Niels Bohr

gigatos | Febbraio 19, 2022

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Riassunto

Niels Henrik David Bohr (7 ottobre 1885 – 18 novembre 1962) è stato un fisico danese che ha dato contributi fondamentali alla comprensione della struttura atomica e della teoria dei quanti, per i quali ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1922. Bohr fu anche un filosofo e un promotore della ricerca scientifica.

Bohr sviluppò il modello Bohr dell”atomo, in cui propose che i livelli di energia degli elettroni sono discreti e che gli elettroni ruotano in orbite stabili attorno al nucleo atomico ma possono saltare da un livello di energia (o orbita) ad un altro. Anche se il modello Bohr è stato soppiantato da altri modelli, i suoi principi di base rimangono validi. Ha concepito il principio di complementarità: che gli elementi possono essere analizzati separatamente in termini di proprietà contraddittorie, come comportarsi come un”onda o un flusso di particelle. La nozione di complementarità ha dominato il pensiero di Bohr sia nella scienza che nella filosofia.

Bohr fondò l”Istituto di Fisica Teorica all”Università di Copenhagen, ora conosciuto come Istituto Niels Bohr, che aprì nel 1920. Bohr fece da mentore e collaborò con fisici come Hans Kramers, Oskar Klein, George de Hevesy e Werner Heisenberg. Predisse l”esistenza di un nuovo elemento simile allo zirconio, che fu chiamato afnio, dal nome latino di Copenhagen, dove fu scoperto. Più tardi, l”elemento bohrio prese il suo nome.

Durante gli anni ”30, Bohr aiutò i rifugiati dal nazismo. Dopo che la Danimarca fu occupata dai tedeschi, ebbe un famoso incontro con Heisenberg, che era diventato il capo del progetto tedesco sulle armi nucleari. Nel settembre 1943 Bohr ricevette la notizia che stava per essere arrestato dai tedeschi e fuggì in Svezia. Da lì, fu trasportato in aereo in Gran Bretagna, dove si unì al progetto britannico delle armi nucleari Tube Alloys, e fece parte della missione britannica al Progetto Manhattan. Dopo la guerra, Bohr chiese la cooperazione internazionale sull”energia nucleare. Fu coinvolto nella creazione del CERN e del Research Establishment Risø della Commissione danese per l”energia atomica e divenne il primo presidente del Nordic Institute for Theoretical Physics nel 1957.

Bohr nacque a Copenaghen, Danimarca, il 7 ottobre 1885, il secondo dei tre figli di Christian Bohr, professore di fisiologia all”Università di Copenaghen, e di Ellen Bohr (nata Adler), che era la figlia di David B. Adler della ricca famiglia bancaria ebrea danese Adler. Aveva una sorella maggiore, Jenny, e un fratello minore Harald, mentre Harald divenne un matematico e un calciatore che giocò per la squadra nazionale danese alle Olimpiadi estive del 1908 a Londra. Anche Niels era un appassionato calciatore, e i due fratelli giocarono diverse partite per l”Akademisk Boldklub (Academic Football Club) di Copenhagen, con Niels come portiere.

Bohr fu educato alla scuola latina di Gammelholm, a partire dall”età di sette anni. Nel 1903, Bohr si iscrisse come studente universitario all”Università di Copenhagen. La sua specializzazione fu la fisica, che studiò sotto il professor Christian Christiansen, l”unico professore di fisica dell”università a quel tempo. Studiò anche astronomia e matematica sotto il professor Thorvald Thiele, e filosofia sotto il professor Harald Høffding, un amico di suo padre.

Nel 1905 un concorso con medaglia d”oro fu sponsorizzato dall”Accademia Reale Danese di Scienze e Lettere per studiare un metodo per misurare la tensione superficiale dei liquidi che era stato proposto da Lord Rayleigh nel 1879. Si trattava di misurare la frequenza di oscillazione del raggio di un getto d”acqua. Bohr condusse una serie di esperimenti utilizzando il laboratorio di suo padre all”università; l”università stessa non aveva un laboratorio di fisica. Per completare i suoi esperimenti, dovette costruire la propria vetreria, creando delle provette con le sezioni trasversali ellittiche richieste. Andò oltre il compito originale, incorporando miglioramenti sia nella teoria di Rayleigh che nel suo metodo, tenendo conto della viscosità dell”acqua e lavorando con ampiezze finite invece che solo infinitesimali. Il suo saggio, presentato all”ultimo minuto, vinse il premio. In seguito presentò una versione migliorata del saggio alla Royal Society di Londra per la pubblicazione nelle Philosophical Transactions of the Royal Society.

Harald divenne il primo dei due fratelli Bohr a conseguire un master, che ottenne in matematica nell”aprile 1909. Niels impiegò altri nove mesi per guadagnare la sua sulla teoria degli elettroni dei metalli, un argomento assegnato dal suo supervisore, Christiansen. Bohr successivamente elaborò la sua tesi di master nella sua tesi di dottorato di filosofia (dr. phil.), molto più ampia. Ha esaminato la letteratura sull”argomento, stabilendosi su un modello postulato da Paul Drude ed elaborato da Hendrik Lorentz, in cui gli elettroni in un metallo sono considerati comportarsi come un gas. Bohr ha esteso il modello di Lorentz, ma non era ancora in grado di spiegare fenomeni come l”effetto Hall, e ha concluso che la teoria degli elettroni non poteva spiegare completamente le proprietà magnetiche dei metalli. La tesi fu accettata nell”aprile 1911, e Bohr condusse la sua difesa formale il 13 maggio. Harald aveva ricevuto il suo dottorato l”anno precedente. La tesi di Bohr era innovativa, ma attirò poco interesse al di fuori della Scandinavia perché era scritta in danese, un requisito dell”Università di Copenhagen all”epoca. Nel 1921, la fisica olandese Hendrika Johanna van Leeuwen avrebbe derivato indipendentemente un teorema nella tesi di Bohr che è oggi conosciuto come il teorema Bohr-Van Leeuwen.

