Niels Bohr, de pionier

Niels Bohr staat bekend als een van de pioniers van een bijzonder deelgebied van de natuurkunde, namelijk de quantummechanica. De onvermoeibare Deen bezat een ongekend doorzettingsvermogen en een zeer scherpe en levendige geest, zowel op wetenschappelijk als op politiek gebied. Kennislink deed een ‘fictief interview’ met de invloedrijke denker uit Kopenhagen.

door

UPDATE
In het interview hebben we de winnende lezersvraag opgenomen van onze prijsvraag Wat vraag je een knappe kop?. Scroll naar het eind van het interview om de vraag – en het antwoord van Niels Bohr hierop – te lezen!

B23

Niels Bohr (1885-1962) in zijn eigen instituut in Kopenhagen. wikimedia commons

Niels Bohr was de eerste met een groots inzicht in de allerkleinste deeltjes: hij bedacht dat voor het beschrijven van de kleinste bouwsteentjes van de natuur – deeltjes die de interne structuur van atomen vormen – hele andere natuurwetten moesten gelden dan voor de bekende, ‘grote’ wereld om ons heen.

Naast zijn baanbrekende wetenschappelijke werk was hij een fanatiek sportman en zette hij zich – met name in de herfst van zijn leven – in voor een wereld zonder kernwapens.

Mijnheer Bohr, u wordt wel een van de meest invloedrijke wetenschappers van de twintigste eeuw genoemd. Wanneer kwam u voor het eerst in contact met de wereld van de wetenschap?
“Dat heb ik te danken aan het wekelijkse praatclubje van mijn vader, die hoogleraar in de geneeskunde was aan de Universiteit van Kopenhagen.

Elke vrijdagavond kwamen er allerlei bevriende wetenschappers bij ons over de vloer, en werd er op hoog niveau gediscussieerd over allerlei aspecten van de wetenschap. Mijn broer Harald en ik mochten daar bij zijn. Niet dat we alles begrepen, maar het was machtig interessant! Bovendien kregen we ook allerlei progressieve ideeën over politiek met de paplepel ingegoten, daar ben ik mijn vader nog altijd dankbaar voor."

Uw broer Harald was anderhalf jaar jonger dan u maar studeerde sneller af (in de wiskunde) én promoveerde eerder dan u. Maar na uw promotie nam uw carrière plots een snelle vlucht omhoog, hoe kwam dat zo?"
“In 1912 ontmoette ik de briljante experimentator Ernest Rutherford. Hij stelde na proeven met alfadeeltjes voor dat een atoom moest bestaan uit een positief geladen kern met daar omheen cirkelend de elektronen. Een piepklein zonnestelsel eigenlijk. Maar met dat model was een groot probleem. Een deeltje dat om een kern heen beweegt zou vrijwel direct al zijn energie verliezen en op de kern botsen. Het atoom zoals Rutherford dat voorstelde was instabiel. Bovendien verklaarde het model niet waarom elk element een uniek lichtspectrum heeft. Dat probleem wist ik twee jaar later op te lossen!”

In uw proefschrift Studies over de elektronentheorie van metalen uit 1911 schreef u al dat u de klassieke fysica niet langer geschikt vond op atoomniveau. Zocht u de oplossing in een hele andere richting?
“Inderdaad. U moet het zich als volgt voorstellen: elektronen kunnen zich niet in elke mogelijke baan rond de atoomkern bevinden, maar alleen op vaste energieniveau’s. Wanneer een elektron energie absorbeert kan het zich tijdelijk op een hoger energieniveau begeven. Wanneer het weer terugspringt zendt het energie uit in de vorm van een lichtdeeltje (foton). Die overgang heet een quantumsprong. Het was onmogelijk om mijn theorie te verifiëren door experimenten, maar het verklaarde de unieke lichtspectra van atomen én verklaarde waarom atomen wel degelijk stabiel waren.”

Bohr-model-pic

Schematische weergave van het atoommodel van Bohr. De frequentie van de straling die wordt uitgezonden wordt mede bepaald door de constante van Planck (ℎ).

