Niels Bohr

gigatos | januari 14, 2022

Post Views: 47

Samenvatting

Niels Henrik David Bohr (7 oktober 1885 – 18 november 1962) was een Deense natuurkundige die fundamentele bijdragen heeft geleverd aan het begrip van de atoomstructuur en de kwantumtheorie, waarvoor hij in 1922 de Nobelprijs voor Natuurkunde ontving. Bohr was ook een filosoof en een promotor van wetenschappelijk onderzoek.

Bohr ontwikkelde het Bohr-model van het atoom, waarin hij voorstelde dat de energieniveaus van elektronen discreet zijn en dat de elektronen in stabiele banen rond de atoomkern draaien, maar van het ene energieniveau (of de ene baan) naar het andere kunnen springen. Hoewel het Bohr-model is verdrongen door andere modellen, blijven de onderliggende principes geldig. Hij bedacht het principe van complementariteit: dat zaken afzonderlijk kunnen worden geanalyseerd in termen van tegenstrijdige eigenschappen, zoals zich gedragen als een golf of een stroom van deeltjes. Het begrip complementariteit domineerde Bohrs denken in zowel de wetenschap als de filosofie.

Bohr stichtte het Instituut voor Theoretische Fysica aan de Universiteit van Kopenhagen, nu bekend als het Niels Bohr Instituut, dat in 1920 werd geopend. Bohr was mentor van en werkte samen met natuurkundigen als Hans Kramers, Oskar Klein, George de Hevesy en Werner Heisenberg. Hij voorspelde het bestaan van een nieuw zirkoniumachtig element, dat hafnium werd genoemd, naar de Latijnse naam voor Kopenhagen, waar het werd ontdekt. Later werd het element bohrium naar hem genoemd.

In de jaren dertig hielp Bohr vluchtelingen voor het nazisme. Nadat Denemarken door de Duitsers was bezet, had hij een beroemde ontmoeting met Heisenberg, die het hoofd was geworden van het Duitse kernwapenproject. In september 1943 bereikte Bohr het bericht dat hij door de Duitsers zou worden gearresteerd, en hij vluchtte naar Zweden. Van daaruit werd hij naar Groot-Brittannië gevlogen, waar hij zich aansloot bij het Britse Tube Alloys kernwapenproject, en deel uitmaakte van de Britse missie bij het Manhattan Project. Na de oorlog riep Bohr op tot internationale samenwerking op het gebied van kernenergie. Hij was betrokken bij de oprichting van CERN en het Onderzoeksinstituut Risø van de Deense Commissie voor Atoomenergie en werd in 1957 de eerste voorzitter van het Noords Instituut voor Theoretische Fysica.

Bohr werd op 7 oktober 1885 geboren in Kopenhagen, Denemarken, als tweede van drie kinderen van Christian Bohr, professor in de fysiologie aan de Universiteit van Kopenhagen, en Ellen Bohr (geboren Adler), de dochter van David B. Adler uit de rijke Deens-Joodse bankiersfamilie Adler. Hij had een oudere zus, Jenny, en een jongere broer Harald. Harald werd wiskundige en voetballer en speelde voor het Deense nationale team op de Olympische Zomerspelen van 1908 in Londen. Niels was ook een gepassioneerd voetballer, en de twee broers speelden verschillende wedstrijden voor de Akademisk Boldklub (Academische Voetbal Club) in Kopenhagen, met Niels als keeper.

Bohr kreeg vanaf zijn zevende onderwijs aan de Latijnse School van Gammelholm. In 1903 schreef Bohr zich in als student aan de Universiteit van Kopenhagen. Zijn hoofdvak was natuurkunde, dat hij studeerde onder professor Christian Christiansen, de enige professor in de natuurkunde van de universiteit in die tijd. Hij studeerde ook astronomie en wiskunde bij professor Thorvald Thiele, en filosofie bij professor Harald Høffding, een vriend van zijn vader.

In 1905 werd door de Koninklijke Deense Academie van Wetenschappen en Letteren een wedstrijd met een gouden medaille gesponsord om een methode voor het meten van de oppervlaktespanning van vloeistoffen te onderzoeken, die in 1879 door Lord Rayleigh was voorgesteld. Het ging om het meten van de trillingsfrequentie van de straal van een waterstraal. Bohr voerde een reeks experimenten uit in het laboratorium van zijn vader op de universiteit; de universiteit zelf had geen natuurkundig laboratorium. Om zijn experimenten te voltooien, moest hij zijn eigen glaswerk maken en reageerbuizen met de vereiste elliptische doorsneden maken. Hij ging verder dan de oorspronkelijke opdracht en bracht verbeteringen aan in zowel Rayleigh”s theorie als zijn methode, door rekening te houden met de viscositeit van het water, en door te werken met eindige amplitudes in plaats van slechts infinitesimale. Zijn opstel, dat hij op het laatste moment indiende, won de prijs. Later diende hij een verbeterde versie van het essay in bij de Royal Society in Londen voor publicatie in de Philosophical Transactions of the Royal Society.

Harald was de eerste van de twee Bohr-broers die in april 1909 zijn mastergraad in de wiskunde behaalde. Niels deed er nog eens negen maanden over om de zijne te behalen over de elektronentheorie van metalen, een onderwerp dat hem was toegewezen door zijn promotor, Christiansen. Bohr werkte vervolgens zijn masterscriptie uit tot zijn veel omvangrijkere doctoraalscriptie (dr. phil.). Hij bestudeerde de literatuur over het onderwerp en kwam uit op een model dat was gepostuleerd door Paul Drude en uitgewerkt door Hendrik Lorentz, waarin de elektronen in een metaal worden beschouwd zich te gedragen als een gas. Bohr breidde het model van Lorentz uit, maar was nog steeds niet in staat verschijnselen als het Hall-effect te verklaren, en concludeerde dat de elektronentheorie de magnetische eigenschappen van metalen niet volledig kon verklaren. Het proefschrift werd in april 1911 aanvaard, en Bohr verdedigde het officieel op 13 mei. Harald was het jaar daarvoor gepromoveerd. Bohr”s proefschrift was baanbrekend, maar trok buiten Scandinavië weinig belangstelling omdat het in het Deens was geschreven, een vereiste van de universiteit van Kopenhagen in die tijd. In 1921 zou de Nederlandse natuurkundige Hendrika Johanna van Leeuwen onafhankelijk een stelling uit Bohr”s proefschrift afleiden die vandaag bekend staat als de Bohr-Van Leeuwen stelling.