Nel 1910, Bohr incontrò Margrethe Nørlund, la sorella del matematico Niels Erik Nørlund. Bohr rinunciò alla sua appartenenza alla Chiesa di Danimarca il 16 aprile 1912, e lui e Margrethe si sposarono con una cerimonia civile nel municipio di Slagelse il 1º agosto. Anni dopo, anche suo fratello Harald lasciò la chiesa prima di sposarsi. Il maggiore, Christian, morì in un incidente in barca nel 1934, e un altro, Harald, morì di meningite infantile. Aage Bohr divenne un fisico di successo e nel 1975 ricevette il premio Nobel per la fisica, come suo padre. Hans, un ingegnere chimico, ed Ernest, un avvocato. Come suo zio Harald, Ernest Bohr divenne un atleta olimpico, giocando a hockey su prato per la Danimarca alle Olimpiadi estive del 1948 a Londra.

Modello di Bohr

Nel settembre 1911, Bohr, sostenuto da una borsa di studio della Fondazione Carlsberg, si recò in Inghilterra, dove si stava facendo la maggior parte del lavoro teorico sulla struttura degli atomi e delle molecole. Incontrò J. J. Thomson del Cavendish Laboratory e del Trinity College di Cambridge. Frequentò le conferenze sull”elettromagnetismo tenute da James Jeans e Joseph Larmor, e fece alcune ricerche sui raggi catodici, ma non riuscì a impressionare Thomson. Ebbe più successo con i fisici più giovani come l”australiano William Lawrence Bragg, e il neozelandese Ernest Rutherford, il cui modello dell”atomo del 1911 del piccolo nucleo centrale Rutherford aveva sfidato il modello del budino di prugne di Thomson del 1904. Bohr ricevette un invito da Rutherford a condurre un lavoro post-dottorato alla Victoria University di Manchester, dove Bohr incontrò George de Hevesy e Charles Galton Darwin (che Bohr definì “il nipote del vero Darwin”).

Bohr tornò in Danimarca nel luglio 1912 per il suo matrimonio, e viaggiò in Inghilterra e Scozia durante la sua luna di miele. Al suo ritorno, divenne un docente privato all”Università di Copenaghen, dando lezioni di termodinamica. Martin Knudsen propose il nome di Bohr come docente, che fu approvato nel luglio 1913, e Bohr iniziò a insegnare agli studenti di medicina. I suoi tre articoli, che più tardi divennero famosi come “la trilogia”, furono pubblicati sulla rivista Philosophical Magazine a luglio, settembre e novembre di quell”anno. Adattò la struttura nucleare di Rutherford alla teoria quantistica di Max Planck e creò così il suo modello Bohr dell”atomo.

I modelli planetari degli atomi non erano nuovi, ma il trattamento di Bohr lo era. Prendendo come punto di partenza l”articolo di Darwin del 1912 sul ruolo degli elettroni nell”interazione delle particelle alfa con un nucleo, avanzò la teoria degli elettroni che viaggiano in orbite di “stati stazionari” quantizzati intorno al nucleo dell”atomo per stabilizzare l”atomo, ma fu solo nel suo articolo del 1921 che mostrò che le proprietà chimiche di ogni elemento erano in gran parte determinate dal numero di elettroni nelle orbite esterne dei suoi atomi. Introdusse l”idea che un elettrone potesse cadere da un”orbita più alta a una più bassa, emettendo un quantum di energia discreta. Questo divenne una base per quella che ora è conosciuta come la vecchia teoria dei quanti.

Nel 1885, Johann Balmer aveva inventato la sua serie Balmer per descrivere le linee spettrali visibili di un atomo di idrogeno:

dove λ è la lunghezza d”onda della luce assorbita o emessa e RH è la costante di Rydberg. La formula di Balmer fu corroborata dalla scoperta di ulteriori linee spettrali, ma per trent”anni nessuno riuscì a spiegare perché funzionasse. Nel primo articolo della sua trilogia, Bohr riuscì a ricavarla dal suo modello:

dove me è la massa dell”elettrone, e è la sua carica, h è la costante di Planck e Z è il numero atomico dell”atomo (1 per l”idrogeno).

Il primo ostacolo del modello fu la serie di Pickering, linee che non si adattavano alla formula di Balmer. Quando sfidato su questo da Alfred Fowler, Bohr rispose che erano causate da elio ionizzato, atomi di elio con un solo elettrone. Si scoprì che il modello di Bohr funzionava per tali ioni. Molti fisici più anziani, come Thomson, Rayleigh e Hendrik Lorentz, non amavano la trilogia, ma la generazione più giovane, tra cui Rutherford, David Hilbert, Albert Einstein, Enrico Fermi, Max Born e Arnold Sommerfeld la vide come una svolta. L”accettazione della trilogia è stata interamente dovuta alla sua capacità di spiegare fenomeni che hanno ostacolato altri modelli, e di prevedere risultati che sono stati successivamente verificati dagli esperimenti. Oggi, il modello Bohr dell”atomo è stato superato, ma è ancora il modello dell”atomo più conosciuto, dato che appare spesso nei testi di fisica e chimica delle scuole superiori.

A Bohr non piaceva insegnare agli studenti di medicina. Decise di tornare a Manchester, dove Rutherford gli aveva offerto un lavoro come lettore al posto di Darwin, il cui mandato era scaduto. Bohr accettò. Prese un congedo dall”Università di Copenhagen, che iniziò con una vacanza in Tirolo con suo fratello Harald e sua zia Hanna Adler. Lì visitò l”Università di Gottinga e l”Università Ludwig Maximilian di Monaco, dove incontrò Sommerfeld e condusse seminari sulla trilogia. La prima guerra mondiale scoppiò mentre erano in Tirolo, complicando notevolmente il viaggio di ritorno in Danimarca e il successivo viaggio di Bohr con Margrethe in Inghilterra, dove arrivò nell”ottobre 1914. Rimasero fino al luglio 1916, quando fu nominato alla cattedra di fisica teorica all”Università di Copenhagen, una posizione creata appositamente per lui. La sua docenza fu abolita nello stesso periodo, quindi doveva ancora insegnare fisica agli studenti di medicina. I nuovi professori furono formalmente presentati al re Cristiano X, che espresse la sua gioia nell”incontrare un giocatore di calcio così famoso.