Een theorie die niet ondersteund werd door experimenten? Dat was in het begin van de twintigste eeuw gewaagd…
“Zeker! En ik kan er uren over doorpraten. Experimentele bewijzen had ik niet, maar mijn theorie kon allerlei verschijnselen verklaren die anders onverklaarbaar waren. Mijn oplossing werkte, en daar ging het om!
Maar er komt straks een belangrijke voetbalwedstijd op tv die ik niet wil missen, dus laten we vooral doorgaan met het interview.”

Bent u zo’n sportman?
“Ik ben vooral een fanatiek voetballer. Ik heb jaren op doel gestaan bij Akademisk Boldklub, een van de topclubs van mijn geboorteland Denemarken. Helaas heb ik nooit in het nationale elftal mogen spelen. Mijn broer Harald trouwens wel. Hij speelde in het Deense elftal dat op de Olympische Spelen van 1908 zilver won.

Overigens zit ik met mooi weer ook graag op de Chita, de zeilboot van ons gezin. Heerlijk waren die dagen met mijn vrouw Margarthe en onze zonen op het water… Ik praat er trouwens liever niet te lang over want dan word ik nogal emotioneel. Mijn oudste zoon is namelijk om het leven gekomen bij een zeilongeval. Dus laten we het liever weer over wetenschap hebben. Mijn andere zoons verging het gelukkig beter. Wist u dat een andere zoon van mij, Aage Bohr, ook een succesvolle natuurkundige is? Ik zie hem nog wel eens een nobelprijs winnen…

Tsja, het zou zomaar kunnen. U kreeg zelf in 1922 de Nobelprijs voor uw onderzoek naar de structuur van atomen en straling. Kunt u daar iets meer over vertellen?
“Kijk, een eenvoudig waterstofatoom bestaat uit een kern met daar omheen slechts één elektron. In dat geval is het idee van vaste energieniveau’s en quantumsprongen nog wel behapbaar. Bij atomen met meer elektronen wordt het al snel uiterst ingewikkeld.”

“Tussen 1913 en 1922 was ik vooral bezig met het uitwerken van mijn ideeën op atomen met meer elektronen rond de kern. Ik ontdekte bijvoorbeeld dat in sommige complexe atomen de buitenste elektronen ellipsvormige banen hebben. Uiteindelijk kon ik met mijn quantumtheorie de eigenschappen van de elementen (volgens het periodiek systeem, red.) verklaren.”

D213atom01115

Op het oog rommelige aantekeningen van Bohr die hij tussen 1920 en 1921 uitwerkte bij zijn onderzoek naar de structuur van atomen met veel elektronen.

“Nu ik er aan terug denk was het een mooie tijd. Helemaal toen ik in 1922 directeur werd van mijn eigen Niels Bohr-instituut in Kopenhagen. Daar waren we echt aan het uitzoeken wat de quantumtheorie nu precies betekende. Het vreemde gedrag van deeltjes op atomaire schaal was iets totaal nieuws in die tijd.”

Tegen welke problemen liepen u en uw collega’s in Kopenhagen zoal aan?
“Allerlei problemen, maar het belangrijkste probleem was dat we licht vooral als een elektromagnetische golf begrepen. Een aantal jaren eerder had de grote Albert Einstein al ingezien dat licht ook deeltjeseigenschappen heeft. Het foton dat wordt afgegeven bij een quantumsprong had duidelijk eigenschappen van een deeltje. Dus was licht nu een deeltje of een golf? Het leek allebei te kunnen. Mijn jongere collega Werner Heisenberg kwam met een theorie die het gedrag van licht als deeltjes beschreef, terwijl de Oostenrijker Erwin Schrödinger een gelijkwaardige formule gaf voor golfverschijselen. Twee theorieën dus, die beide een hele andere werkelijkheid leken te beschrijven. We begrepen er in eerste instantie niets van!”

