Bohr

Bohr verwijst in de eerste plaats naar Niels Henrik David Bohr (7 oktober 1885 – 18 november 1962), een Deens natuurkundige die baanbrekende bijdragen leverde aan het begrip van de atoomstructuur en de kwantumtheorie en die in 1922 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontving. De naam duidt tevens op een vooraanstaande Deense geleerdenfamilie, waarvan Niels Bohr het bekendste lid was, evenals op een reeks wetenschappelijke begrippen, instituten en objecten die naar hem of zijn familie zijn vernoemd. Bohr geldt als een van de hoofdarchitecten van de natuurkunde van de twintigste eeuw; hij maakte van Kopenhagen een wereldcentrum voor theoretisch onderzoek en heeft zowel de wetenschap als de filosofie van het kwantumtijdperk diepgaand vormgegeven.

Achtergrond en familie

Niels Bohr werd geboren in Kopenhagen in een intellectueel vooraanstaand huishouden. Zijn vader, Christian Bohr, was hoogleraar fysiologie aan de Universiteit van Kopenhagen; zijn moeder, Ellen Adler, kwam uit een welvarende Deens-Joodse bankiersfamilie. Het huis was een ontmoetingsplaats voor vooraanstaande Deense geleerden, en de filosoof Harald Høffding was een nauwe familievrriend. Bohrs jongere broer, Harald Bohr, werd een gerenommeerd wiskundige en won bovendien een olympische zilveren medaille als lid van het Deense nationale voetbalelftal.

In 1912 trouwde Bohr met Margrethe Nørlund, die zijn belangrijkste intellectuele metgezel werd en meewerkte aan het uitschrijven van zijn vaak wirwarachtige manuscripten. Het echtpaar kreeg zes zonen; een van hen, Aage Bohr, volgde zijn vader in de natuurkunde en deelde in 1975 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor onderzoek naar de structuur van de atoomkern.

Opleiding en vroege wetenschappelijke carrière

Na zijn schooltijd aan het Gammelholm Gymnasium schreef Bohr zich in 1903 in aan de Universiteit van Kopenhagen, waar hij natuurkunde studeerde onder Christian Christiansen en tevens filosofische invloeden opnam, met name van Søren Kierkegaard en William James. Hij behaalde zijn mastergraad in 1909 en promoveerde in 1911 op een proefschrift over de elektronentheorie van metalen.

Een postdocperiode aan het Cavendish-laboratorium in Cambridge onder J. J. Thomson leverde weinig op, maar Bohrs verhuizing in 1912 naar Manchester om met Ernest Rutherford te werken bleek doorslaggevend. Rutherfords recente ontdekking van de atoomkern bood Bohr de empirische basis waarop hij zijn revolutionaire atoomtheorie zou bouwen. In 1916 keerde hij terug naar Kopenhagen, waar hij een nieuw geschapen hoogleraarschap in de theoretische natuurkunde aanvaardde.

Het Bohr-model van het atoom

In 1913 publiceerde Bohr zijn beroemde drieluik van artikelen, "On the Constitution of Atoms and Molecules", in de Philosophical Magazine. Het Bohr-model stelde dat elektronen zich in discrete, gekwantiseerde banen – of "stationaire toestanden" – rond de kern bevinden, en dat atomen straling alleen opnemen of uitzenden wanneer elektronen tussen deze banen springen, daarbij licht uitzendend of absorberend met een frequentie die bepaald wordt door het energieverschil tussen de banen.

Het model verklaarde met opvallende nauwkeurigheid de spectraallijnen van het waterstofatoom, waaronder de empirische Rydberg-formule, en gaf een fysische rechtvaardiging voor de periodiciteit van de chemische elementen via de rangschikking van elektronen in schillen. Hoewel het in opzet klassiek was en later werd vervangen door de volledige kwantummechanica die in 1925–1926 werd ontwikkeld, voerde het model het kwantumpostulaat voor het eerst in de atoomfysica in en vestigde het ondubbelzinnig de realiteit van energiekwantisatie. Tot de blijvende erfenis behoren de Bohrstraal en het Bohr-magneton, grootheden die nog steeds fundamenteel zijn voor de atoomfysica. Bohrs redenering over schillen leidde ook tot de voorspelling dat element 72, hafnium, dat in 1923 in Kopenhagen werd ontdekt, chemisch zou lijken op zirkonium.