Istituto di Fisica

Nell”aprile 1917 Bohr iniziò una campagna per stabilire un Istituto di Fisica Teorica. Ottenne il sostegno del governo danese e della Fondazione Carlsberg, e ingenti contributi vennero dati anche dall”industria e da donatori privati, molti dei quali ebrei. La legislazione che istituiva l”istituto fu approvata nel novembre 1918. Ora conosciuto come Istituto Niels Bohr, fu aperto il 3 marzo 1921, con Bohr come direttore. La sua famiglia si trasferì in un appartamento al primo piano. L”istituto di Bohr servì come punto focale per i ricercatori di meccanica quantistica e argomenti correlati negli anni ”20 e ”30, quando la maggior parte dei più noti fisici teorici del mondo trascorse del tempo nella sua azienda. I primi arrivati includevano Hans Kramers dai Paesi Bassi, Oskar Klein dalla Svezia, George de Hevesy dall”Ungheria, Wojciech Rubinowicz dalla Polonia e Svein Rosseland dalla Norvegia. Bohr divenne ampiamente apprezzato come loro congeniale ospite ed eminente collega. Klein e Rosseland produssero la prima pubblicazione dell”istituto ancor prima della sua apertura.

Il modello di Bohr funzionava bene per l”idrogeno e l”elio ionizzato a singolo elettrone che impressionò Einstein, ma non poteva spiegare elementi più complessi. Dal 1919, Bohr si stava allontanando dall”idea che gli elettroni orbitassero attorno al nucleo e sviluppò un”euristica per descriverli. Gli elementi delle terre rare ponevano un particolare problema di classificazione per i chimici, perché erano così chimicamente simili. Uno sviluppo importante arrivò nel 1924 con la scoperta di Wolfgang Pauli del principio di esclusione di Pauli, che mise i modelli di Bohr su una solida base teorica. Bohr fu quindi in grado di dichiarare che l”elemento 72, non ancora scoperto, non era un elemento delle terre rare, ma un elemento con proprietà chimiche simili a quelle dello zirconio. (Gli elementi erano stati predetti e scoperti dal 1871 in base alle proprietà chimiche) e Bohr fu immediatamente sfidato dal chimico francese Georges Urbain, che sosteneva di aver scoperto un elemento delle terre rare 72, che chiamò “celtio”. All”Istituto di Copenhagen, Dirk Coster e George de Hevesy raccolsero la sfida di dimostrare che Bohr aveva ragione e Urbain torto. Iniziare con un”idea chiara delle proprietà chimiche dell”elemento sconosciuto ha semplificato molto il processo di ricerca. Hanno esaminato campioni del Museo di Mineralogia di Copenaghen alla ricerca di un elemento simile allo zirconio e l”hanno presto trovato. L”elemento, che chiamarono afnio (Hafnia è il nome latino di Copenhagen) si rivelò essere più comune dell”oro.

Nel 1922 Bohr ricevette il Premio Nobel per la Fisica “per i suoi servizi nello studio della struttura degli atomi e della radiazione da essi emanata”. Il premio riconosceva così sia la trilogia che il suo primo lavoro di punta nel campo emergente della meccanica quantistica. Per la sua conferenza del Nobel, Bohr diede al suo pubblico una panoramica completa di ciò che si sapeva allora sulla struttura dell”atomo, compreso il principio di corrispondenza, che aveva formulato. Questo afferma che il comportamento dei sistemi descritti dalla teoria quantistica riproduce la fisica classica nel limite di grandi numeri quantici.

La scoperta dello scattering Compton da parte di Arthur Holly Compton nel 1923 convinse la maggior parte dei fisici che la luce era composta da fotoni e che l”energia e la quantità di moto si conservavano nelle collisioni tra elettroni e fotoni. Nel 1924, Bohr, Kramers e John C. Slater, un fisico americano che lavorava all”Istituto di Copenhagen, proposero la teoria Bohr-Kramers-Slater (BKS). Era più un programma che una teoria fisica completa, poiché le idee che sviluppava non venivano elaborate quantitativamente. La teoria BKS divenne l”ultimo tentativo di comprendere l”interazione della materia e della radiazione elettromagnetica sulla base della vecchia teoria quantistica, in cui i fenomeni quantistici erano trattati imponendo restrizioni quantistiche su una descrizione ondulatoria classica del campo elettromagnetico.

Modellare il comportamento atomico sotto la radiazione elettromagnetica incidente usando “oscillatori virtuali” alle frequenze di assorbimento e di emissione, piuttosto che le (diverse) frequenze apparenti delle orbite di Bohr, ha portato Max Born, Werner Heisenberg e Kramers a esplorare diversi modelli matematici. Hanno portato allo sviluppo della meccanica delle matrici, la prima forma della moderna meccanica quantistica. La teoria di BKS ha anche generato la discussione e rinnovato l”attenzione sulle difficoltà nei fondamenti della vecchia teoria quantistica. L”elemento più provocatorio di BKS – che la quantità di moto e l”energia non si conservano necessariamente in ogni interazione, ma solo statisticamente – fu presto dimostrato essere in conflitto con gli esperimenti condotti da Walther Bothe e Hans Geiger. Alla luce di questi risultati, Bohr informò Darwin che “non c”è altro da fare che dare ai nostri sforzi rivoluzionari un funerale il più onorevole possibile”.

