Bohr

Der Name Bohr bezeichnet in erster Linie Niels Henrik David Bohr (7. Oktober 1885 – 18. November 1962), einen dänischen Physiker, der grundlegende Beiträge zum Verständnis der Atomstruktur und zur Quantentheorie leistete und im Jahr 1922 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Der Name steht zugleich für eine angesehene dänische Gelehrtenfamilie, deren bekanntestes Mitglied Niels Bohr war, sowie für eine Reihe von wissenschaftlichen Begriffen, Institutionen und Objekten, die zu seinen Ehren benannt wurden. Bohr gilt als einer der Hauptarchitekten der Physik des zwanzigsten Jahrhunderts; er machte Kopenhagen zu einem weltweiten Zentrum theoretischer Forschung und prägte sowohl die Wissenschaft als auch die Philosophie des Quantenzeitalters nachhaltig.

Hintergrund und Familie

Niels Bohr wurde in Kopenhagen in einem intellektuell herausragenden Haushalt geboren. Sein Vater, Christian Bohr, war Professor für Physiologie an der Universität Kopenhagen; seine Mutter, Ellen Adler, entstammte einer wohlhabenden dänisch-jüdischen Bankiersfamilie. Das Haus der Familie war ein Treffpunkt führender dänischer Akademiker, und der Philosoph Harald Høffding war ein enger Freund des Hauses. Bohrs jüngerer Bruder Harald Bohr wurde ein bedeutender Mathematiker und gewann darüber hinaus als Mitglied der dänischen Fußballnationalmannschaft eine olympische Silbermedaille.

Im Jahr 1912 heiratete Bohr Margrethe Nørlund, die seine engste intellektuelle Gefährtin wurde und bei der Abfassung seiner häufig verschachtelten Manuskripte eng mit ihm zusammenarbeitete. Das Paar hatte sechs Söhne; einer von ihnen, Aage Bohr, schlug ebenfalls die Physikerlaufbahn ein und erhielt 1975 gemeinsam mit anderen den Nobelpreis für Physik für Arbeiten zur Struktur des Atomkerns.

Ausbildung und früher wissenschaftlicher Werdegang

Nach dem Besuch des Gammelholm-Gymnasiums immatrikulierte sich Bohr 1903 an der Universität Kopenhagen, wo er Physik bei Christian Christiansen studierte und zugleich philosophische Einflüsse aufnahm, insbesondere von Søren Kierkegaard und William James. Seinen Masterabschluss erwarb er 1909, seine Promotion folgte 1911 mit einer Dissertation über die Elektronentheorie der Metalle.

Ein Postdoc-Aufenthalt am Cavendish-Laboratorium in Cambridge unter J. J. Thomson verlief wenig ergiebig; dagegen erwies sich Bohrs Wechsel nach Manchester im Jahr 1912, wo er bei Ernest Rutherford arbeitete, als weichenstellend. Rutherfords kurz zuvor erfolgte Entdeckung des Atomkerns lieferte Bohr die empirische Grundlage, auf der er seine revolutionäre Theorie des Atoms aufbauen sollte. 1916 kehrte er nach Kopenhagen zurück und übernahm eine eigens für ihn geschaffene Professur für theoretische Physik.

Das Bohrsche Atommodell

Im Jahr 1913 veröffentlichte Bohr seine berühmte Trilogie von Aufsätzen unter dem Titel „On the Constitution of Atoms and Molecules" in der Philosophical Magazine. Das Bohrsche Atommodell nahm an, dass Elektronen diskrete, quantisierte Bahnen – sogenannte „stationäre Zustände" – um den Kern einnehmen und dass Atome Strahlung nur dann absorbieren oder emittieren, wenn Elektronen zwischen diesen Bahnen springen, wobei Licht einer Frequenz ausgesendet oder absorbiert wird, die durch die Energiedifferenz zwischen den betreffenden Bahnen festgelegt ist.

Das Modell erklärte die Spektrallinien des Wasserstoffatoms mit verblüffender Genauigkeit, einschließlich der empirischen Rydberg-Formel, und lieferte mit der Anordnung der Elektronen in Schalen eine physikalische Begründung für die Periodizität der chemischen Elemente. Obwohl das Modell klassisch geprägt war und später durch die vollständige Quantenmechanik der Jahre 1925–1926 abgelöst wurde, führte es das Quantenpostulat erstmals in die Atomphysik ein und begründete die Realität der Energiequantisierung endgültig. Zu den dauerhaften Vermächtnissen des Modells zählen der Bohrsche Radius und das Bohrsche Magneton, Größen, die bis heute grundlegend für die Atomphysik sind. Bohrs schalenbaasierte Überlegungen führten auch zu der Vorhersage, dass das Element 72, Hafnium, das 1923 in Kopenhagen entdeckt wurde, chemisch dem Zirkonium ähneln würde.

