotriva implicatiilor probabilistice ale acesteia: “Dumnezeu nu joaca zaruri”.

In stanga in imagine, Niels Bohr si Albert Einstein intr-o dezbatere acasa la Paul Ehrenfest, in Leiden (decembrie 1925)

Discutiile dintre Bohr si Einstein, mai ales dintre renumitele serii de Conferinte Solvay despre fizica, din 1927 si 1930, fac parte dintre cele mai importante si mai inspiratoare polemici intre fizicienii din secolul XX.

Pentru tot restul vietii lui, Bohr a lucrat pentru a generaliza complementaritatea ca idee aplicabila si in multe alte domenii in afara de fizica.

Fizica nucleara

La inceputul anilor 1930, Bohr si-a folosit inca o data priceperea de a strange fonduri si viziunea unei combinatii productive intre teorie si experiment. Si-a dat repede seama ca frontul de cercetare in fizica teoretica se indrepta de la studiul atomului ca intreg la studiul nucleului sau. Bohr a apelat la Fundatia Rockefeller, al carui program de “biologie experimentala” era conceput pentru a imbunatatii conditiile de cercetare a stiintelor vietii. Alaturi de Hevesy si de fiziologul danez August Krogh, Bohr a cerut sprijin financiar cu scopul de a construi un ciclotron – un fel de accelerator de particule inventat recent de Ernest O. Lawrence in Statele Unite – ca instrument de a derula studii in domeniul biologiei. Cu toate ca Bohr intentiona sa utilizeze ciclotronul in primul rand pentru cercetare in fizica nucleara, acesta putea produce si izotopi ai elementelor implicate in procese organice, facand posibila mai ales extinderea metodei cu indicatori radioactivi, inventata si promoveaza de Hevesy, si in domeniul biologiei.

In afara de sprijinul primit de la Fundatia Rockefeller, Bohr a mai primit fonduri si din alte surse daneze pentru ciclotron si alte echipamente pentru studiul atomului.

Asa cum legatura stransa dintre teorie si experiment se dovedise productiva pentru fizica atomica, aceeasi legatura avea sa-si dovedeasca inca o data eficienta in anul 1938, dupa ce fizicienii germani Otto Hahn si Fritz Strassmann facusera descoperirea experimentala neasteptata si neexplicata ca atomul de uraniu se poate scinda in doua jumatati aproximativ egale cand este bombardat cu neutroni, doi fizicieni austrieci apropiati ai lui Bohr – Lise Meitner si nepotul ei Otto Robert Frisch – au sugerat aplicatia teoretica, bazata pe teoria recenta a lui Bohr privind nucleul compus.

Explicatia avea sa fie confirmata curand prin experimente de catre Meitner si Frisch la institut. La inceputul anului 1939, Bohr se afla in Statele Unite, unde demarase o cursa stransa pentru a dovedi experimental asa-numita fisiune nucleara, dupa ce se aflase vestea experimentelor germane si a explicatiei lor.

In Statele Unite, Bohr a avut o activitate de pionierit in explicarea teoretica a fisiunii, alaturi de tanarul sau coleg american John Archibald Wheeler, la Universitatea Princeton.

Bohr a simtit consecintele regimului nazist aproape imediat dupa ce Adolf Hitler a venit la putere in Germania in 1963; mai multi dintre colegii sai evrei la origine, si-au pierdut slujba si orice speranta in tara lor natala. Bohr si-a folosit legaturile pe care le avea cu fundatii renumite si cu nou-infintatul Comitet Danez pentru Sprijinul Intelectualilor Refugiati, din al carui comitet executiv facea parte inca de la crearea acestuia, in 1933, pentru a-i scoate pe fizicienii din Germania si a-i aduce temporar la institut, pana la obtinerea unei slujbe permanente in alta parte, de cele mai multe ori in Statele Unite.

Bomba atomica

Dupa descoperirea fisiunii, Bohr era foarte constient de posibilitatea teoretica de a crea bomba atomica. Insa, dupa cum a anuntat in prelegerile tinute in Danemarca si Norvegia chiar inainte de a ocuparea ambelor tari de catre Germania, in aprilie 1940, considera ca dificultatile de ordin practic impun interzicerea realizarii unei bombe atomice pana dupa terminarea razboiului. Nici macar cand Heisenberg, in timpul vizitei sale in Copenhaga in 1941, i-a povestit despre rolul sau intr-un proiect german pentru o bomba atomica, Bohr nu a renuntat la convingerea sa.