Meccanica quantistica

L”introduzione dello spin da parte di George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit nel novembre 1925 fu una pietra miliare. Il mese successivo, Bohr si recò a Leida per partecipare alle celebrazioni del 50° anniversario del dottorato di Hendrick Lorentz. Quando il suo treno si fermò ad Amburgo, fu incontrato da Wolfgang Pauli e Otto Stern, che chiesero la sua opinione sulla teoria dello spin. Bohr fece notare che aveva delle preoccupazioni sull”interazione tra gli elettroni e i campi magnetici. Quando arrivò a Leida, Paul Ehrenfest e Albert Einstein informarono Bohr che Einstein aveva risolto questo problema usando la relatività. Bohr fece poi incorporare questo a Uhlenbeck e Goudsmit nel loro documento. Così, quando incontrò Werner Heisenberg e Pascual Jordan a Gottinga sulla via del ritorno, era diventato, nelle sue stesse parole, “un profeta del vangelo del magnete elettronico”.

Heisenberg venne prima a Copenhagen nel 1924, poi tornò a Gottinga nel giugno 1925, sviluppando poco dopo le basi matematiche della meccanica quantistica. Quando mostrò i suoi risultati a Max Born a Gottinga, Born si rese conto che potevano essere espressi al meglio usando le matrici. Questo lavoro attirò l”attenzione del fisico britannico Paul Dirac, che venne a Copenhagen per sei mesi nel settembre 1926. Anche il fisico austriaco Erwin Schrödinger lo visitò nel 1926. Il suo tentativo di spiegare la fisica quantistica in termini classici usando la meccanica ondulatoria impressionò Bohr, che credette che contribuisse “così tanto alla chiarezza e semplicità matematica che rappresenta un gigantesco progresso rispetto a tutte le forme precedenti di meccanica quantistica”.

Quando Kramers lasciò l”istituto nel 1926 per prendere una cattedra di fisica teorica all”Università di Utrecht, Bohr fece in modo che Heisenberg tornasse e prendesse il posto di Kramers come lektor all”Università di Copenhagen. Heisenberg lavorò a Copenhagen come docente universitario e assistente di Bohr dal 1926 al 1927.

Bohr si convinse che la luce si comportava sia come onde che come particelle e, nel 1927, gli esperimenti confermarono l”ipotesi di de Broglie che anche la materia (come gli elettroni) si comportava come onde. Concepì il principio filosofico della complementarità: che gli oggetti potevano avere proprietà apparentemente mutuamente esclusive, come essere un”onda o un flusso di particelle, a seconda del quadro sperimentale. Sentiva che non era pienamente compreso dai filosofi professionisti.

Nel febbraio 1927, Heisenberg sviluppò la prima versione del principio di indeterminazione, presentandolo usando un esperimento di pensiero in cui un elettrone veniva osservato attraverso un microscopio a raggi gamma. Bohr era insoddisfatto dell”argomentazione di Heisenberg, poiché richiedeva solo che una misurazione disturbasse proprietà che già esistevano, piuttosto che l”idea più radicale che le proprietà dell”elettrone non potessero essere discusse affatto a parte il contesto in cui venivano misurate. In un documento presentato alla Conferenza Volta di Como nel settembre 1927, Bohr sottolineò che le relazioni di incertezza di Heisenberg potevano essere derivate da considerazioni classiche sul potere risolutivo degli strumenti ottici. Capire il vero significato della complementarità avrebbe richiesto, secondo Bohr, “un”indagine più approfondita”. Einstein preferiva il determinismo della fisica classica alla nuova fisica quantistica probabilistica a cui lui stesso aveva contribuito. Le questioni filosofiche che sorgevano dagli aspetti nuovi della meccanica quantistica divennero argomenti di discussione ampiamente celebrati. Einstein e Bohr ebbero discussioni bonarie su tali questioni per tutta la loro vita.

Nel 1914 Carl Jacobsen, l”erede delle birrerie Carlsberg, lasciò in eredità il suo palazzo per essere usato a vita dal danese che avesse dato il contributo più importante alla scienza, alla letteratura o alle arti, come residenza onoraria (danese: Æresbolig). Harald Høffding era stato il primo occupante, e alla sua morte nel luglio 1931, l”Accademia Reale Danese di Scienze e Lettere diede a Bohr l”occupazione. Lui e la sua famiglia vi si trasferirono nel 1932. Fu eletto presidente dell”Accademia il 17 marzo 1939.

Nel 1929 il fenomeno del decadimento beta spinse Bohr a suggerire nuovamente di abbandonare la legge di conservazione dell”energia, ma l”ipotetico neutrino di Enrico Fermi e la successiva scoperta del 1932 del neutrone fornirono un”altra spiegazione. Questo spinse Bohr a creare una nuova teoria del nucleo composto nel 1936, che spiegava come i neutroni potessero essere catturati dal nucleo. In questo modello, il nucleo poteva essere deformato come una goccia di liquido. Lavorò su questo con un nuovo collaboratore, il fisico danese Fritz Kalckar, che morì improvvisamente nel 1938.

La scoperta della fissione nucleare da parte di Otto Hahn nel dicembre 1938 (e la sua spiegazione teorica da parte di Lise Meitner) generò un intenso interesse tra i fisici. Bohr portò la notizia negli Stati Uniti dove aprì la quinta conferenza di Washington sulla fisica teorica con Fermi il 26 gennaio 1939. Quando Bohr disse a George Placzek che questo risolveva tutti i misteri degli elementi transuranici, Placzek gli disse che ne rimaneva uno: le energie di cattura dei neutroni dell”uranio non corrispondevano a quelle del suo decadimento. Bohr ci pensò per qualche minuto e poi annunciò a Placzek, Léon Rosenfeld e John Wheeler che “ho capito tutto”. Basandosi sul suo modello di goccia liquida del nucleo, Bohr concluse che era l”isotopo uranio-235 e non il più abbondante uranio-238 il principale responsabile della fissione con neutroni termici. Nell”aprile 1940, John R. Dunning dimostrò che Bohr era corretto. Nel frattempo, Bohr e Wheeler svilupparono un trattamento teorico che pubblicarono in un documento del settembre 1939 su “Il meccanismo della fissione nucleare”.