Het Kopenhaagse instituut en de opkomst van de kwantummechanica

In 1921 richtte Bohr het Instituut voor Theoretische Fysica in Kopenhagen op, dat aanzienlijke steun ontving van het Carlsbergfonds. Het instituut werd het intellectuele middelpunt van de kwantumrevolutie en trok vrijwel elke belangrijke natuurkundige van die tijd aan, waaronder Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, Erwin Schrödinger, George Gamow, Lev Landau en Hendrik Kramers. De collaboratieve en kritische sfeer aldaar werd informeel bekend als de "Kopenhaagse geest" van wetenschapsbeoefening. Het instituut werd in 1965 hernoemd tot het Niels Bohr-instituut en is nog altijd een toonaangevend centrum voor natuurkunde.

Complementariteit en de Kopenhaagse interpretatie

Bohrs centrale conceptuele bijdrage was het beginsel van de complementariteit, dat hij voor het eerst publiekelijk presenteerde in 1927. Hij betoogde dat objecten die door de kwantummechanica worden beschreven, zoals elektronen, wederzijds uitsluitende maar evenzeer noodzakelijke eigenschappen vertonen – bijvoorbeeld golfeachtig en deeltjesachtig gedrag – afhankelijk van de experimentele opstelling waarmee ze worden waargenomen. Geen enkel experiment kan alle aspecten van een kwantumfenomeen tegelijk onthullen, en de omstandigheden van waarneming vormen een onlosmakelijk deel van wat zinvol over het fenomeen kan worden gezegd.

Samen met verwante ideeën die in Kopenhagen werden ontwikkeld, vormt de complementariteit de kern van wat de Kopenhaagse interpretatie van de kwantummechanica wordt genoemd, die decennialang het filosofische begrip van de theorie domineerde. Bohr formuleerde eveneens het correspondentieprincipe, inhoudende dat kwantumvoorspellingen in de limiet van grote kwantumgetallen moeten convergeren met de klassieke natuurkunde – een richtlijn die de opbouw van de vroege kwantumtheorie voor een groot deel leidde.

Debatten met Einstein

Bohrs epistemologische standpunten werden het bekendst bestreden door Albert Einstein, in een langlopende dialoog gevoerd tijdens de Solvay-congressen van 1927 en 1930 en in daaropvolgende publicaties. Einstein bedacht een reeks gedachte-experimenten, waaronder de "fotonendoos", bedoeld om interne tegenstrijdigheden in de kwantummechanica aan het licht te brengen; Bohr beantwoordde elk ervan door te laten zien hoe de experimentele omstandigheden zelf de conclusies die Einstein nastreefde onmogelijk maakten. In 1935 publiceerden Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen de EPR-paradox, die de volledigheid van de kwantumtheorie ter discussie stelde; Bohrs antwoord, dat hij beschouwde als een van zijn belangrijkste artikelen, verdedigde die volledigheid en verscherpte tegelijk zijn opvattingen over meting en fysische realiteit. Het Bohr–Einstein-debat blijft een ijkpunt in de filosofie van de natuurkunde en kondigde de moderne studie van kwantumverstrengeling en kwantuminformatie aan.

Kernfysica en de Tweede Wereldoorlog

In de late jaren dertig richtte Bohr zich op de kernfysica. In 1939 ontwikkelde hij, samen met John Wheeler, het druppelmodel en de theorie van de samengestelde kern, waarmee hij kort na de ontdekking van kernsplijting een kwantitatieve verklaring ervan gaf en voorspelde dat de zeldzame isotoop uranium-235 de splijtbare stof onder langzame neutronen zou zijn.

Na de Duitse bezetting van Denemarken in 1940 bleef Bohr in Kopenhagen, waar hij vluchtende wetenschappers onderdak bood. In september 1943, gewaarschuwd voor een naderende arrestatie, ontvluchtte hij per boot Zweden, waar hij er mede voor zorgde dat de Zweedse autoriteiten asiel verleenden aan Deense Joden. Vervolgens werd hij per vliegtuig naar Groot-Brittannië gebracht – hij ontsnapte ternauwernood aan de dood toen op grote hoogte zijn zuurstofvoorziening uitviel – en sloot hij zich aan bij het geallieerde atoomproject, werkzaam in Londen en te Los Alamos onder de schuilnaam "Nicholas Baker". Hij werd diep bezorgd over de gevolgen van kernwapens voor de internationale veiligheid; waarschuwingen die hij in 1944 tevergeefs aan Churchill en Roosevelt overbracht.