In 1910 ontmoette Bohr Margrethe Nørlund, de zus van de wiskundige Niels Erik Nørlund. Bohr legde op 16 april 1912 zijn lidmaatschap van de Deense kerk neer, en hij en Margrethe trouwden op 1 augustus in een burgerlijke plechtigheid op het stadhuis in Slagelse. Jaren later verliet ook zijn broer Harald de kerk voordat hij in het huwelijk trad. De oudste, Christian, stierf bij een bootongeluk in 1934, en een andere, Harald, stierf aan meningitis als kind. Aage Bohr werd een succesvol natuurkundige en kreeg in 1975 de Nobelprijs voor natuurkunde, net als zijn vader. Hans, een chemisch ingenieur, en Ernest, een advocaat. Net als zijn oom Harald werd Ernest Bohr een Olympisch atleet, hij speelde veldhockey voor Denemarken op de Olympische Zomerspelen van 1948 in Londen.

Bohr-model

In september 1911 reisde Bohr, gesteund door een beurs van de Carlsberg Stichting, naar Engeland, waar het grootste deel van het theoretische werk aan de structuur van atomen en moleculen werd verricht. Hij ontmoette J.J. Thomson van het Cavendish Laboratory en het Trinity College in Cambridge. Hij woonde lezingen over elektromagnetisme bij die werden gegeven door James Jeans en Joseph Larmor, en deed enig onderzoek naar kathodestralen, maar slaagde er niet in indruk te maken op Thomson. Hij had meer succes bij jongere natuurkundigen zoals de Australiër William Lawrence Bragg, en de Nieuw-Zeelandse Ernest Rutherford, wiens model van het atoom van 1911 met de kleine centrale kern Rutherford het plumpuddingmodel van Thomson van 1904 had uitgedaagd. Bohr kreeg een uitnodiging van Rutherford om postdoctoraal werk te verrichten aan de Victoria Universiteit van Manchester, waar Bohr George de Hevesy en Charles Galton Darwin ontmoette (die door Bohr “de kleinzoon van de echte Darwin” genoemd werd).

Bohr keerde terug naar Denemarken in juli 1912 voor zijn huwelijk, en reisde rond in Engeland en Schotland op zijn huwelijksreis. Na zijn terugkeer werd hij privaatdocent aan de Universiteit van Kopenhagen, waar hij lezingen gaf over thermodynamica. Martin Knudsen droeg Bohr”s naam voor als docent, die in juli 1913 werd goedgekeurd, en Bohr begon toen les te geven aan medische studenten. Zijn drie verhandelingen, die later beroemd werden als “de trilogie”, werden gepubliceerd in Philosophical Magazine in juli, september en november van dat jaar. Hij paste de nucleaire structuur van Rutherford aan de kwantumtheorie van Max Planck aan en creëerde zo zijn Bohr-model van het atoom.

Planetaire modellen van atomen waren niet nieuw, maar Bohr”s behandeling was dat wel. Uitgaande van het artikel van Darwin uit 1912 over de rol van elektronen in de wisselwerking van alfadeeltjes met een atoomkern, ontwikkelde hij de theorie van elektronen die in banen van gekwantificeerde “stationaire toestanden” rond de atoomkern reizen om het atoom te stabiliseren, maar pas in zijn artikel uit 1921 toonde hij aan dat de chemische eigenschappen van elk element grotendeels werden bepaald door het aantal elektronen in de buitenste banen van zijn atomen. Hij introduceerde het idee dat een elektron van een baan met een hogere energie naar een lagere baan kan vallen, en daarbij een quantum van discrete energie kan afgeven. Dit werd de basis voor wat nu bekend staat als de oude kwantumtheorie.

In 1885 had Johann Balmer zijn Balmerreeks bedacht om de zichtbare spectraallijnen van een waterstofatoom te beschrijven:

waarbij λ de golflengte is van het geabsorbeerde of uitgezonden licht en RH de Rydberg-constante. Balmer”s formule werd bevestigd door de ontdekking van bijkomende spectraallijnen, maar gedurende dertig jaar kon niemand verklaren waarom ze werkte. In het eerste artikel van zijn trilogie was Bohr in staat de formule af te leiden uit zijn model:

waarin me de massa van het elektron is, e de lading, h de constante van Planck en Z het atoomnummer van het atoom (1 voor waterstof).

De eerste hindernis voor het model was de Pickering-reeks, lijnen die niet pasten in de formule van Balmer. Toen hij hierop werd aangesproken door Alfred Fowler, antwoordde Bohr dat deze werden veroorzaakt door geïoniseerd helium, heliumatomen met slechts één elektron. Het Bohr-model bleek te werken voor dergelijke ionen. Veel oudere natuurkundigen, zoals Thomson, Rayleigh en Hendrik Lorentz, zagen de trilogie niet zitten, maar de jongere generatie, waaronder Rutherford, David Hilbert, Albert Einstein, Enrico Fermi, Max Born en Arnold Sommerfeld, zag het als een doorbraak. De aanvaarding van de trilogie was volledig te danken aan haar vermogen om verschijnselen te verklaren die andere modellen in de weg stonden, en om resultaten te voorspellen die later door experimenten werden geverifieerd. Vandaag de dag is het Bohr-model van het atoom achterhaald, maar het is nog steeds het bekendste model van het atoom, zoals het vaak voorkomt in natuurkunde- en scheikundeteksten op middelbare scholen.