Heisenberg disse di Bohr che era “principalmente un filosofo, non un fisico”. Bohr leggeva il filosofo esistenzialista cristiano danese del 19° secolo, Søren Kierkegaard. Richard Rhodes ha sostenuto in The Making of the Atomic Bomb che Bohr fu influenzato da Kierkegaard attraverso Høffding. Nel 1909, Bohr inviò a suo fratello Stages on Life”s Way di Kierkegaard come regalo di compleanno. Nella lettera allegata, Bohr scrisse: “È l”unica cosa che ho da mandare a casa; ma non credo che sarebbe molto facile trovare qualcosa di meglio … Penso persino che sia una delle cose più deliziose che abbia mai letto”. Bohr apprezzava il linguaggio e lo stile letterario di Kierkegaard, ma menzionò che aveva qualche disaccordo con la filosofia di Kierkegaard. Alcuni biografi di Bohr hanno suggerito che questo disaccordo derivasse dal fatto che Kierkegaard sosteneva il cristianesimo, mentre Bohr era ateo.

C”è stata qualche disputa sulla misura in cui Kierkegaard ha influenzato la filosofia e la scienza di Bohr. David Favrholdt ha sostenuto che Kierkegaard ha avuto un”influenza minima sul lavoro di Bohr, prendendo la dichiarazione di Bohr sul disaccordo con Kierkegaard al valore nominale, mentre Jan Faye ha sostenuto che si può essere in disaccordo con il contenuto di una teoria pur accettandone le premesse generali e la struttura.

Fisica quantistica

Ci sono stati molti dibattiti e discussioni successive sui punti di vista di Bohr e sulla filosofia della meccanica quantistica. Per quanto riguarda la sua interpretazione ontologica del mondo quantistico, Bohr è stato visto come un anti-realista, uno strumentista, un realista fenomenologico o qualche altro tipo di realista. Inoltre, anche se alcuni hanno visto Bohr come un soggettivista o un positivista, la maggior parte dei filosofi concorda sul fatto che questo è un fraintendimento di Bohr, poiché non ha mai sostenuto il verificismo o l”idea che il soggetto abbia un impatto diretto sul risultato di una misurazione.

Bohr è stato spesso citato per aver detto che non esiste “un mondo quantistico” ma solo una “descrizione fisica quantistica astratta”. Questo non è stato detto da Bohr, ma piuttosto da Aage Petersen che tentava di riassumere la filosofia di Bohr in una reminiscenza dopo la morte di Bohr. N. David Mermin ha ricordato che Victor Weisskopf dichiarò che Bohr non avrebbe detto nulla del genere ed esclamò: “Vergogna ad Aage Petersen per aver messo queste parole ridicole nella bocca di Bohr!

Numerosi studiosi hanno sostenuto che la filosofia di Immanuel Kant ebbe una forte influenza su Bohr. Come Kant, Bohr pensava che distinguere tra l”esperienza del soggetto e l”oggetto fosse una condizione importante per raggiungere la conoscenza. Questo può essere fatto solo attraverso l”uso di concetti causali e spazio-temporali per descrivere l”esperienza del soggetto. Così, secondo Jan Faye, Bohr pensava che è grazie a concetti “classici” come “spazio”, “posizione”, “tempo”, “causalità” e “momento” che si può parlare di oggetti e della loro esistenza oggettiva. Bohr sosteneva che i concetti di base come il “tempo” sono incorporati nel nostro linguaggio ordinario e che i concetti della fisica classica sono solo un perfezionamento di essi. Pertanto, per Bohr, abbiamo bisogno di usare concetti classici per descrivere gli esperimenti che hanno a che fare con il mondo quantistico. Bohr scrive:

È decisivo riconoscere che, per quanto i fenomeni trascendano l”ambito della spiegazione fisica classica, il resoconto di tutte le prove deve essere espresso in termini classici. L”argomento è semplicemente che con la parola ”esperimento” ci riferiamo a una situazione in cui possiamo dire agli altri ciò che abbiamo fatto e ciò che abbiamo imparato e che, pertanto, il resoconto della disposizione sperimentale e dei risultati delle osservazioni deve essere espresso in un linguaggio non ambiguo con un”adeguata applicazione della terminologia della fisica classica (APHK, p. 39).

Secondo Faye, ci sono varie spiegazioni del perché Bohr credeva che i concetti classici fossero necessari per descrivere i fenomeni quantistici. Faye raggruppa le spiegazioni in cinque quadri: empirismo, kantianesimo (o modelli neo-kantiani di epistemologia in cui le idee classiche sono concetti a priori che la mente impone alle impressioni dei sensi), pragmatismo (che si concentrano su come gli esseri umani interagiscono in modo esperienziale con i sistemi atomici secondo i loro bisogni e interessi), darwinismo (cioè siamo adattati ad usare concetti di tipo classico, che Léon Rosenfeld ha detto che ci siamo evoluti ad usare) e sperimentalismo (che si concentra strettamente sulla funzione e sul risultato degli esperimenti che quindi devono essere descritti in modo classico). Queste spiegazioni non si escludono a vicenda, e a volte Bohr sembra enfatizzare alcuni di questi aspetti mentre altre volte si concentra su altri elementi.Secondo Faye “Bohr pensava all”atomo come reale. Gli atomi non sono né costruzioni euristiche né logiche”. Tuttavia, secondo Faye, non credeva “che il formalismo della meccanica quantistica fosse vero nel senso che ci dava una rappresentazione letterale (”pittorica”) piuttosto che simbolica del mondo quantistico.” Pertanto, la teoria della complementarità di Bohr “è prima di tutto una lettura semantica ed epistemologica della meccanica quantistica che porta alcune implicazioni ontologiche”. Come spiega Faye, la tesi dell”indefinibilità di Bohr è che

le condizioni di verità delle frasi che attribuiscono un certo valore cinematico o dinamico a un oggetto atomico dipendono dall”apparato coinvolto, in modo tale che queste condizioni di verità devono includere il riferimento alla configurazione sperimentale così come il risultato effettivo dell”esperimento.

