Нильс Бор – человек и ученый

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное Государственное Образовательное Учреждение

высшего профессионального образования

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

ГЕОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ГЕОГРАФИИ, КРАЕВЕДЕНИЯ И ТУРИЗМА

 

 

Самостоятельная творческая работа

Нильс Бор – человек и ученый

к курсу «Концепция современного естествознания»

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка Авилова А. А.

Проверила: доцент Черкашина И. Ф.

 

 

 

Ростов-на-Дону

2012 г.

 «Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной»

Нильс Бор (7 октября 1885, Копенгаген — 18 ноября 1962, Копенгаген) - датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики[3].

Характеристика времени, эпохи.

Важно  знать сложившуюся ситуацию в науке, в физике,  чтобы осознавать вклад Нильса Бора в ее развитие и направленность его научных исследований. На рубеже XIX и XX вв. разразился великий кризис классической физики. Принято считать, что он длился до 1920-х гг. Кризис был обусловлен неспособностью прежних физических концепций объяснить ряд экспериментально открытых феноменов, а также внутренними логическими противоречиями классической картины мира. Так, классическая электродинамика Максвелла оказалась несовместима с классической механикой. Опыты Майкельсона, Троутона-Нобла, Кауфмана лишь подчеркнули эти противоречия. Но препятствия были преодолены усилиями Г. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского, заложивших основы новой неклассической механики в виде Специальной Теории Относительности (СТО), которая оказалась совместима с электродинамикой Максвелла, но отвергала классическую механику. Теперь классическая механика представила собой предельный случай релятивистской механики,– случая скоростей, много меньших скорости света. В это же время делает большие успехи атомная физика: открыт электрон, доказана реальность атомов, эмпирически открыты законы излучения атомами сплошного и дискретного спектров, открыт фотоэффект, Э. Резерфорд открыл атомное ядро и построил классическую планетарную модель атома. И снова эксперименты оказались в противоречии с прогнозами классической механики и электродинамики Максвелла. Лорд Кельвин охарактеризовал эти противоречия как маленькие облачка на чистом горизонте классической физики, в целом совершенной и правильной. Однако в итоге именно эти противоречия заставили учёных отказаться от классической физики и принять новую квантовую физику и механику, активным участником разработки которой и был Нильс Бор. Вместе с теорией относительности они устраняли противоречия и верно предсказывали результаты наблюдений [1-2].

Предпосылки к научному познанию.

Нильс Бор родился в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора. Возможно, благодаря Христиану Бору, дважды становившемуся кандидатом на Нобелевскую премию по физиологии и медицине, Нильс проявил явную склонность к науке, а именно к физике и математике, а также к философии. И в 1903 году, поступив в Копенгагенский университет, один из старейших университетов Европы, обнаружил в себе тягу к исследованию загадок атомарной структуры вещества.  В 1910 Бор получил степень магистра, а в мае 1911 защитил докторскую диссертацию по классической электронной теории металлов. В своей диссертационной работе Бор, развивая идеи Лоренца, доказал важную теорему классической статистической механики, согласно которой магнитный момент любой совокупности элементарных электрических зарядов, движущихся по законам классической механики в постоянном магнитном поле, в стационарном состоянии равен нулю. В 1919 эта теорема была независимо переоткрыта Йоханной ван Лёвен и носит название теоремы Бора — ван Лёвен. Из неё непосредственно следует невозможность объяснения магнитных свойств вещества (в частности, диамагнетизма), оставаясь в рамках классической физики. Это, видимо, стало первым столкновением Бора с ограниченностью классического описания, подводившим его к вопросам квантовой теории{3}. Защита Нильса прошла блестяще, и молодой доктор отбывает на годичную стажировку в Англию. Ее назначение - работа в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Стажировка подходила к завершению, когда Бор совсем неожиданно повстречался с Резерфордом, который предложил ему присоединится к его группе в Манчестере[4].

Основные теории и открытия.

Бор известен как создатель первой квантовой теории атома. Необходимость создания этой теории заключалась в нестабильности атома Резерфорда. Планетарная модель атома Резерфорда не могла объяснить стабильность атома: крутящиеся по орбитам электроны, теряя при излучении энергию, постепенно сужали бы витки орбиты и падали б на ядро. А значит, модель нуждалась в исправлении.  Выход из кризиса был найден А. Эйнштейном и Н. Бором. Бор развил вывод Эйнштейна о том, что зависимость E=hf означает излучение и поглощение всей энергии сразу, неделимой порцией-квантом, в виде целой порции E=hf, применив его к модели Резерфорда: раз электроны не могут излучать непрерывно, а излучают энергию лишь порциями, то они уже не станут постепенно падать на ядро, а должны двигаться по стационарным орбитам без излучения. Лишь в момент излучения электрон скачком меняет орбиту, излучая соответствующую порцию энергии. При этом, поскольку энергия электронов квантована, их стационарные орбиты могут иметь лишь определённые радиусы. Этим же были объяснены дискретные линейчатые спектры атомов: каждой линии, каждой частоте в спектре отвечал определённый переход электрона с одной стационарной орбиты на другую, с излучением определённой энергии, жёстко связанной с частотой излучения. Тем самым, казалось бы, была решена ещё одна проблема классической физики, для которой дискретный характер атомных спектров долгое время представлялся загадочным. Таким образом, выход из этого кризиса физики, на первый взгляд, тоже был найден, хотя и дорогой ценой: ценой отказа от принципов классической механики и электродинамики, где энергия меняется и излучается непрерывно[1].