Bohr vond het niet leuk om medische studenten les te geven. Hij besloot terug te keren naar Manchester, waar Rutherford hem een baan als lezer had aangeboden ter vervanging van Darwin, wiens ambtstermijn was verstreken. Bohr accepteerde. Hij nam verlof aan de Universiteit van Kopenhagen, dat hij begon met een vakantie in Tirol met zijn broer Harald en tante Hanna Adler. Daar bezocht hij de Universiteit van Göttingen en de Ludwig Maximilian Universiteit van München, waar hij Sommerfeld ontmoette en seminars gaf over de trilogie. Terwijl zij in Tirol waren brak de Eerste Wereldoorlog uit, wat de terugreis naar Denemarken en Bohrs daaropvolgende reis met Margrethe naar Engeland, waar hij in oktober 1914 aankwam, aanzienlijk bemoeilijkte. Ze bleven tot juli 1916, toen hij benoemd werd tot hoogleraar in de Theoretische Natuurkunde aan de Universiteit van Kopenhagen, een positie die speciaal voor hem was gecreëerd. Tegelijkertijd werd zijn docentschap afgeschaft, zodat hij nog steeds natuurkunde moest doceren aan medische studenten. De nieuwe professoren werden formeel voorgesteld aan Koning Christian X, die zijn vreugde uitsprak over de ontmoeting met zo”n beroemde voetballer.

Lees ook: gevechten – Slag bij Artemisium

Instituut voor Natuurkunde

In april 1917 begon Bohr een campagne om een Instituut voor Theoretische Fysica op te richten. Hij kreeg de steun van de Deense regering en de Carlsberg Stichting, en er werden ook aanzienlijke bijdragen geleverd door de industrie en particuliere donateurs, velen van hen joods. De wetgeving tot oprichting van het instituut werd in november 1918 aangenomen. Het instituut, dat nu bekend staat als het Niels Bohr Instituut, werd op 3 maart 1921 geopend, met Bohr als directeur. Zijn gezin betrok een appartement op de eerste verdieping. Bohrs instituut diende in de jaren twintig en dertig als brandpunt voor onderzoekers op het gebied van de kwantummechanica en aanverwante onderwerpen, toen de meeste van ”s werelds bekendste theoretische natuurkundigen enige tijd in zijn gezelschap verbleven. Tot de vroegkomers behoorden Hans Kramers uit Nederland, Oskar Klein uit Zweden, George de Hevesy uit Hongarije, Wojciech Rubinowicz uit Polen en Svein Rosseland uit Noorwegen. Bohr werd alom gewaardeerd als hun sympathieke gastheer en eminente collega. Klein en Rosseland verzorgden de eerste publicatie van het instituut nog voordat het geopend was.

Het Bohr-model werkte goed voor waterstof en geïoniseerd Helium met één elektron, waarvan Einstein onder de indruk was, maar kon complexere elementen niet verklaren. Tegen 1919 nam Bohr afstand van het idee dat elektronen om de kern draaiden en ontwikkelde hij heuristieken om ze te beschrijven. De zeldzame aardmetalen vormden een bijzonder classificatieprobleem voor scheikundigen, omdat zij chemisch zo sterk op elkaar leken. Een belangrijke ontwikkeling kwam in 1924 met de ontdekking door Wolfgang Pauli van het Pauli uitsluitingsprincipe, waardoor de modellen van Bohr een stevige theoretische basis kregen. Bohr kon toen verklaren dat het tot dan toe onontdekte element 72 geen zeldzaam aardmetaal was, maar een element met chemische eigenschappen die leken op die van zirkonium. (Elementen waren sinds 1871 voorspeld en ontdekt aan de hand van chemische eigenschappen) en Bohr werd onmiddellijk uitgedaagd door de Franse chemicus Georges Urbain, die beweerde een zeldzaam-aardelement 72 te hebben ontdekt, dat hij “celtium” noemde. In het Instituut te Kopenhagen namen Dirk Coster en George de Hevesy de uitdaging aan om Bohr gelijk te geven en Urbain ongelijk. Beginnen met een duidelijk idee van de chemische eigenschappen van het onbekende element vereenvoudigde het zoekproces aanzienlijk. Zij doorzochten monsters uit het Kopenhaagse Museum voor Mineralogie op zoek naar een zirkoniumachtig element en vonden het al snel. Het element, dat zij hafnium noemden (Hafnia is de Latijnse naam voor Kopenhagen), bleek algemener te zijn dan goud.

In 1922 kreeg Bohr de Nobelprijs voor Natuurkunde “voor zijn verdiensten bij het onderzoek naar de structuur van atomen en van de straling die daarvan uitgaat”. De prijs betekende dus een erkenning van zowel de Trilogie als van zijn vroege toonaangevende werk op het opkomende gebied van de kwantummechanica. Voor zijn Nobellezing gaf Bohr zijn publiek een uitgebreid overzicht van wat er toen bekend was over de structuur van het atoom, inclusief het correspondentieprincipe, dat hij had geformuleerd. Dit stelt dat het gedrag van door de kwantumtheorie beschreven systemen de klassieke fysica reproduceert in de limiet van grote kwantumgetallen.

De ontdekking van de Compton-verstrooiing door Arthur Holly Compton in 1923 overtuigde de meeste natuurkundigen ervan dat licht uit fotonen bestond, en dat energie en momentum behouden bleven bij botsingen tussen elektronen en fotonen. In 1924 stelden Bohr, Kramers en John C. Slater, een Amerikaanse natuurkundige die aan het Instituut in Kopenhagen werkte, de theorie van Bohr-Kramers-Slater (BKS) voor. Het was meer een programma dan een volledige fysische theorie, aangezien de ideeën die erin werden ontwikkeld niet kwantitatief werden uitgewerkt. De theorie van BKS werd de laatste poging om de interactie van kwestie en elektromagnetische straling op basis van de oude quantumtheorie te begrijpen, waarin de quantumverschijnselen werden behandeld door quantumbeperkingen op een klassieke golfbeschrijving van het elektromagnetische veld op te leggen.