Faye nota che l”interpretazione di Bohr non fa alcun riferimento a un “collasso della funzione d”onda durante le misurazioni” (e infatti, non ha mai menzionato questa idea). Invece, Bohr “accettò l”interpretazione statistica di Born perché credeva che la funzione ψ ha solo un significato simbolico e non rappresenta nulla di reale”. Poiché per Bohr, la funzione ψ non è una rappresentazione pittorica letterale della realtà, non ci può essere un collasso reale della funzione d”onda.

Un punto molto dibattuto nella letteratura recente è ciò che Bohr credeva sugli atomi e sulla loro realtà e se essi sono qualcos”altro rispetto a ciò che sembrano essere. Alcuni come Henry Folse sostengono che Bohr vedeva una distinzione tra i fenomeni osservati e una realtà trascendentale. Jan Faye non è d”accordo con questa posizione e sostiene che per Bohr, il formalismo quantistico e la complementarità erano l”unica cosa che potevamo dire sul mondo quantistico e che “non ci sono altre prove negli scritti di Bohr che indichino che Bohr avrebbe attribuito agli oggetti atomici proprietà di stato intrinseche e indipendenti dalla misura (anche se del tutto incomprensibili e inaccessibili a noi) in aggiunta a quelle classiche che si manifestano nella misurazione”.

L”ascesa del nazismo in Germania spinse molti studiosi a fuggire dai loro paesi, o perché erano ebrei o perché erano oppositori politici del regime nazista. Nel 1933, la Fondazione Rockefeller creò un fondo per aiutare a sostenere gli accademici rifugiati, e Bohr discusse questo programma con il presidente della Fondazione Rockefeller, Max Mason, nel maggio 1933 durante una visita negli Stati Uniti. Bohr offrì ai rifugiati lavori temporanei presso l”istituto, fornì loro supporto finanziario, fece in modo che ricevessero borse di studio dalla Fondazione Rockefeller, e alla fine trovò loro dei posti presso istituzioni di tutto il mondo. Tra coloro che aiutò ci furono Guido Beck, Felix Bloch, James Franck, George de Hevesy, Otto Frisch, Hilde Levi, Lise Meitner, George Placzek, Eugene Rabinowitch, Stefan Rozental, Erich Ernst Schneider, Edward Teller, Arthur von Hippel e Victor Weisskopf.

Nell”aprile del 1940, all”inizio della seconda guerra mondiale, la Germania nazista invase e occupò la Danimarca. Per evitare che i tedeschi scoprissero le medaglie Nobel d”oro di Max von Laue e James Franck, Bohr le fece sciogliere da de Hevesy in acqua regia. In questa forma, furono conservate su uno scaffale dell”Istituto fino a dopo la guerra, quando l”oro fu precipitato e le medaglie furono nuovamente coniate dalla Fondazione Nobel. La medaglia di Bohr era stata donata a un”asta per il Fondo di soccorso finlandese, e fu messa all”asta nel marzo 1940, insieme alla medaglia di August Krogh. L”acquirente donò in seguito le due medaglie al Museo Storico Danese nel Castello di Frederiksborg, dove sono ancora conservate.

Bohr mantenne l”Istituto in funzione, ma tutti gli studiosi stranieri partirono.

Incontro con Heisenberg

Bohr era consapevole della possibilità di usare l”uranio-235 per costruire una bomba atomica, facendone riferimento in conferenze in Gran Bretagna e Danimarca poco prima e dopo l”inizio della guerra, ma non credeva che fosse tecnicamente fattibile estrarre una quantità sufficiente di uranio-235. Nel settembre 1941, Heisenberg, che era diventato capo del progetto tedesco sull”energia nucleare, visitò Bohr a Copenhagen. Durante questo incontro i due uomini si presero un momento privato all”aperto, il cui contenuto ha causato molte speculazioni, dato che entrambi hanno dato resoconti diversi: secondo Heisenberg, iniziò a parlare di energia nucleare, moralità e guerra, a cui Bohr sembra aver reagito terminando bruscamente la conversazione, senza dare a Heisenberg accenni alle proprie opinioni. Ivan Supek, uno degli studenti e amici di Heisenberg, sostenne che l”argomento principale dell”incontro era Carl Friedrich von Weizsäcker, che aveva proposto di cercare di convincere Bohr a mediare la pace tra Gran Bretagna e Germania.

Nel 1957, Heisenberg scrisse a Robert Jungk, che allora stava lavorando al libro Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists. Heisenberg spiegò che si era recato a Copenaghen per comunicare a Bohr le opinioni di diversi scienziati tedeschi, che la produzione di un”arma nucleare era possibile con grandi sforzi, e questo sollevava enormi responsabilità sugli scienziati del mondo da entrambe le parti. Quando Bohr vide la rappresentazione di Jungk nella traduzione danese del libro, redasse (ma non inviò mai) una lettera a Heisenberg, affermando che non aveva mai capito lo scopo della visita di Heisenberg, era scioccato dall”opinione di Heisenberg che la Germania avrebbe vinto la guerra, e che le armi atomiche potevano essere decisive.

