Реферат: Нобелевские лауреаты в области физики

П. Капица

НИЛЬС БОР (1885—1962) — крупнейший физик современности, создатель первоначальной квантовой теории атома, личность по­истине своеобразная и неотразимая. Он не только стремился по­знать законы природы, расширяя пределы человеческого позна­ния, не только чувствовал пути развития физики, но и старался всеми доступными ему средствами заставить науку служить ми­ру и прогрессу. Личные качества этого человека — глубокий ум, величайшая скромность, честность, справедливость, доброта, дар предвидения, исключительное упорство в поисках истины и ее отстаивании — не менее притягательны, чем его научная и обще­ственная деятельность.

Эти качества сделали его лучшим учеником и соратником Ре­зерфорда, уважаемым и незаменимым оппонентом Эйнштейна, противником Черчилля и смертельным врагом немецкого фашиз­ма. Благодаря этим качествам, он стал учителем и наставником большого числа выдающихся физиков.

Бор пережил две войны и грандиозную революцию в физике; он был вовлечен в целый ряд самых неожиданных ситуаций. К нему поступали секретные послания, ему удалось ускользнуть от нацистов в люке военного бомбардировщика, он занимался подпольной деятельностью, стремясь спасти видных ученых от преследования фашистов, ряд лет жил под вымышленным име­нем. Немногие детективы могут сравниться с приключениями это­го скромного профессора.

Яркая биография, история гениальных открытий, полная драматизма борьба против на­цизма, борьба за мир и мирное использование атомной энер­гии — все это привлекало и бу­дет привлекать внимание к ве­ликому ученому и прекрасней­шему человеку.

Н. Бор родился 7 октября 1885 г. Он был вторым ребен­ком в семье профессора физио­логии Копенгагенского универ­ситета Христиана Бора.

Семи лет Нильс пошел в школу. Учился он легко, был любознательным, трудолюби­вым и вдумчивым учеником, талантливым в области физики и математики. Не ладилось только у него с сочинениями по родному языку: они были у него слишком короткими.

Бор с детства любил что-нибудь конструировать, собирать и разбирать. Его всегда интересовала работа больших башенных часов; он готов был подолгу наблюдать за работой их колес и шестерен. Дома Нильс чинил все, что нуждалось в ремонте. Но прежде чем разобрать что-либо, тщательно изучал функции всех частей.

В 1903 г. Нильс поступил в Копенгагенский университет, го­дом позже туда поступил и его брат Харальд. Вскоре за братья­ми укрепилась репутация очень способных студентов.

В 1905 г. Датская академия наук объявила конкурс на тему: «Использование вибрации струи для определения поверхностно­го натяжения жидкостей». Работа, рассчитанная на полтора го­да, была очень сложной и требовала хорошего лабораторного оборудования. Нильс принял участие в конкурсе. В результате напряженной работы была одержана первая победа: он стал об­ладателем золотой медали. В 1907 г. Бор закончил университет, а в 1909 г. его работа «Определение поверхностного натяжения воды методом колебания струи» была напечатана в трудах Лон­донского Королевского общества.

В этот период Н. Бор начал готовиться к сдаче магистерско­го экзамена. Свою магистерскую диссертацию он решил посвя­тить физическим свойствам металлов. На основе электронной те­ории он анализирует электро- и теплопроводность металлов, их магнитные и термоэлектрические свойства. В середине лета 1909 г. магистерская диссертация в 50 страниц рукописного тек­ста готова. Но Бор не очень ею доволен: в электронной теории он обнаружил слабые места. Однако защита прошла успешно, и Бор получил степень магистра.

После короткого отдыха Бор вновь берется за работу, решив написать докторскую диссертацию по анализу электронной тео­рии металлов. В мае 1911 г. он успешно ее защищает и в этом же году едет на годичную стажировку в Кембридж к Дж. Томсону. Так как в электронной теории у Бора возник ряд неясных вопросов, то он решил свою диссертацию перевести на англий­ский язык, чтобы Томсон мог ее прочитать. «Меня очень волнует мнение Томсона о работе в целом, а также его отношение к моей критике»,— писал Бор.