Das Kopenhagener Institut und der Aufstieg der Quantenmechanik

1921 gründete Bohr das Institut für theoretische Physik in Kopenhagen, das in erheblichem Umfang von der Carlsberg-Stiftung gefördert wurde. Das Institut wurde zum intellektuellen Epizentrum der Quantenrevolution und zog nahezu alle bedeutenden Physiker der Epoche an, darunter Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, Erwin Schrödinger, George Gamow, Lew Landau und Hendrik Kramers. Die dort herrschende kooperative und kritisch zugespitzte Atmosphäre wurde informell als „Kopenhagener Geist" der Forschung bezeichnet. Das Institut wurde 1965 in Niels-Bohr-Institut umbenannt und gehört bis heute zu den führenden physikalischen Forschungszentren.

Komplementarität und Kopenhagener Deutung

Bohrs zentraler begrifflicher Beitrag war das Komplementaritätsprinzip, das er erstmals 1927 öffentlich vorstellte. Er argumentierte, dass durch die Quantenmechanik beschriebene Objekte – etwa Elektronen – einander ausschließende, jedoch gleichermaßen notwendige Eigenschaften aufweisen, beispielsweise wellenartiges und teilchenartiges Verhalten, je nach der experimentellen Anordnung, mit der sie beobachtet werden. Kein einzelnes Experiment kann alle Aspekte eines Quantenphänomens zugleich offenlegen, und die Bedingungen der Beobachtung bilden einen untrennbaren Bestandteil dessen, was über das Phänomen sinnvoll ausgesagt werden kann.

Zusammen mit den in Kopenhagen entwickelten verwandten Ideen bildet die Komplementarität den Kern der sogenannten Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik, die das philosophische Verständnis der Theorie über Jahrzehnte dominierte. Bohr formulierte zudem das Korrespondenzprinzip, dem zufolge quantenmechanische Vorhersagen im Grenzfall großer Quantenzahlen in die klassische Physik übergehen müssen – eine Richtschnur, die den Aufbau der frühen Quantentheorie maßgeblich anleitete.

Auseinandersetzung mit Einstein

Bohrs erkenntnistheoretische Positionen wurden am berühmtesten von Albert Einstein bestritten, in einem langandauernden Dialog, der auf den Solvay-Konferenzen von 1927 und 1930 sowie in nachfolgenden Veröffentlichungen geführt wurde. Einstein entwarf eine Reihe von Gedankenexperimenten, darunter den „Photonenkasten", die innere Widersprüche der Quantenmechanik aufdecken sollten; Bohr beantwortete jedes davon, indem er zeigte, wie die experimentellen Bedingungen selbst die Schlussfolgerungen verunmöglichten, die Einstein anstrebte. 1935 veröffentlichten Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen das EPR-Paradoxon, das die Vollständigkeit der Quantentheorie in Frage stellte; Bohrs Antwort, die er selbst als einen seiner wichtigsten Aufsätze betrachtete, verteidigte diese Vollständigkeit und schärfte zugleich seine Auffassung von Messung und physikalischer Realität. Die Bohr-Einstein-Debatte bleibt bis heute ein Präzedenzfall der Physikphilosophie und nahm moderne Untersuchungen zur Quantenverschränkung und Quanteninformation vorweg.

Kernphysik und Zweiter Weltkrieg

In den späten 1930er Jahren wandte sich Bohr der Kernphysik zu. 1939 entwickelte er gemeinsam mit John Wheeler das Tröpfchenmodell und die Theorie des Compound-Kerns, womit er kurz nach der Entdeckung der Kernspaltung eine quantitative Erklärung dieses Vorgangs lieferte und vorhersagte, dass das seltene Isotop Uran-235 dasjenige sei, das durch langsame Neutronen spaltbar ist.

Nach der Besetzung Dänemarks durch das nationalsozialistische Deutschland im Jahr 1940 blieb Bohr in Kopenhagen und schützten Flüchtlingswissenschaftler. Im September 1943, vor einer drohenden Verhaftung gewarnt, entkam er per Boot nach Schweden, wo er dazu beitrug, die schwedischen Behörden zur Gewährung von Asyl für dänische Juden zu bewegen. Anschließend wurde er nach Großbritannien geflogen – wobei er sein Leben beinahe verlor, als in großer Höhe seine Sauerstoffversorgung versagte – und schloss sich dem atomaren Alliiertenprogramm an, das er in London und in Los Alamos unter dem Decknamen „Nicholas Baker" unterstützte. Die Auswirkungen von Kernwaffen auf die internationale Sicherheit beunruhigten ihn zusehends; seine diesbezüglichen Warnungen übermittelte er 1944 – vergeblich – an Churchill und Roosevelt.

