Нільс Ге́нрик Дави́д Бор (, ; 7 жовтня 1885, Копенгаген — 18 листопада 1962, Копенгаген) — данський фізик-теоретик і громадський діяч, один із творців сучасної фізики. Лауреат Нобелівської премії з фізики (1922). Член Данського королівського товариства (1917) та його президент від 1939 року. Був членом більш ніж 20 академій наук світу.
Відомий як творець першої квантової теорії атома й активний учасник розробки основ квантової механіки. Зробив значний внесок у розвиток теорії атомного ядра та ядерних реакцій, процесів взаємодії елементарних частинок із середовищем.
Огляд життя і творчості
Сім'я. Дитинство і юність
Нільс Бор народився в родині професора фізіології Копенгагенського університету Християна Бора (1858—1911) й Еллен Адлер (1860—1930). Батьки Бора одружилися 1881 року.
Батька Нільса Бора двічі висували номінантом на Нобелівську премію з фізіології або медицини. Мати була донькою впливового та вельми заможного єврейського банкіра і парламентаря-ліберала (1826—1878) і Дженні Рафаел (1830—1902) із британської єврейської банкірської династії Д. Данин. Труды и дни Нильса Бора. — М.: Знание, 1985. — С. 8..
1 серпня 1912 року в Копенгагені Нільс Бор одружився із Маргарет Норлунд, сестрою близького друга його брата Гаральда — Нільса Еріка Норлунда, з якою Нільс Бор познайомився в 1909 роціР. Мур. Нильс Бор — человек и учёный. — М.: Мир, 1969. — С. 54..
Усього у Нільса і Маргарет було шестеро дітей (один син, Християн, загинув у юному віці). Один із них, Оге Бор, також став видатним фізиком, лауреатом Нобелівської премії (1975).
Брат Нільса Бора Гаральд був відомим математиком.
Молодість. Теорема Бора — ван Льовен (1885—1911) У школі Нільс виявив схильність до фізики й математики, а також до філософії. Цьому сприяли регулярні візити колег і друзів батька — філософа Гаральда Геффдінга, фізика Крістіана Крістіансена, лінгвіста Вільгельма Томсена. Близьким другом і однокласником Бора в цей період був його троюрідний брат по материнській лінії, відомий у майбутньому гештальт-психолог Едгар Рубін (1886—1951)Серед запропонованих ним оптичних ілюзій т. з. «» (1915)). Див.: Ранние годы Нильса Бора . Рубін залучив Бора до вивчення філософії.
Іншим захопленням Бора був футбол. Нільс і його брат Гаральд, згодом відомий математик, виступали за аматорський клуб «Академіск», перший — на позиції воротаря, а другий — півзахисника. Надалі Гаральд успішно грав за збірну Данії та виграв у її складі «срібло» на Олімпіаді 1908 року, де данська команда поступилася у фіналі англійцям.
У 1903 році Нільс Бор вступив до Копенгагенського університету, де вивчав фізику, хімію, астрономію, математику. Разом із братом організував студентський філософський гурток, учасники якого по черзі виступали з доповідямиА. Б. Мигдал. Вказ. твор. С. 305—306..
В університеті Нільс Бор виконав свої перші роботи з дослідження коливань струменя рідини для точнішого визначення величини поверхневого натягу води. Теоретичне дослідження 1906 року було відзначено золотою медаллю Данського королівського товариства. У наступні роки (1907—1909) воно було доповнене експериментальними результатами, отриманими Бором у фізіологічній лабораторії батька, і опубліковане за поданням корифеїв тодішньої фізики Вільяма Ремзі та лорда Релея.