L”opera teatrale Copenhagen di Michael Frayn del 1998 esplora ciò che potrebbe essere successo nell”incontro del 1941 tra Heisenberg e Bohr. Una versione televisiva della BBC è stata proiettata per la prima volta il 26 settembre 2002, con Stephen Rea nel ruolo di Bohr, Daniel Craig nel ruolo di Heisenberg e Francesca Annis nel ruolo di Margrethe Bohr. Lo stesso incontro era stato precedentemente drammatizzato dalla serie di documentari scientifici Horizon della BBC nel 1992, con Anthony Bate come Bohr e Philip Anthony come Heisenberg. L”incontro è anche drammatizzato nel norvegese

Progetto Manhattan

Nel settembre 1943, Bohr e suo fratello Harald ricevettero la notizia che i nazisti consideravano la loro famiglia come ebrea, dato che la madre era ebrea, e che quindi erano in pericolo di essere arrestati. La resistenza danese aiutò Bohr e sua moglie a fuggire via mare in Svezia il 29 settembre. Il giorno successivo, Bohr convinse il re Gustavo V di Svezia a rendere pubblica la disponibilità della Svezia a fornire asilo ai rifugiati ebrei. Il 2 ottobre 1943, la radio svedese trasmise che la Svezia era pronta ad offrire asilo, e il salvataggio in massa degli ebrei danesi da parte dei loro connazionali seguì rapidamente. Alcuni storici sostengono che le azioni di Bohr portarono direttamente al salvataggio di massa, mentre altri dicono che, anche se Bohr fece tutto ciò che poteva per i suoi connazionali, le sue azioni non furono un”influenza decisiva sugli eventi più ampi. Alla fine, oltre 7.000 ebrei danesi fuggirono in Svezia.

Quando la notizia della fuga di Bohr raggiunse la Gran Bretagna, Lord Cherwell inviò un telegramma a Bohr chiedendogli di venire in Gran Bretagna. Bohr arrivò in Scozia il 6 ottobre in un de Havilland Mosquito gestito dalla British Overseas Airways Corporation (BOAC). I Mosquito erano bombardieri disarmati ad alta velocità che erano stati convertiti per trasportare piccoli carichi di valore o passeggeri importanti. Volando ad alta velocità e ad alta quota, potevano attraversare la Norvegia occupata dai tedeschi, e tuttavia evitare i caccia tedeschi. Bohr, equipaggiato con paracadute, tuta di volo e maschera d”ossigeno, trascorse le tre ore di volo sdraiato su un materasso nel vano bombe dell”aereo. Durante il volo, Bohr non indossò il suo casco di volo perché era troppo piccolo, e di conseguenza non sentì l”istruzione dell”interfono del pilota di accendere la sua riserva di ossigeno quando l”aereo salì ad alta quota per sorvolare la Norvegia. Svenne per mancanza di ossigeno e si rianimò solo quando l”aereo scese ad una quota inferiore sopra il Mare del Nord. Il figlio di Bohr, Aage, seguì suo padre in Gran Bretagna su un altro volo una settimana dopo, e divenne il suo assistente personale.

Bohr fu ricevuto calorosamente da James Chadwick e Sir John Anderson, ma per ragioni di sicurezza Bohr fu tenuto fuori dalla vista. Gli fu dato un appartamento a St James”s Palace e un ufficio con il team di sviluppo delle armi nucleari della British Tube Alloys. Bohr era stupito dalla quantità di progressi che erano stati fatti. Chadwick organizzò la visita di Bohr negli Stati Uniti come consulente della Tube Alloys, con Aage come assistente. L”8 dicembre 1943, Bohr arrivò a Washington, D.C., dove incontrò il direttore del Progetto Manhattan, il generale di brigata Leslie R. Groves, Jr. Visitò Einstein e Pauli all”Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, e andò a Los Alamos nel New Mexico, dove venivano progettate le armi nucleari. Per ragioni di sicurezza, andò sotto il nome di “Nicholas Baker” negli Stati Uniti, mentre Aage divenne “James Baker”. Nel maggio 1944 il giornale della resistenza danese De frie Danske riferì di aver appreso che “il famoso figlio della Danimarca Professor Niels Bohr” nell”ottobre dell”anno precedente era fuggito dal suo paese via Svezia a Londra e da lì si era recato a Mosca da dove si poteva supporre che sostenesse lo sforzo bellico.

Bohr non rimase a Los Alamos, ma fece una serie di visite prolungate nel corso dei due anni successivi. Robert Oppenheimer attribuì a Bohr il merito di agire “come una figura paterna scientifica per gli uomini più giovani”, in particolare Richard Feynman. Bohr è citato per aver detto: “Non avevano bisogno del mio aiuto per fare la bomba atomica”. Oppenheimer diede a Bohr il merito di un importante contributo al lavoro sugli iniziatori di neutroni modulati. “Questo dispositivo è rimasto un puzzle ostinato”, ha notato Oppenheimer, “ma all”inizio di febbraio 1945 Niels Bohr ha chiarito ciò che doveva essere fatto”.

Bohr riconobbe presto che le armi nucleari avrebbero cambiato le relazioni internazionali. Nell”aprile 1944, ricevette una lettera da Peter Kapitza, scritta alcuni mesi prima quando Bohr era in Svezia, che lo invitava a venire in Unione Sovietica. La lettera convinse Bohr che i sovietici erano consapevoli del progetto anglo-americano, e si sarebbero sforzati di recuperare il ritardo. Inviò a Kapitza una risposta non impegnativa, che mostrò alle autorità in Gran Bretagna prima di spedirla. Bohr incontrò Churchill il 16 maggio 1944, ma scoprì che “non parlavamo la stessa lingua”. Churchill non era d”accordo con l”idea di apertura verso i russi al punto che scrisse in una lettera: “Mi sembra che Bohr debba essere confinato o comunque fatto capire che è molto vicino al limite dei crimini mortali”.