Het modelleren van het gedrag van atomen onder invallende elektromagnetische straling met gebruikmaking van “virtuele oscillatoren” bij de absorptie- en emissiefrequenties, in plaats van de (verschillende) schijnbare frequenties van de Bohr-banen, bracht Max Born, Werner Heisenberg en Kramers ertoe verschillende mathematische modellen te onderzoeken. Zij leidden tot de ontwikkeling van de matrixmechanica, de eerste vorm van de moderne kwantummechanica. De BKS-theorie leidde ook tot discussie over, en hernieuwde aandacht voor, moeilijkheden in de fundamenten van de oude kwantumtheorie. Het meest provocerende element van BKS – dat momentum en energie niet noodzakelijk behouden zouden blijven in elke interactie, maar slechts statistisch – bleek al snel in strijd te zijn met experimenten uitgevoerd door Walther Bothe en Hans Geiger. In het licht van deze resultaten deelde Bohr aan Darwin mee dat “er niets anders op zit dan onze revolutionaire inspanningen een zo eervol mogelijke begrafenis te geven”.

Lees ook: gevechten – Eerste Slag bij de Marne

Kwantum mechanica

De introductie van spin door George Uhlenbeck en Samuel Goudsmit in november 1925 was een mijlpaal. De volgende maand reisde Bohr naar Leiden om de viering bij te wonen van de 50e verjaardag van het doctoraat van Hendrick Lorentz. Toen zijn trein in Hamburg stopte, werd hij opgewacht door Wolfgang Pauli en Otto Stern, die hem naar zijn mening over de spintheorie vroegen. Bohr wees erop dat hij zich zorgen maakte over de wisselwerking tussen elektronen en magnetische velden. Toen hij in Leiden aankwam, lieten Paul Ehrenfest en Albert Einstein Bohr weten dat Einstein dit probleem met behulp van de relativiteit had opgelost. Bohr liet dit vervolgens door Uhlenbeck en Goudsmit in hun artikel verwerken. Toen hij op de terugweg in Göttingen Werner Heisenberg en Pascual Jordan ontmoette, was hij, in zijn eigen woorden, “een profeet van het evangelie van de elektronenmagneet” geworden.

Heisenberg kwam eerst naar Kopenhagen in 1924, keerde vervolgens terug naar Göttingen in juni 1925, en ontwikkelde kort daarna de wiskundige grondslagen van de kwantummechanica. Toen hij zijn resultaten aan Max Born in Göttingen liet zien, realiseerde Born zich dat deze het best konden worden uitgedrukt met behulp van matrices. Dit werk trok de aandacht van de Britse natuurkundige Paul Dirac, die in september 1926 voor zes maanden naar Kopenhagen kwam. Ook de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger bezocht Kopenhagen in 1926. Zijn poging om de kwantumfysica in klassieke termen uit te leggen met behulp van golfmechanica maakte indruk op Bohr, die geloofde dat het “zoveel bijdroeg aan de wiskundige helderheid en eenvoud dat het een gigantische vooruitgang betekent ten opzichte van alle voorgaande vormen van kwantummechanica”.

Toen Kramers het instituut in 1926 verliet om een leerstoel te aanvaarden als hoogleraar in de theoretische fysica aan de Universiteit van Utrecht, zorgde Bohr ervoor dat Heisenberg terugkeerde en Kramers plaats innam als lektor aan de Universiteit van Kopenhagen. Heisenberg werkte in Kopenhagen als universitair docent en assistent van Bohr van 1926 tot 1927.

Bohr raakte ervan overtuigd dat licht zich zowel als golven als deeltjes gedroeg en in 1927 bevestigden experimenten de de Broglie-hypothese dat materie (zoals elektronen) zich ook als golven gedroeg. Hij bedacht het filosofische principe van complementariteit: dat zaken schijnbaar elkaar uitsluitende eigenschappen kunnen hebben, zoals een golf zijn of een stroom van deeltjes, afhankelijk van het experimentele kader. Hij vond dat het niet volledig werd begrepen door beroepsfilosofen.

In februari 1927 ontwikkelde Heisenberg de eerste versie van het onzekerheidsprincipe. Hij presenteerde het aan de hand van een gedachte-experiment waarbij een elektron werd geobserveerd door een gamma-stralingsmicroscoop. Bohr was ontevreden over Heisenberg”s argument, omdat het alleen vereiste dat een meting reeds bestaande eigenschappen verstoorde, in plaats van het meer radicale idee dat de eigenschappen van het elektron helemaal niet besproken konden worden los van de context waarin ze gemeten werden. In een artikel dat werd gepresenteerd op de Volta Conferentie in Como in september 1927, benadrukte Bohr dat Heisenberg”s onzekerheidsrelaties konden worden afgeleid uit klassieke overwegingen over het oplossend vermogen van optische instrumenten. Om de ware betekenis van complementariteit te begrijpen, zou volgens Bohr “nader onderzoek” nodig zijn. Einstein gaf de voorkeur aan het determinisme van de klassieke natuurkunde boven de probabilistische nieuwe kwantumfysica waaraan hij zelf had bijgedragen. Filosofische vraagstukken die voortkwamen uit de nieuwe aspecten van de kwantummechanica werden alom gevierde onderwerpen van discussie. Einstein en Bohr hadden hun hele leven lang goedmoedige discussies over dergelijke kwesties.

In 1914 legateerde Carl Jacobsen, de erfgenaam van de Carlsberg brouwerijen, zijn herenhuis om als ereverblijf (Deens: Æresbolig) levenslang te worden gebruikt door de Deen die de meest prominente bijdrage had geleverd aan de wetenschap, de literatuur of de kunsten. Harald Høffding was de eerste bewoner, en na zijn dood in juli 1931 gaf de Koninklijke Deense Academie van Wetenschappen en Letteren Bohr het recht het huis te betrekken. Hij en zijn gezin gingen er in 1932 wonen. Op 17 maart 1939 werd hij tot voorzitter van de Academie gekozen.