Знаменитый английский физик любезно принял молодого стажера из Дании. Он предложил Бору заняться положительны­ми лучами, и тот принялся за сборку экспериментальной уста­новки. Установка вскоре была собрана, но дело дальше не по­шло. И Нильс решает оставить данную работу и заняться под­готовкой к изданию своей докторской диссертации.

Однако Томсон не спешил прочитать диссертацию Бора. Не только потому, что вообще не любил читать и был страшно за­нят. Но и потому, что, будучи ревностным приверженцем клас­сической физики, почувствовал в молодом Боре «инакомысляще­го». Докторская диссертация Бора так и осталась ненапечатан­ной.

Трудно сказать, чем бы все это кончилось для Бора и какой оказалась бы его дальнейшая судьба, не будь рядом молодого, но уже ставшего лауреатом Нобелевской премии профессора Эрнеста Резерфорда, которого Бор увидел впервые в октябре 1911 г. на ежегодном Кавендишском обеде. «Хотя в этот раз мне не удалось познакомиться с Резерфордом, на меня произвели глубокое впечатление его обаяние и энергия — качества, с по­мощью которых ему удавалось достичь почти невероятных ве­щей, где бы он ни работал»,— вспоминал Бор. Он принимает решение работать вместе с этим удивительным человеком, обла­дающим почти сверхъестественной способностью безошибочно проникать в суть научных проблем. В ноябре 1911 г. Бор побы­вал в Манчестере, встретился с Резерфордом, побеседовал с ним. Резерфорд согласился принять Бора в свою лабораторию, но во­прос необходимо было отрегулировать с Томсоном. Томсон без колебаний дал свое согласие. Он не мог понять физических воз­зрений Бора, но, видимо, и не хотел ему мешать. Это было, не­сомненно, мудро и дальновидно ,со стороны знаменитого «клас­сика».

В апреле 1912 г. Н. Бор приехал в Манчестер, в лабораторию Резерфорда. Свою главную задачу он видел в разрешении про­тиворечий планетарной модели атома Резерфорда. Своими мыс­лями он охотно делился с учителем, который советовал ему более осторожно производить тео­ретическое построение на таком фундаменте, каким он считал свою атомную модель. Близилось время отъезда, а Бор работал все с большим энтузиазмом. Он по­нял, что разрешить противоречия атомной модели Резерфорда в рамках чисто классической физи­ки не удастся. И он решил приме­нить к планетарной модели атома квантовые представления Планка и Эйнштейна. Первая часть рабо­ты вместе с письмом, в котором Бор спрашивал Резерфорда, как ему удалось одновременно использовать классическую механику и квантовую теорию излучения, была отправлена в Манчестер 6 марта с просьбой ее опубликования в журнале. Суть теории Бора была выражена в трех постулатах:

1. Существуют некоторые стационарные состояния атома, на­ходясь в которых он не излучает и не поглощает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты.

2. Орбита является стационарной, если момент количества движения электрона ( L = m v r ) кратен Ь/2 p = h . т. е. L = m v r = n h , где n =1. 2, 3, ... — целые числа.

3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии hv_nm == W_n — W_m , где W_n , Wm — энергия атома в двух стационар­ных состояниях, h — постоянная Планка, v_nm — частота излу­чения.При W п> W т происходит излучение кванта, при W_n < W_m — его поглощение.

В своем ответном письме Бору по поводу полученной работы Резерфорд писал: «Ваши мысли относительно причин возникнове­ния спектра водорода очень остроумны и представляются хорошо продуманными, однако сочетание идей Планка со старой меха­никой создает значительные трудности для понимания того, что же все-таки является основой такого рассмотрения. Я обнаружил серьезное затруднение в связи с Вашей гипотезой, в котором Вы без сомнения, полностью отдаете себе отчет; оно состоит в следующем: как может знать электрон, с какой частотой он должен колебаться, когда он переходит с одного стационарного состояния в другое. Мне кажется, что Вы вынуждены предполо­жить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться».