У 1910 році Бору присуджено ступінь магістра, а в травні 1911-го він захистив докторську дисертацію за класичною електронною теорією металів. У своїй дисертаційній роботі Бор, розвиваючи ідеї Гендріка Лоренца, довів важливу теорему класичної статистичної механіки: магнітний момент будь-якої стаціонарної системи елементарних електричних зарядів, які рухаються за законами класичної механіки в сталому магнітному полі, дорівнює нулю. У 1919 році ця теорема була незалежно доведена Йоганною ван Льовен, нині вона має назву теореми Бора — ван Льовен. З неї безпосередньо випливає, що неможливо пояснити магнітні властивості речовини (зокрема, діамагнетизм), залишаючись у рамках класичної фізикиТеорема Бора — ван Лёвен // Физическая энциклопедия. — М.: БСЭ, 1988. — Т. 1, С. 225.. Це, мабуть, стало першим зіткненням Бора з обмеженістю класичного опису, що підштовхнуло його до розгляду питань квантової теорії.
Бор в Англії. Теорія Бора (1911—1916) У 1911 році Бор отримав стипендію від фонду Карлсберга для стажування за кордоном (у розмірі 2500 крон). У вересні 1911 року він прибув до Кембриджа, щоб працювати в Кавендіській лабораторії під керівництвом славнозвісного Джозефа Томсона. Однак співпраця не склалася: Томсона не зацікавив молодий науковець, який відразу ж вказав на помилку в одній із його робіт і до того ж погано розмовляв англійською. Згодом Бор так згадував про це: Я був розчарований, Томсона не зацікавило те, що його обчислення виявилися помилковими. У цьому була і моя провина. Я недостатньо добре знав англійську і тому не міг порозумітися… Томсон був генієм, який насправді вказав шлях всім… Загалом працювати в Кембриджі було дуже цікаво, але це було абсолютно марним заняттям.
Урешті-решт у березні 1912 року Бор переїхав до Манчестера, до Ернеста Резерфорда, з яким незадовго до того познайомився.
У 1911 році Резерфорд за підсумками своїх досліджень опублікував планетарну модель атома. Бор активно підключився до роботи з цієї тематики, чому сприяли численні обговорення з відомим хіміком Георгом Гевеші, який працював тоді в Манчестері, а також із самим Резерфордом. Початковою ідеєю було те, що властивості елементів визначаються цілим числом — атомним номером (заряд ядра), який може змінюватися внаслідок радіоактивного розпаду. Першим застосуванням резерфордівської моделі атома для Бора став розгляд процесів взаємодії альфа- та бета-випромінювання з речовиною в останні місяці свого перебування в Англії. Влітку 1912 року Бор повернувся до Данії.
У 1912 році, під час весільної подорожі до Англії та Шотландії, подружжя Борів відвідало Резерфорда у Манчестері. Бор передав йому свою підготовлену до друку статтю «Теорія гальмування заряджених частинок при їх проходженні через речовину» (вона була опублікована на початку 1913 року). Так було покладено початок тісній дружбі родин Борів і Резерфордів. Спілкування з Резерфордом суттєво вплинуло як у науковому, так і в особистісному плані на подальшу долю Бора. Через багато років він писав: Дуже характерною для Резерфорда була доброзичливість, яку він виявляв до всіх молодих фізиків, з якими йому доводилося довго або коротко мати справу. <…> Для мене Резерфорд став другим батьком. Після повернення до Копенгагена Бор викладав в університеті, водночас інтенсивно працюючи над квантовою теорією будови атома. Перші результати були викладені ним у чернетці, надісланій Резерфорду ще в липні 1912 року, яка отримала назву «Резерфордівський меморандум». Проте вирішальних успіхів було досягнуто наприкінці 1912 — початку 1913 року. Ключовим моментом стало ознайомлення в лютому 1913 року із закономірностями розташування спектральних ліній і загальним комбінаційним принципом для частот випромінювання атомів. Згодом і сам Бор казав:
Як тільки я побачив формулу Бальмера, питання стало мені негайно зрозумілим.
У березні 1913 року Бор надіслав попередній варіант статті Резерфорду, а у квітні поїхав на кілька днів до Манчестера для обговорення своєї теорії і 5 квітня 1913 року надіслав роботу до редакції. Підсумком проведеної роботи стали три частини революційної статті «Про будову атомів і молекул»Перша частина доступна за посиланням: On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I, Phil. Mag., Vol. 26, p. 1—24 (1913)., опублікованої у журналі «Philosophical Magazine» у липні, жовтні та грудні 1913 року, які містять квантову теорію воднеподібного атома.