Aktivitäten in der Nachkriegszeit

Nach seiner Rückkehr nach Kopenhagen im Jahr 1945 widmete Bohr seine wachsende Energie der Förderung von Offenheit und internationaler Zusammenarbeit in der Wissenschaft. Sein „Offener Brief an die Vereinten Nationen" von 1950 forderte die Errichtung einer Weltordnung gegenseitiger Transparenz, um eine nukleare Katastrophe zu verhindern; 1957 erhielt er den ersten Atoms-for-Peace-Preis. Er wirkte an der Gründung des europäischen Laboratoriums CERN mit und war erster Vorsitzender des 1957 begründeten Nordischen Instituts für Theoretische Physik (NORDITA). Von 1939 bis zu seinem Tod stand er der Königlich Dänischen Akademie der Wissenschaften vor. 1947 wurde er in den Elefanten-Orden aufgenommen und führte fortan ein Wappen, das das chinesische Taijitsu-Symbol und den Wahlspruch contraria sunt complementa – „die Gegensätze sind komplementär" – trug. Bohr starb am 18. November 1962 in seinem Kopenhagener Zuhause an Herzversagen.

Eigenarten des Bohrschen Denkens

Bohrs Denkstil war berühmt für seinen dialektischen und indirekten Charakter. Seine Aufsätze entstanden durch unzählige diktierte Überarbeitungen, und sein dichter, vorsichtiger Prosastil trug unter Kollegen den Beinamen „Bohr-Speak". Er legte außerordentliches Gewicht auf die erkenntnistheoretischen Lehren der Quantentheorie und vertrat die Auffassung, dass die Physik Grenzen nicht nur für das Messbare, sondern auch für das sinnvoll Sagbare offengelegt habe. Das Paradoxon war für ihn kein Hindernis, sondern ein Ansporn: „Wie wunderbar, dass wir auf ein Paradoxon gestoßen sind", bemerkte er einst. „Jetzt haben wir Hoffnung, Fortschritte zu machen." Seine Reflexionen erstreckten sich auch auf Biologie, Psychologie und Sprache, und sein Beharren auf der Komplementarität beeinflusste Denker weit über die Physik hinaus.

Wirkung und Vermächtnis

Bohrs Vermächtnis ist allgegenwärtig. Das Bohrsche Atommodell gehört nach wie vor zum Grundbestand der Physikausbildung; Komplementarität und Kopenhagener Deutung prägen bis heute die Debatten über die Grundlagen der Quantenmechanik; und die von ihm gegründeten Institute tragen bedeutende Forschungsprogramme. Das chemische Element Bohrium (Ordnungszahl 107) wurde ihm zu Ehren 1997 benannt, ebenso ein Mondkrater und der Asteroid (3948) Bohr. Seine Korrespondenz, seine Manuskripte und das umfangreiche Niels-Bohr-Archiv bleiben unverzichtbare Quellen für die Wissenschaftsgeschichte. Historiker und Physiker reihen ihn neben Einstein und Heisenberg unter die entscheidenden Gestalten der Umwälzung der physikalischen Wissenschaft im zwanzigsten Jahrhundert ein.

Weitere Namensträger

Der Familienname Bohr ist mit mehreren weiteren bedeutenden Dänen verbunden. Christian Bohr (1855–1911), Niels' Vater, entdeckte die Abhängigkeit der Sauerstoffbindungskapazität des Hämoglobins vom Säuregrad und der Kohlenstoffdioxidkonzentration, den sogenannten Bohr-Effekt. Harald Bohr (1887–1951) leistete bedeutende Beiträge zur Analysis, namentlich zur Theorie der fastperiodischen Funktionen und zum Satz von Bohr–Landau. Aage Bohr (1922–2009) entwickelte gemeinsam mit Ben Mottelson das vereinheitlichte Modell des Atomkerns, das mit dem Nobelpreis für Physik von 1975 gewürdigt wurde. Abgeleitete wissenschaftliche Begriffe sind unter anderem das Bohrsche Atommodell, der Bohrsche Radius, das Bohrsche Magneton und der Bohr-Effekt.

Siehe auch

• Bohrsches Atommodell
• Kopenhagener Deutung
• Bohrium
• Niels-Bohr-Institut
• Bohr-Einstein-Debatte