La inceputul lui 1943, Bohr a primit un mesaj secret de la colegul sau britanic James Chadwick, in care il invita in Anglia pentru a se alatura unei activitati stiintifice importante. Cu toate ca scrisoarea lui James Chadwick era formulata foarte vag, Bohr a inteles imediat ca acea activitate implica dezvoltarea unei bombe atomice.

Convins insa de lipsa de fezabilitate a unui astfel de proiect, Bohr a raspuns ca era mai mare nevoie de ele in Danemarca ocupata.

In toamna anului 1943, situatia politica din Danemarca s-a schimbat dramatic dupa ce guvernul danez a incetat sa mai colaboreze cu fortele de ocupatie germane. Dupa ce a fost avertizat in privinta arestarii iminente, Bohr a fugit impreuna cu familia sa in Suedia cu o ambarcatiune. In timp ce se afla la Stockholm a primit din nou invitatia in Anglia, iar Bohr a fost adus cu un avion militar in Scotia, apoi la Londra.

Dupa doar cateva zile i s-a alaturat fiul sau Aage, fizician in varsta de 21 de ani, care avea sa fie asistentul indispensabil al tatatui sau pe timpul absentei din Danemarca.

La sosirea in Londra, dupa ce i s-a explicat stadiul in care se afla proiectul bombei atomice a Aliatilor, Bohr s-a razgandit imediat in privinta fezabilitatii acesteia. Ingrijorat de faptul ca Germania derula un proiect asemanator, Bohr s-a alaturat proiectului Aliatilor.

Dupa ce a luat parte timp de mai multe saptamani la activitatile din Los Alamos, New Mexico, SUA, pentru dezvoltarea bombei atomice, a adus contributii tehnice semnificative, mai ales la proiectarea asa-zisului lansator de bombe cu plutoniu.

Insa rolul sau cel mai important, dupa cum spunea J.Robert Oppenheimer, e acela de “duhovnic al stiintei pentru tineri”.

La inceptul exilului sau, Bohr s-a convins ca existenta acelei bombe este “nu doar necesara, ci, din cauza nevoii de incredere reciproca, reprezinta un element care ar facilita o noua abordare fata de problemele relatiilor internationale.”

Primul pas catre evitarea unei curse a inarmarii nucleare postbelice ar fi sa informeze pe aliatii din razboi, Uniunea Sovietica despre acest proiect. Bohr a inceput o campanie solitara, in care a reusit sa obtina chiar intrevederi personale cu prim-ministrul britanic Winston Churchill si cu presedintele SUA Frenklin D. Roosevelt. Insa nu a reusit sa-i convinga pe niciunul dintre ei; mai mult, a fost banuit de Churchill ca este spion al rusilor. Dupa razboi, Bohr a insistat in misiunea lui de a realiza ceea ce el numea o “lume deschisa” intre natiuni, continuandu-si contactele confidentiale cu oamenii de stat si scriind o scrisoare deschisa catre ONU in 1950.

Lui Bohr i s-a permis sa se intoarca acasa abia dupa lansarea bombei atomice asupra Japoniei in august 1945. In Danemarca a fost intampinat ca un erou, unele ziare laudandu-l si numindu-l cu mandrie danezul care a inventat bomba atomica.

A continuat sa conduca si sa extinda institutul si a ocupat un rol central in dezvoltarea postbelica a fizicii.

La nivel national, a contribuit la infiintarea centrului de cercetare de la Riso langa Roskilde la doar cativa kilometri de Copenhaga, creat pentru a pregati introducerea puterii nucleare in Danemarca, fapt care, insa nu s-a intamplat niciodata.

La nivel international, a contribuit la infiintarea CERN, Centrul European pentru Fizica Experimentala cu Particule de langa Geneva, Elvetia, si a Institutului Nordic de Fizica Atomica (Nordita), langa institutul sau. Bohr a lasat o mostenire stiintifica neegalata si un institut care este si astazi unul dintre cele mai mari centre de fizica teoretica din lume.

Articolul este preluat, cu acordul editorilor, din Enciclopedia Britannica, volumul 2.

Enciclopedia Britannica poate fi achizitionata in fiecare vineri, impreuna cu Jurnalul National.

Daca ati pierdut un volum, il puteti comanda de pe siteul www.enciclopediabritannica.ro