In 1929 was het verschijnsel van het bètaverval voor Bohr aanleiding om opnieuw voor te stellen de wet van behoud van energie op te geven, maar het hypothetische neutrino van Enrico Fermi en de daaropvolgende ontdekking van het neutron in 1932 gaven een andere verklaring. Dit zette Bohr ertoe aan in 1936 een nieuwe theorie van de samengestelde atoomkern te ontwerpen, die verklaarde hoe neutronen door de atoomkern konden worden gevangen. In dit model kon de kern worden vervormd als een druppel vloeistof. Hij werkte hieraan samen met een nieuwe medewerker, de Deense fysicus Fritz Kalckar, die in 1938 plotseling overleed.

Heisenberg zei over Bohr dat hij “in de eerste plaats een filosoof was, geen natuurkundige”. Bohr las de 19e-eeuwse Deense christelijke existentialistische filosoof Søren Kierkegaard. Richard Rhodes betoogde in The Making of the Atomic Bomb dat Bohr via Høffding door Kierkegaard werd beïnvloed. In 1909 stuurde Bohr zijn broer Kierkegaards Stages on Life”s Way als verjaardagscadeau. In de begeleidende brief schreef Bohr: “Het is het enige dat ik heb om naar huis te sturen; maar ik geloof niet dat het erg gemakkelijk zou zijn om iets beters te vinden … Ik denk zelfs dat het een van de meest verrukkelijke dingen is die ik ooit gelezen heb.” Bohr genoot van Kierkegaards taal en literaire stijl, maar vermeldde dat hij het enigszins oneens was met Kierkegaards filosofie. Sommige biografen van Bohr suggereerden dat deze onenigheid voortkwam uit Kierkegaards pleidooi voor het Christendom, terwijl Bohr atheïst was.

Kwantumfysica

Er is daarna veel gedebatteerd en gediscussieerd over Bohr”s opvattingen en filosofie van de kwantummechanica. Wat zijn ontologische interpretatie van de kwantumwereld betreft, is Bohr gezien als een anti-realist, een instrumentalist, een fenomenologisch realist of een ander soort realist. Hoewel sommigen Bohr hebben gezien als een subjectivist of positivist, zijn de meeste filosofen het erover eens dat dit een misverstand is over Bohr, omdat hij nooit heeft gepleit voor verificatie of voor het idee dat het subject een directe invloed heeft op de uitkomst van een meting.

Bohr is vaak geciteerd als iemand die heeft gezegd dat er “geen kwantumwereld” is, maar alleen een “abstracte kwantumfysische beschrijving”. Dit werd niet gezegd door Bohr, maar door Aage Petersen die probeerde Bohr”s filosofie samen te vatten in een reminiscentie na Bohr”s dood. N. David Mermin herinnerde zich dat Victor Weisskopf verklaarde dat Bohr zoiets niet gezegd zou hebben en uitriep: “Schande over Aage Petersen dat hij Bohr die belachelijke woorden in de mond legt!”

Talrijke geleerden hebben betoogd dat de filosofie van Immanuel Kant een sterke invloed had op Bohr. Net als Kant was Bohr van mening dat het onderscheid tussen de ervaring van het subject en het object een belangrijke voorwaarde was voor het verkrijgen van kennis. Dit kan alleen door gebruik te maken van causale en ruimtelijk-temporele concepten om de ervaring van het subject te beschrijven. Zo meende Bohr, volgens Jan Faye, dat het aan “klassieke” begrippen als “ruimte”, “positie”, “tijd”, “oorzakelijkheid”, en “momentum” te danken is dat men over objecten en hun objectieve bestaan kan spreken. Bohr was van mening dat basisbegrippen als “tijd” zijn ingebouwd in onze gewone taal en dat de begrippen van de klassieke natuurkunde slechts een verfijning daarvan zijn. Daarom moeten we, voor Bohr, klassieke begrippen gebruiken om experimenten te beschrijven die te maken hebben met de kwantumwereld. Bohr schrijft:

Het is van doorslaggevend belang te erkennen dat, hoe ver de verschijnselen het terrein van de klassieke natuurkundige verklaring ook te buiten gaan, de verantwoording van alle bewijzen in klassieke termen moet worden uitgedrukt. Het argument is eenvoudig dat we met het woord “experiment” verwijzen naar een situatie waarin we aan anderen kunnen vertellen wat we hebben gedaan en wat we hebben geleerd en dat daarom het verslag van de experimentele opstelling en van de resultaten van de waarnemingen moet worden uitgedrukt in ondubbelzinnige taal met een geschikte toepassing van de terminologie van de klassieke natuurkunde (APHK, blz. 39).

Volgens Faye zijn er verschillende verklaringen waarom Bohr geloofde dat klassieke concepten noodzakelijk waren om kwantumverschijnselen te beschrijven. Faye groepeert de verklaringen in vijf kaders: empirisme (Kantianisme (of Neo-Kantiaanse modellen van epistemologie waarin klassieke ideeën a priori concepten zijn die de geest oplegt aan zintuiglijke indrukken); Pragmatisme (dat zich richt op hoe de mens ervaringsgericht omgaat met atomaire systemen volgens zijn behoeften en interesses); Darwinisme (d.w.z. dat we aangepast zijn om klassieke type concepten te gebruiken, waarvan Léon Rosenfeld zei dat we geëvolueerd zijn om ze te gebruiken); en Experimentalisme (dat zich strikt richt op de functie en de uitkomst van experimenten die dus klassiek beschreven moeten worden). Deze verklaringen sluiten elkaar niet uit, en soms lijkt Bohr sommige van deze aspecten te benadrukken terwijl hij zich op andere momenten op andere elementen concentreert.Volgens Faye “dacht Bohr aan het atoom als echt. Atomen zijn noch heuristische noch logische constructies.” Volgens Faye geloofde hij echter niet “dat het kwantummechanisch formalisme waar was in de zin dat het ons een letterlijke (”picturale”) in plaats van een symbolische voorstelling van de kwantumwereld gaf.” Daarom is Bohr”s complementariteitstheorie “in de eerste plaats een semantische en epistemologische lezing van de kwantummechanica die bepaalde ontologische implicaties met zich meebrengt.” Zoals Faye uitlegt, is Bohr”s ondefinieerbaarheidsthese dat

de waarheidsvoorwaarden van zinnen die een bepaalde kinematische of dynamische waarde aan een atomair voorwerp toekennen, zijn afhankelijk van de betrokken apparatuur, en wel zodanig dat deze waarheidsvoorwaarden zowel betrekking moeten hebben op de experimentele opstelling als op de feitelijke uitkomst van het experiment.