Принципиально новой чертой в теоретико-познавательном анализе квантовых явлений, согласно Бору, является введение основополагающего различия между измерительным прибором и исследуемым объектом. Взаимодействие между измерительными приборами и атомными объектами образует неотделимую составную часть явлений атомного мира. Квантовомеханическое описание атомных объектов должно быть связано с классическим описанием применяемых измерительных инструментов. Вместе с другими ведущими представителями квантовой теории Нильс Бор придерживался мнения, что исследование субатомных явлений в мельчайших подробностях невозможно, потому что любая попытка изучения этих процессов сопровождается нежелательным вмешательством измерительных инструментов в ход событий. Поэтому при прогнозировании квантовомеханических процессов можно говорить только о вероятности их наступления, но не о естественно необходимой достоверности. Все положения теории атома имеют вероятностный характер. Все законы атомной физики являются вероятностными законами[5-6].

Наряду с понятием вероятности, властно выступившим на передний план в Боровском теоретико-познавательном изложении вопросов квантовой механики, фундаментальное значение получило также различие между возможностью и реальностью, которое не имело гносеологической ценности для классической механики и которым поэтому пренебрегали. Понятие возможности, которое означает только «потенциально существующее», в дальнейшем развитии хода мысли Бора и Гейзенберга стало настоящим ядром философской интерпретации явлений атомной физики.

 Бор отдал должное и ядерной физике. В 1936 г. он объяснил механизм протекания ядерных реакций. А в 1939 г.  предложил так называемую капельную модель ядра. Вместе с Джоном Уилером разработал количественную теорию процесса деления урана под действием нейтронов. Во время визита в Принстон в начале 1939 г. Бор определил, что один из обычных изотопов урана, уран-235, является расщепляемым материалом, что оказало существенное влияние на разработку атомной бомбы[6].

В своих теоретико-познавательных работах Бор не только выступал всегда как материалист, но был самобытным и глубоким диалектиком. Его принцип дополнительности, отражающий непримиримые противоречия микромира, является диалектическим принципом в полном смысле слова. Открытие этого принципа – главная заслуга датского физика перед теорией познания. Одно только это открытие позволяет рассматривать Бора как одного из крупнейших теоретиков среди ученых-естествоиспытателей нового времени.

Библиографический список.

Книги:

Н. Бор. Атомная физика и человеческое познание. — М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1961.

Н. Бор. Избранные научные труды. — В 2-х томах. — М.: Наука, 1970—71.

Статьи:

N. Bohr. «On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I» // Philosophical Magazine. — 1913. — Т. 26. — С. 1—24.

Н. Бор «О сериальных спектрах элементов» // УФН. — 1922. — Т. 3. — № 1. — С. 29-64.  — Перевод доклада, прочитанного 27 апреля 1920 года на заседании Немецкого Физического Общества в Берлине и опубликованного в журнале «Zeitschrift für Physik», Bd. 2, p. 423 (1920).

Н. Бор «О строении атомов» // УФН. — 1985. — Т. 3. — № 4. — С. 417-448. — Перевод Нобелевского доклада, сделанного 11 декабря 1922 г. в Стокгольме и опубликованного в журнале «Die Naturwissenschaften», Bd. 11, p. 606 (1923).

Н. Бор «Квантовый постулат и новое развитие атомистики» // УФН. — 1928. — Т. 7. — № 3. — С. 306—337. — Перевод статьи, содержащей основные идеи доклада на конгрессе в Комо и опубликованной в журналах «Nature» (Vol. 121, p. 580, 1928) и «Naturwissenschaften» (Bd. 16, p. 245, 1928).

Н. Бор «Захват нейтрона и строение ядра» // УФН. — 1936. — Т. 14. — № 4. — С. 425—435. — Перевод статьи в журнале «Nature», февраль 1936, стр. 19.

А. Эйнштейн, Б. Подольский, В.А. Фок, Н. Бор, Н. Розен «Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?» // УФН. — 1936. — Т. 14. — № 4. — С. 436—457. — Перевод статьи в журнале «Physical Review» (Vol. 48, p. 696, 1935), являющейся ответом на работу А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена с тем же названием. В УФН приводятся обе статьи с комментариями В. А. Фока.

Н. Бор, Ф. Калькар «О превращениях атомных ядер, вызванных столкновениями с материальными частицами» // УФН. — 1938. — Т. 20. — № 3. — С. 317—340.