Статья имела большой объем, и Резерфорд просил ее сокра­тить, И Бор поехал в Манчестер, чтобы на месте решить этот вопрос. Статья была напечатана в мае 1913 г., а Резерфорд долго потом вспоминал эту «забавную баталию, как деликатный датчанин методически теснил его в угол». Бор же продолжал дальше развивать свои идеи: в июне 1913 г. вышла вторая часть работы, в ноябре — третья.

Это был переворот, пусть пока не окончательный, во взгля­дах физиков на атом. Его дальнейшим углублением явилась квантовая механика. И конечно, теория Бора вызвала яростные дискуссии. Первая публичная дискуссия по теории Бора с учас­тием многих видных физиков состоялась в сентябре 1913 г. Д. Джине, выступая на заседании, сказал: «Доктор Бор пришел к чрезвычайно остроумному, оригинальному и, можно сказать, убедительному толкованию законов спектральных линий... Се­годня единственным важным подтверждением правильности этих предположений является тот факт, что они действуют на практике». Это была огромная поддержка.

Дж. Томсон очень темпераментно оспаривал ряд положений новой теории. Г. А. Лоренц очень внимательно и благожелатель­но отнесся к новой теории атома. Оценивая происходящее, де Бройль писал: «Громадная заслуга Бора состоит в том, что он ясно понял, что нужно сохранить планетарную модель атома, введя в нее фундаментальные идеи квантовой теории».

В связи с тем что в Копенгагенском университете затягива­лось открытие вакансии по теоретической физике, а шаткое положение приват-доцента беспокоило Бора, он осенью 1914 г. принимает приглашение Школы математической физики Манчесте­ра и занимает в ней место доцента. Друзья-манчестерцы с боль­шой радостью встретили Боров после их трудного и опасного переезда в Англию: ведь в это время уже ярко полыхал пожар первой мировой войны. Читая лекции по термодинамике, элект­ромагнитной и электронной теории. Бор по-прежнему много работает над теорией атома. «Если говорить о теории строения ато­ма, то она получила новый толчок в 1914 г., когда были опуб­ликованы знаменитые опыты Франка и Герца по возбуждению атома электронными соударениями», — писал позднее Бор.

Два года проработал Бор в Манчестере, пока не получил в марте 1916 г. приглашение из Копенгагена занять должность профессора по теоретической физике. В сентябре Бор стал про­фессором Копенгагенского университета, чуть позднее — пред­седателем Датского физического общества, в 1917 г.—членом Датского Королевского общества (Датская академия наук).

Бор много делает для развития науки в своей родной Дании, он мечтает о международной школе физиков-теоретиков на базе организуемого им института. Проект института составлялся при самом активном его участии, он вникал во все мелочи, заставляя без конца переделывать то одно, то другое. Торжественное откры­тие института теоретической физики состоялось 15 сентября 1920 г., и первое приглашение на торжества по этому поводу было направлено Резерфорду, теперь уже директору Кавендишской лаборатории.

Популярность Бора как ученого растет. На его лекции в уни­верситете ходят не только студенты, но и профессора других кафедр. У него появляются первые иностранные ученики. В 1919 г. Бор едет в Лейден, где знакомится с Камерлинг-Оннесом и П. Эренфестом (1880—1933). В Копенгаген к Бору приезжает А. Зоммерфельд (1868—1951). В 1920 г. ученый с ра­достью принимает приглашение М. Планка прочитать в Берлине лекцию по теории спектров: ведь он еще не знаком ни с Планком, уже секретарем Прусской академии наук, ни с Эйнштейном — создателем специальной и общей теории относительности, ди­ректором Физического института. В Берлине в 1920 г. состоялась встреча этих великих физиков, именно здесь начался принципи­альный спор между Бором и Эйнштейном о дальнейших путях развития физики.