Faye merkt op dat Bohrs interpretatie geen melding maakt van een “ineenstorting van de golffunctie tijdens metingen” (en dat hij dit idee ook nooit heeft genoemd). In plaats daarvan accepteerde Bohr “de statistische interpretatie van Born omdat hij geloofde dat de ψ-functie alleen een symbolische betekenis heeft en niets reëels voorstelt.” Omdat voor Bohr de ψ-functie geen letterlijke voorstelling van de werkelijkheid is, kan er geen werkelijke ineenstorting van de golffunctie zijn.

Een veelbesproken punt in de recente literatuur is wat Bohr geloofde over atomen en hun werkelijkheid en of zij iets anders zijn dan wat zij lijken te zijn. Sommigen, zoals Henry Folse, beweren dat Bohr een onderscheid zag tussen waargenomen verschijnselen en een transcendente werkelijkheid. Jan Faye is het daar niet mee eens en stelt dat voor Bohr het kwantumformalisme en de complementariteit het enige was wat we konden zeggen over de kwantumwereld en dat “er verder geen bewijs is in Bohr”s geschriften dat erop wijst dat Bohr intrinsieke en meetonafhankelijke toestandskenmerken zou toekennen aan atomaire objecten (hoewel voor ons volkomen onbegrijpelijk en ontoegankelijk) naast de klassieke die zich manifesteren in de meting.”

De opkomst van het nazisme in Duitsland bracht veel geleerden ertoe hun land te ontvluchten, hetzij omdat zij joods waren, hetzij omdat zij politieke tegenstanders van het naziregime waren. In 1933 richtte de Rockefeller Foundation een fonds op om gevluchte academici te helpen, en Bohr besprak dit programma met de voorzitter van de Rockefeller Foundation, Max Mason, in mei 1933 tijdens een bezoek aan de Verenigde Staten. Bohr bood de vluchtelingen tijdelijke banen aan in het instituut, gaf hun financiële steun, zorgde ervoor dat zij beurzen kregen van de Rockefeller Foundation, en vond uiteindelijk plaatsen aan instituten over de hele wereld. Tot degenen die hij hielp behoorden 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 en Victor Weisskopf.

In april 1940, vroeg in de Tweede Wereldoorlog, viel Nazi Duitsland Denemarken binnen en bezette het. Om te voorkomen dat de Duitsers de gouden Nobelmedailles van Max von Laue en James Franck zouden ontdekken, liet Bohr ze door de Hevesy oplossen in aqua regia. In deze vorm werden ze op een plank op het Instituut bewaard tot na de oorlog, toen het goud werd neergeslagen en de medailles opnieuw werden geslagen door de Nobel Stichting. Bohr”s eigen medaille was geschonken aan een veiling voor het Fonds voor Finse Hulp en werd in maart 1940 geveild, samen met de medaille van August Krogh. De koper schonk de twee medailles later aan het Deens Historisch Museum in Frederiksborg Castle, waar ze nog steeds worden bewaard.

Bohr hield het instituut draaiende, maar alle buitenlandse geleerden vertrokken.

Lees ook: geschiedenis – Keizerrijk Oostenrijk

Ontmoeting met Heisenberg

Bohr was op de hoogte van de mogelijkheid om uranium-235 te gebruiken om een atoombom te maken, hij verwees er naar in lezingen in Groot-Brittannië en Denemarken kort voor en na het uitbreken van de oorlog, maar hij geloofde niet dat het technisch haalbaar was om een voldoende hoeveelheid uranium-235 te winnen. In september 1941 bezocht Heisenberg, die hoofd van het Duitse kernenergieproject was geworden, Bohr in Kopenhagen. Tijdens deze ontmoeting namen de twee mannen buiten een privé-moment, waarvan de inhoud tot veel speculaties heeft geleid, daar beiden verschillende verslagen gaven.Volgens Heisenberg begon hij over kernenergie, moraal en de oorlog, waarop Bohr schijnt gereageerd te hebben door het gesprek abrupt te beëindigen zonder Heisenberg hints te geven over zijn eigen meningen. Ivan Supek, een van Heisenbergs studenten en vrienden, beweerde dat het hoofdonderwerp van de ontmoeting Carl Friedrich von Weizsäcker was, die had voorgesteld Bohr te proberen over te halen om te bemiddelen in de vrede tussen Groot-Brittannië en Duitsland.

In 1957 schreef Heisenberg aan Robert Jungk, die op dat moment werkte aan het boek Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists. Heisenberg legde uit dat hij Kopenhagen had bezocht om Bohr de mening van verschillende Duitse wetenschappers mee te delen, dat de productie van een kernwapen mogelijk was met grote inspanningen, en dat dit enorme verantwoordelijkheden opriep voor de wetenschappers aan beide zijden van de wereld. Toen Bohr de weergave van Jungk in de Deense vertaling van het boek zag, stelde hij een brief aan Heisenberg op (maar stuurde die nooit), waarin hij stelde dat hij nooit het doel van Heisenbergs bezoek had begrepen, geschokt was door Heisenbergs mening dat Duitsland de oorlog zou winnen, en dat atoomwapens beslissend konden zijn.