Н. Бор «Ядерный фотоэффект» = Nuclear Photo-effects // Nature 141, 326-327 (19 February 1938) // УФН. — 1938. — Т. 20. — № 3. — С. 341—343.

Н. Бор «Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике» = Niels Bohr, Discussion with Einstein on epistemological problems in atomic physics. The Library of Living Philosophers, Albert Einstein: Philosopher — Scientist, p. 201 (1949) // УФН. — 1958. — Т. 66. — № 4. — С. 571—598. — Работа сопровождается замечаниями В. А. Фока.

Н. Бор «О единстве человеческих знаний» // УФН. — 1962. — Т. 76. — № 1. — С. 20—24. — Речь на Международном конгрессе по фармацевтическим наукам, произнесённая в Копенгагене 29 августа 1960 г.

Н. Бор «Воспоминания об Э. Резерфорде — основоположнике науки о ядре. Дальнейшее развитие его работ» = The Rutherford Memorial Lecture 1958. Reminiscences of the Founder of Nuclear Science and of some Developments Based on his Work // УФН. — 1963. — Т. 80. — № 2. — С. 215—250. — Лекция памяти Э. Резерфорда, прочитанная 28 ноября 1958 г. в Лондонском физическом обществе и опубликованная в журнале «Proceedings of Physical Society», Vol. 78, p. 1083 (1961).

Н. Бор «Сольвеевские конгрессы и развитие квантовой физики» = Niels Bolir, The Solvay Meetings and the Development of Quantum Physics // La Theorie Quantique des Champs, Interscience Publishers, New York, 1962 // УФН. — 1967. — Т. 91. — № 4. — С. 737—753. — Перевод послания 12-му Сольвеевскому конгрессу, состоявшемуся в Брюсселе в октябре 1961 г. Работа сопровождается замечаниями С. Г. Суворова.

Н. Бор «О действии атомов при соударениях.» = Uber die Wirkung von Atomen bei Stossen, Zs. Phys. 34, 142; 154—157 (Nachschrift) (1925) // УФН. — 1977. — Т. 122. — № 8. — С. 571—574.

Н. Бор. «Письмо Нильса Бора президенту США Рузвельту (1944)» // УФН. — 1985. — Т. 146. — С. 5—6.

Н. Бор «Проблема причинности в атомной физике» = Воhr N. The Causality Problem in Atomic Physics.— In: New Theories in Physics.— Paris, 1939.— pp. 11—30 // УФН. — 1985. — Т. 147. — № 10. — С. 343—355. — Перевод доклада на Международном конгрессе физиков в Варшаве в 1938 г.

Н. Бор «Открытое письмо Организации Объединенных Наций» // УФН. — 1985. — Т. 147. — № 2. — С. 357—366. — Перевод письма, отправленного на имя Генерального секретаря ООН 12 июня 1950 года и одновременно опубликованного в журнале «Science», Vol. 112, p. 1—6 (1950). Письмо сопровождается замечаниями С. Г. Суворова[3].

Современники об ученом.

 Но теоретико-познавательные устремления Бора и его учеников долгое время не встречали понимания и превратно истолковывались. Временные сомнения Бора в строгой универсальности закона сохранения энергии и количества движения в сфере атома были использованы в философской литературе в качестве примеров «антинаучных выводов» и «скатывания к идеализму и агностицизму». Большая заслуга в устранении этих и подобных недоразумений принадлежит, наряду с другими, советским физикам Иоффе и Фоку.

Иоффе в своей книге воспоминаний «Встречи с физиками» убедительно показал, что Бор ни в какой мере не отрицал реальности внешнего мира; он только стремился к тому, чтобы установить своеобразие его познаваемости. Нильс Бор, как писал Иоффе, был великим мыслителем, непрерывно развивающим и углубляющим свои представления о природе не только физических, но и биологических явлений[6].

Свои впечатления от первой беседы с Бором во время прогулки Гейзенберг выразил следующим образом:

«Эта прогулка оказала сильнейшее влияние на моё последующее научное развитие, или, пожалуй, можно сказать лучше, что моё собственно научное развитие только и началось с этой прогулки»[7].

В биографических мемуарах о Боре Эйнштейн сказал однажды:

«Что удивительно привлекает в Боре как ученом-мыслителе, так это редкий сплав смелости и осторожности; мало кто обладал такой способностью интуитивно схватывать суть скрытых вещей, сочетая это с обостренным критицизмом. Он, без сомнения, является одним из величайших научных умов нашего века»[8].

Избранные высказывания.

Рассказывают, что Бор часто приглашал своих учеников и коллег в гости к себе на дачу, расположенную на одном из многочисленных прибрежных датских островков. Однажды молодой физик, переживавший этап воинствующего рационализма в своем мировоззрении, что в юности свойственно многим, заметил над входной дверью дачного домика прибитую гвоздем лошадиную подкову.

— Но вы же, профессор Бор, — возмутился он, — не верите во всю эту чушь, будто бы подкова приносит удачу?!

— Конечно, не верю, — улыбнулся в ответ Бор. — Главное, что работает, а веришь ты в это или нет — не важно [5].