Activiteiten en pleitbezorging na de oorlog

Na zijn terugkeer in Kopenhagen in 1945 besteedde Bohr steeds meer energie aan het bevorderen van openheid en internationale samenwerking in de wetenschap. Zijn "Open Brief aan de Verenigde Naties" van 1950 pleitte voor een wereldorde van wederzijdse transparantie om een nucleaire catastrofe te voorkomen, en in 1957 ontving hij de eerste Atoms for Peace Award. Hij droeg bij aan de oprichting van het Europese laboratorium CERN en was de eerste voorzitter van het Noordse Instituut voor Theoretische Fysica (NORDITA), opgericht in 1957. Van 1939 tot aan zijn dood was hij voorzitter van de Koninklijke Deense Academie van Wetenschappen. In 1947 werd hij opgenomen in de Olifantenorde en voerde hij een wapenschild met het Chinese taijitu-symbool en het devies contraria sunt complementa – "tegenstellingen zijn complementair". Bohr overleed aan hartfalen in zijn woning in Kopenhagen op 18 november 1962.

Kenmerken van Bohrs denken

Bohrs denkwijze was beroemd dialectisch en indirect. Hij schreef zijn artikelen door middel van ontelbare gedicteerde revisies, en zijn dichte, voorzichtige proza kreeg onder collega's de bijnaam "Bohr-speak". Hij hechtte buitengewoon veel waarde aan de epistemologische lessen van de kwantumtheorie en was van mening dat de natuurkunde grenzen had onthuld niet alleen aan wat meetbaar is, maar ook aan wat zinvol gezegd kan worden. Paradoxen waren in zijn ogen geen hindernis maar een stimulans: "Wat wonderbaarlijk dat we een paradox zijn tegengekomen," merkte hij op, "nu hebben we hoop vooruitgang te boeken." Zijn beschouwingen reikten tot de biologie, de psychologie en de taal, en zijn nadruk op complementariteit beïnvloedde denkers ver buiten de natuurkunde.

Invloed en nalatenschap

Bohrs nalatenschap is alomtegenwoordig. Het Bohr-model is nog steeds een hoeksteen van het natuurkundeonderwijs; complementariteit en de Kopenhaagse interpretatie blijven de discussies over de fundamenten van de kwantummechanica structureren; en de instituten die hij oprichtte dragen grote onderzoeksprogramma's. Het chemische element bohrium (element 107) werd in 1997 naar hem vernoemd, evenals een maankrater en de planetoïde 3948 Bohr. Zijn correspondentie, manuscripten en het uitgebreide Niels Bohr Archive vormen nog steeds essentiële bronnen voor wetenschapshistorici. Historici en natuurkundigen rekenen hem, naast Einstein en Heisenberg, tot de bepalende figuren in de transformatie van de natuurwetenschap in de twintigste eeuw.

Andere dragers van de naam

De familienaam Bohr is verbonden aan verscheidene andere vooraanstaande Denen. Christian Bohr (1855–1911), Niels' vader, ontdekte de afhankelijkheid van de zuurstofbindende capaciteit van hemoglobine van de zuurgraad en de koolstofdioxideconcentratie, bekend als het Bohr-effect. Harald Bohr (1887–1951) leverde belangrijke bijdragen aan de analyse, met name aan de theorie van bijna-periodieke functies en de stelling van Bohr–Landau. Aage Bohr (1922–2009) ontwikkelde, samen met Ben Mottelson, het verenigde model van de atoomkern, hetgeen werd bekroond met de Nobelprijs van 1975. Afgeleide wetenschappelijke termen zijn onder meer het Bohr-model, de Bohrstraal, het Bohr-magneton en het Bohr-effect.

Zie ook

• Bohr-model
• Kopenhaagse interpretatie
• Bohrium
• Niels Bohr-instituut
• Bohr–Einstein-debat