Oppenheimer suggerì che Bohr visitasse il presidente Franklin D. Roosevelt per convincerlo che il Progetto Manhattan dovesse essere condiviso con i sovietici nella speranza di accelerarne i risultati. L”amico di Bohr, il giudice della Corte Suprema Felix Frankfurter, informò il presidente Roosevelt delle opinioni di Bohr, e un incontro tra loro ebbe luogo il 26 agosto 1944. Roosevelt suggerì che Bohr tornasse nel Regno Unito per cercare di ottenere l”approvazione britannica. Quando Churchill e Roosevelt si incontrarono a Hyde Park il 19 settembre 1944, rifiutarono l”idea di informare il mondo sul progetto, e l”aide-mémoire della loro conversazione conteneva una postilla che “dovrebbero essere fatte indagini riguardo alle attività del professor Bohr e dovrebbero essere prese misure per assicurarsi che egli sia responsabile di nessuna fuga di informazioni, in particolare ai russi”.

Nel giugno 1950, Bohr indirizzò una “Lettera aperta” alle Nazioni Unite chiedendo la cooperazione internazionale sull”energia nucleare. Negli anni ”50, dopo il primo test di armi nucleari dell”Unione Sovietica, fu creata l”Agenzia Internazionale per l”Energia Atomica secondo il suggerimento di Bohr. Nel 1957 ricevette il primo premio Atomi per la pace.

Con la guerra ormai finita, Bohr tornò a Copenhagen il 25 agosto 1945, e fu rieletto presidente dell”Accademia Reale Danese delle Arti e delle Scienze il 21 settembre. In una riunione commemorativa dell”Accademia il 17 ottobre 1947 per il re Christian X, che era morto in aprile, il nuovo re, Federico IX, annunciò che avrebbe conferito l”Ordine dell”Elefante a Bohr. Questo premio era normalmente assegnato solo ai reali e ai capi di stato, ma il re disse che onorava non solo Bohr personalmente, ma la scienza danese. Bohr disegnò il suo stemma personale che presentava un taijitu (simbolo di yin e yang) e un motto in latino: contraria sunt complementa, “gli opposti sono complementari”.

La seconda guerra mondiale ha dimostrato che la scienza, e la fisica in particolare, richiedeva ormai notevoli risorse finanziarie e materiali. Per evitare una fuga di cervelli verso gli Stati Uniti, dodici paesi europei si unirono per creare il CERN, un”organizzazione di ricerca sulla falsariga dei laboratori nazionali negli Stati Uniti, progettata per intraprendere progetti di Big Science al di là delle risorse di ognuno di loro da solo. Ben presto sorsero domande sulla migliore ubicazione delle strutture. Bohr e Kramers pensavano che l”Istituto di Copenhagen sarebbe stato il luogo ideale. Pierre Auger, che aveva organizzato le discussioni preliminari, non era d”accordo; sentiva che sia Bohr che il suo Istituto erano passati di moda e che la presenza di Bohr avrebbe messo in ombra gli altri. Dopo un lungo dibattito, Bohr si impegnò a sostenere il CERN nel febbraio 1952, e Ginevra fu scelta come sede in ottobre. Il gruppo teorico del CERN fu basato a Copenhagen fino a quando la loro nuova sistemazione a Ginevra fu pronta nel 1957. Victor Weisskopf, che più tardi divenne il direttore generale del CERN, riassunse il ruolo di Bohr, dicendo che “ci furono altre personalità che iniziarono e concepirono l”idea del CERN. L”entusiasmo e le idee delle altre persone non sarebbero state sufficienti, tuttavia, se un uomo della sua statura non le avesse sostenute”.

Nel frattempo, i paesi scandinavi formarono il Nordic Institute for Theoretical Physics nel 1957, con Bohr come presidente. Fu anche coinvolto nella fondazione del Research Establishment Risø della Commissione Danese per l”Energia Atomica, e fu il suo primo presidente dal febbraio 1956.

Bohr morì di insufficienza cardiaca nella sua casa di Carlsberg il 18 novembre 1962. Fu cremato e le sue ceneri furono sepolte nella tomba di famiglia nel cimitero di Assistens, nel quartiere Nørrebro di Copenaghen, insieme a quelle dei suoi genitori, di suo fratello Harald e di suo figlio Christian. Anni dopo, anche le ceneri di sua moglie furono inumate lì. Il 7 ottobre 1965, in quello che sarebbe stato il suo 80° compleanno, l”Istituto di Fisica Teorica dell”Università di Copenaghen fu ufficialmente rinominato in quello che era stato chiamato ufficiosamente per molti anni: l”Istituto Niels Bohr.

Bohr ha ricevuto numerosi onori e riconoscimenti. Oltre al Premio Nobel, ricevette la Medaglia Hughes nel 1921, la Medaglia Matteucci nel 1923, la Medaglia Franklin nel 1926, la Medaglia Copley nel 1938, l”Ordine dell”Elefante nel 1947, il Premio Atomi per la Pace nel 1957 e il Premio Sonning nel 1961. Divenne membro straniero della Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences nel 1923, e della Royal Society nel 1926. Il semicentenario del modello Bohr è stato commemorato in Danimarca il 21 novembre 1963 con un francobollo raffigurante Bohr, l”atomo di idrogeno e la formula per la differenza di due qualsiasi livelli energetici dell”idrogeno: hν=ϵ2-ϵ1{displaystyle hu ={epsilon _{2}-{epsilon _{1}}. Diversi altri paesi hanno anche emesso francobolli raffiguranti Bohr. Nel 1997, la Banca Nazionale Danese ha iniziato a far circolare la banconota da 500 corone con il ritratto di Bohr che fuma la pipa. Il 7 ottobre 2012, per celebrare il 127° compleanno di Niels Bohr, un Google Doodle raffigurante il modello Bohr dell”atomo di idrogeno è apparso sulla home page di Google. Un asteroide, 3948 Bohr, ha preso il suo nome, così come il cratere lunare Bohr e il bohrio, l”elemento chimico con numero atomico 107.

Fonti