In het toneelstuk Kopenhagen van Michael Frayn uit 1998 wordt onderzocht wat er gebeurd zou kunnen zijn tijdens de ontmoeting tussen Heisenberg en Bohr in 1941. Een BBC televisie filmversie van het stuk werd voor het eerst vertoond op 26 september 2002, met Stephen Rea als Bohr, Daniel Craig als Heisenberg, en Francesca Annis als Margrethe Bohr. Dezelfde ontmoeting was eerder gedramatiseerd door de BBC”s wetenschapsdocumentaireserie Horizon in 1992, met Anthony Bate als Bohr, en Philip Anthony als Heisenberg. De ontmoeting is ook gedramatiseerd in het Noorse

Manhattan Project

In september 1943 bereikte Bohr en zijn broer Harald het bericht dat de nazi”s hun familie als joods beschouwden, aangezien hun moeder joods was, en dat zij daarom het gevaar liepen gearresteerd te worden. Het Deense verzet hielp Bohr en zijn vrouw op 29 september over zee naar Zweden te ontsnappen. De volgende dag haalde Bohr koning Gustaf V van Zweden over om bekend te maken dat Zweden bereid was asiel te verlenen aan joodse vluchtelingen. Op 2 oktober 1943 zond de Zweedse radio uit dat Zweden bereid was asiel te verlenen, en de massale redding van de Deense Joden door hun landgenoten volgde snel daarna. Sommige historici beweren dat Bohrs acties direct tot de massale redding leidden, terwijl anderen zeggen dat Bohr weliswaar alles deed wat hij kon voor zijn landgenoten, maar dat zijn acties geen beslissende invloed hadden op de bredere gebeurtenissen. Uiteindelijk ontsnapten meer dan 7.000 Deense Joden naar Zweden.

Toen het nieuws van Bohrs ontsnapping Groot-Brittannië bereikte, stuurde Lord Cherwell een telegram naar Bohr met het verzoek naar Groot-Brittannië te komen. Bohr kwam op 6 oktober in Schotland aan in een de Havilland Mosquito van de British Overseas Airways Corporation (BOAC). De Mosquito”s waren ongewapende hogesnelheidsbommenwerpers die waren omgebouwd om kleine, waardevolle ladingen of belangrijke passagiers te vervoeren. Door met hoge snelheid en grote hoogte te vliegen, konden ze het door de Duitsers bezette Noorwegen doorkruisen, en toch de Duitse jagers ontwijken. Bohr, uitgerust met parachute, vliegpak en zuurstofmasker, bracht de drie uur durende vlucht door liggend op een matras in het bommenruim van het vliegtuig. Tijdens de vlucht droeg Bohr zijn vlieghelm niet omdat die te klein was, en daardoor hoorde hij de intercominstructie van de piloot niet om zijn zuurstoftoevoer aan te zetten toen het vliegtuig naar grote hoogte klom om Noorwegen te overvliegen. Hij raakte bewusteloos door zuurstofgebrek en kwam pas weer tot leven toen het vliegtuig boven de Noordzee naar lagere hoogte daalde. Bohr”s zoon Aage volgde zijn vader een week later op een andere vlucht naar Groot-Brittannië, en werd zijn persoonlijke assistent.

Bohr werd hartelijk ontvangen door James Chadwick en Sir John Anderson, maar om veiligheidsredenen werd Bohr uit het zicht gehouden. Hij kreeg een appartement in St James”s Palace en een kantoor bij het Britse Tube Alloys kernwapenontwikkelingsteam. Bohr was verbaasd over de hoeveelheid vooruitgang die was geboekt. Chadwick regelde voor Bohr een bezoek aan de Verenigde Staten als adviseur van Tube Alloys, met Aage als zijn assistent. Op 8 december 1943 kwam Bohr aan in Washington, D.C., waar hij een ontmoeting had met de directeur van het Manhattan Project, brigadegeneraal Leslie R. Groves, Jr. Hij bezocht Einstein en Pauli op het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, en ging naar Los Alamos in New Mexico, waar de kernwapens werden ontworpen. Om veiligheidsredenen ging hij in de Verenigde Staten door het leven onder de naam “Nicholas Baker”, terwijl Aage “James Baker” werd. In mei 1944 meldde de Deense verzetskrant De frie Danske dat zij hadden vernomen dat “de beroemde zoon van Denemarken professor Niels Bohr” in oktober van het voorgaande jaar zijn land was ontvlucht via Zweden naar Londen en van daaruit naar Moskou was gereisd, van waaruit kon worden aangenomen dat hij de oorlogsinspanningen zou steunen.

Bohr bleef niet in Los Alamos, maar bracht in de volgende twee jaar een aantal uitgebreide bezoeken. Robert Oppenheimer zei dat Bohr “een wetenschappelijk vaderfiguur was voor de jongere mannen”, met name Richard Feynman. Bohr zou hebben gezegd: “Ze hadden mijn hulp niet nodig bij het maken van de atoombom.” Oppenheimer gaf Bohr krediet voor een belangrijke bijdrage aan het werk aan gemoduleerde neutronen-initiatoren. “Dit apparaat bleef een hardnekkig raadsel,” merkte Oppenheimer op, “maar begin februari 1945 verduidelijkte Niels Bohr wat er gedaan moest worden.”

Bohr zag al vroeg in dat kernwapens de internationale betrekkingen zouden veranderen. In april 1944 ontving hij een brief van Peter Kapitza, enkele maanden eerder geschreven toen Bohr in Zweden was, waarin hij werd uitgenodigd naar de Sovjet-Unie te komen. De brief overtuigde Bohr ervan dat de Sovjets op de hoogte waren van het Engels-Amerikaanse project, en ernaar zouden streven hun achterstand in te lopen. Hij stuurde Kapitza een vrijblijvend antwoord, dat hij aan de autoriteiten in Groot-Brittannië liet zien alvorens het te posten. Bohr ontmoette Churchill op 16 mei 1944, maar vond dat “we niet dezelfde taal spraken”. Churchill was het zo oneens met het idee van openheid tegenover de Russen dat hij in een brief schreef: “Het lijkt mij dat Bohr opgesloten zou moeten worden of in ieder geval duidelijk gemaakt moet worden dat hij zeer dicht bij de rand van dodelijke misdaden is.”