У теорії Бора виділяють два основні компоненти: загальні твердження (постулати) про поведінку атомних систем, які зберігають своє значення та всебічно перевірені, і конкретна модель будови атома, що становить у наші дні лише історичний інтерес. Постулати Бора містять припущення про існування стаціонарних станів і про випромінювальні переходи між ними відповідно до уявлень Планка про квантовані енергії речовини. Модельна теорія атома Бора виходить із припущення про можливість опису руху електронів в атомі, який перебуває у стаціонарному стані, на основі класичної фізики з додатковими квантовими умовами (наприклад, квантування моменту імпульсу електрона).
Теорія Бора відразу ж дозволила обґрунтувати випромінення і поглинання випромінювання в серіях спектра водню, а також пояснити (з поправкою на наведену масу електрона) воднеподібні спектри з напівцілими квантовими числами, які спостерігалися раніше Чарлзом Пікерінгом та Альфредом Фаулером, як ті, що належать іонізованому гелію. Блискучим успіхом теорії Бора стало теоретичне обрахування значення сталої Рідберґа.
Робота Бора відразу привернула увагу фізиків і простимулювала бурхливий розвиток квантових уявлень. Його сучасники належно оцінили важливий крок який зробив данський науковець. Так, у 1936 році Резерфорд писав: Я вважаю первісну квантову теорію спектрів, впроваджену Бором, однією з найреволюційніших з усіх коли-небудь створених в науці, і я не знаю іншої теорії, яка мала б більший успіх.Э. Резерфорд. Избр. науч. тр. — М.: Наука, 1972. — С. 490.
У 1949 році Альберт Ейнштейн так згадував про свої враження від знайомства з теорією Бора: Всі мої спроби пристосувати теоретичні основи фізики до цих результатів [тобто наслідків закону Планка для випромінювання чорного тіла] зазнали невдачі. Це було так, наче з-під ніг пішла земля і ніде не було видно твердого ґрунту, на якому б можна було будувати. Мені завжди здавалося дивом, що цієї непевної і повної суперечностей основи виявилося достатньо, щоб дозволити Бору — людині з геніальною інтуїцією і тонким чуттям — знайти головні закони спектральних ліній і електронних оболонок атомів, а також їхнє значення для хімії. Це мені здається дивом і тепер. Це найвища музичність у галузі думки.А. Эйнштейн. Собр. науч. тр. — М.: Наука, 1967. — Т. 4, С. 275. Навесні 1914 року Резерфорд запросив Бора замінити Чарльза Дарвіна, онука знаменитого натураліста, на посаді лектора з математичної фізики в Манчестерському університеті (Шустерівська школа математичної фізики). Бор пропрацював у Манчестері з осені 1914 до літа 1916 року. У цей час фізик намагався поширити свою теорію на багатоелектронні атоми, однак скоро зайшов у глухий кут. Вже у вересні 1914 року він писав: Для систем, які складаються з більш ніж двох частинок, немає простого співвідношення між енергією і кількістю переходів, і з цієї причини міркування, подібні тим, які я використовував раніше, не можуть бути застосовані для визначення «стаціонарних станів» системи. Я схильний вважати, що в цій проблемі приховані дуже значні труднощі, які можуть бути подолані лише шляхом відмови від звичайних уявлень більшою мірою, ніж це було потрібно досі, і що єдиною причиною досягнутих успіхів є простота розглянутих систем.
У 1914 році Бор зумів частково пояснити розщеплення спектральних ліній в ефектах Штарка та Зеемана, однак йому не вдалося отримати розщеплення більш ніж на дві частини. У цьому виявилася обмеженість колових орбіт, які розглядаються в його теорії. Подолати її стало можливо лише після того, як на початку 1916 року Арнольд Зоммерфельд сформулював узагальнені квантові умови, ввів три квантових числа для орбіти електрона і пояснив тонку структуру спектральних ліній, врахувавши релятивістські поправки. Бор відразу ж зайнявся докорінним переглядом своїх результатів у світлі цього нового підходу.
Подальший розвиток теорії. Принцип відповідності (1916—1923)