Oppenheimer stelde voor dat Bohr President Franklin D. Roosevelt zou bezoeken om hem ervan te overtuigen dat het Manhattan Project gedeeld moest worden met de Sovjets in de hoop de resultaten ervan te bespoedigen. Bohr”s vriend, Supreme Court Justice Felix Frankfurter, bracht President Roosevelt op de hoogte van Bohr”s meningen, en op 26 augustus 1944 vond een ontmoeting tussen hen plaats. Roosevelt stelde voor dat Bohr terug zou gaan naar het Verenigd Koninkrijk om te proberen Britse goedkeuring te krijgen. Toen Churchill en Roosevelt elkaar op 19 september 1944 in Hyde Park ontmoetten, verwierpen zij het idee om de wereld over het project in te lichten, en de aide-mémoire van hun gesprek bevatte een aanvulling dat “inlichtingen moeten worden ingewonnen over de activiteiten van professor Bohr en stappen moeten worden ondernomen om ervoor te zorgen dat hij niet verantwoordelijk is voor het lekken van informatie, met name naar de Russen”.

In juni 1950 schreef Bohr een “Open Brief” aan de Verenigde Naties waarin hij opriep tot internationale samenwerking op het gebied van kernenergie. In de jaren 1950, na de eerste kernwapenproef van de Sovjet-Unie, werd het Internationaal Agentschap voor Atoomenergie opgericht naar het voorbeeld van Bohr”s suggestie. In 1957 ontving hij de allereerste Atoms for Peace Award.

Na de oorlog keerde Bohr op 25 augustus 1945 terug naar Kopenhagen en op 21 september werd hij herkozen als voorzitter van de Koninklijke Deense Academie van Kunsten en Wetenschappen. Op een herdenkingsbijeenkomst van de Academie op 17 oktober 1947 voor de in april overleden koning Christian X kondigde de nieuwe koning, Frederik IX, aan dat hij de Orde van de Olifant aan Bohr zou toekennen. Deze onderscheiding werd normaal gesproken alleen verleend aan vorsten en staatshoofden, maar de koning zei dat het niet alleen Bohr persoonlijk eerde, maar ook de Deense wetenschap. Bohr ontwierp zijn eigen wapenschild met een taijitu (symbool van yin en yang) en een Latijns motto: contraria sunt complementa, “tegenstellingen vullen elkaar aan”.

De Tweede Wereldoorlog heeft aangetoond dat de wetenschap, en in het bijzonder de fysica, voortaan aanzienlijke financiële en materiële middelen vereist. Om een braindrain naar de Verenigde Staten te voorkomen, hebben twaalf Europese landen zich verenigd in de CERN, een onderzoeksorganisatie naar het voorbeeld van de nationale laboratoria in de Verenigde Staten, die tot doel had grote wetenschappelijke projecten uit te voeren die de middelen van elk van hen alleen te boven gingen. Al snel rezen vragen over de beste locatie voor de faciliteiten. Bohr en Kramers waren van mening dat het instituut in Kopenhagen de ideale locatie zou zijn. Pierre Auger, die de voorbereidende besprekingen organiseerde, was het daar niet mee eens; hij vond dat zowel Bohr als zijn instituut over hun hoogtepunt heen waren, en dat de aanwezigheid van Bohr anderen zou overschaduwen. Na een lange discussie zegde Bohr in februari 1952 zijn steun toe aan de CERN, en in oktober werd Genève gekozen als vestigingsplaats. De CERN-theoriegroep was in Kopenhagen gevestigd tot hun nieuwe onderkomen in Genève in 1957 klaar was. Victor Weisskopf, die later directeur-generaal van CERN werd, vatte de rol van Bohr samen door te zeggen dat “er andere persoonlijkheden waren die het idee van CERN begonnen en bedachten. Het enthousiasme en de ideeën van de anderen zouden echter niet voldoende zijn geweest, als een man van zijn statuur er niet achter had gestaan.”

Ondertussen vormden de Scandinavische landen in 1957 het Noords Instituut voor Theoretische Fysica, met Bohr als voorzitter. Hij was ook betrokken bij de oprichting van het Onderzoeksinstituut Risø van de Deense Commissie voor Atoomenergie, en was vanaf februari 1956 de eerste voorzitter van dit instituut.

Bohr stierf aan hartfalen in zijn huis in Carlsberg op 18 november 1962. Hij werd gecremeerd en zijn as werd begraven in het familiegraf op de Assistens begraafplaats in het Nørrebro gedeelte van Kopenhagen, samen met die van zijn ouders, zijn broer Harald, en zijn zoon Christian. Jaren later werd ook de as van zijn vrouw daar bijgezet. Op 7 oktober 1965, op wat zijn 80e verjaardag zou zijn geweest, werd het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Kopenhagen officieel omgedoopt tot wat het vele jaren officieus had geheten: het Niels Bohr Instituut.

Bohr ontving talrijke eerbewijzen en onderscheidingen. Naast de Nobelprijs ontving hij de Hughes Medal in 1921, de Matteucci Medal in 1923, de Franklin Medal in 1926, de Copley Medal in 1938, de Orde van de Olifant in 1947, de Atoms for Peace Award in 1957 en de Sonning Prize in 1961. Hij werd buitenlands lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen in 1923, en van de Royal Society in 1926. Op 21 november 1963 werd in Denemarken de honderdste verjaardag van het Bohr-model herdacht met een postzegel waarop Bohr, het waterstofatoom en de formule voor het verschil tussen twee waterstofenergieniveaus zijn afgebeeld: hν=ϵ2-ϵ1{{displaystyle hu =epsilon _{2}-epsilon _{1}}. Verschillende andere landen hebben ook postzegels uitgegeven waarop Bohr staat afgebeeld. In 1997 begon de Deense nationale bank met het in omloop brengen van een bankbiljet van 500 kroon met de beeltenis van Bohr die een pijp rookt. Op 7 oktober 2012 verscheen ter ere van de 127e geboortedag van Niels Bohr een Google Doodle met het Bohr-model van het waterstofatoom op de homepage van Google. Een asteroïde, 3948 Bohr, werd naar hem genoemd, net als de Bohr-maankrater en bohrium, het scheikundige element met atoomnummer 107.

Bronnen