Niels_bohr_institute_1

Niels Bohr-Instituut in Kopenhagen. wikimedia commons

Klopt het dat u Heisenberg, die in een zolderkamertje op uw instituut woonde, regelmatig ’s nachts wakker maakte om over dit probleem te discussieren?
“Zeker. We konden het beiden niet verdragen! Uiteindelijk bedachten we allebei een eigen oplossing. Heisenberg kwam met zijn beroemde onzekerheidsprincipe. Dat zegt dat je van een quantumdeeltje – zoals een foton – nooit alle eigenschappen met gelijke nauwkeurigheid kan meten. Hoe nauwkeuriger je de positie meet, hoe minder nauwkeurig je de snelheid kunt meten. Dus geldt ook: als je de deeltjesaspecten meet gaat alle informatie over de golfaspecten verloren.

Heisenberg’s benadering ging puur uit van wiskundige principes. Maar volgens mij had de quantummechamica ook belangrijke filosofische implicaties. In mijn interpretatie bestaat er geen onafhankelijke werkelijkheid los van onze waarnemingen. Het waargenomen verschijnsel en de meetinstrumenten vormen als het ware één geheel. Een foton of een elektron is – afhankelijk van het experiment – een golf óf een deeltje. Dat noem ik complementariteit: golfeigenschappen en deeltjeseigenschappen vullen elkaar aan, maar kunnen nooit tegelijkertijd waargenomen worden."

“In het algemeen zou je kunnen zeggen dat een deeltje – voordat het gemeten wordt – een waarschijnlijkheidsgolf van mogelijke eigenschappen is. Je kan dan alleen iets over een deeltje zeggen in termen van een kansberekening.”

Ae61

Beroemde foto van Bohr en Einstein uit 1927, terwijl de twee discussiëren over de interpretatie van de quantummechanica. wikimedia commons

Ik kan me voorstellen dat u daar nadien de nodige kritiek op heeft gehad…
“Jazeker, en niet van de minste! Albert Einstein was het niet met onze ‘Kopenhaagse interpretatie’ eens. Dat wil zeggen, hij zag de quantummechanica niet als een complete beschrijving van de natuur. Het zat hem vooral dwars dat er geen werkelijkheid zou bestaan onafhankelijk van de waarneming. Met allerlei gedachte-experimenten probeerde hij aan te tonen dat de quantummechanica niet volledig was. Die experimenten wist ik stuk voor stuk te ontkrachten. Maar u heeft hem al gesproken voor deze rubriek, toen heeft hij vast zijn kant van het verhaal al verteld.”

Zijn verhaal is inmiddels bekend ja. Het zal u trouwens verheugen dat uw Kopenhaagse interpretatie ook anno 2012 nog altijd breed gedragen wordt onder natuurkundigen!
“Fantastisch! Ik wist wel dat mijn interpretatie van die vreemde quantumwereld de beste was!”

Er wordt over u beweerd dat u betrokken bent geweest bij het Manhattan Project, het Amerikaanse project om een atoombom te maken. Waarom deed u dat?
“Ik vluchtte in 1943 Denemarken vanwege de bezetting door de Nazi’s. Via Zweden kwam ik toen in Engeland terecht. Ik ging later naar Amerika omdat ik juist een nucleaire wapenwedloop wilde helpen voorkomen! Ze hadden mij echt niet nodig om die bom te ontwikkelen. Ik heb met president Roosevelt gesproken en hem erop gewezen dat kernwapens een enorm gevaarlijke situatie voor de mensheid creëren. Omdat kernwapens voor alle landen even bedreigend zijn, bieden ze een unieke mogelijkheid om een wereldwijd akkoord te bereiken om ze niet te gebruiken.

Denmark_1997_500_kroner_f_mm

Niels Bohr op een Deens bankbiljet van 500 kronen uit 1997.

Een voorwaarde voor zo’n akkoord was natuurlijke vrije toegang tot wetenschappelijke informatie. Mijn ideaal van een open wereld zou een wapenwedloop kunnen voorkomen. Helaas dachten de hoge heren – Roosevelt en met name de Britse premier Churchill – daar anders over. Het resultaat is bekend."

Wilt u tenslotte nog iets vertellen over uw ontmoeting met Heisenberg in Kopenhagen, 1941? Er gaan geruchten dat hij u probeerde over te halen mee te werken aan de ontwikkeling van een atoomwapen voor de Duitsers.
“Tsja, veel mensen vragen mij daar de laatste jaren naar, maar ik heb me nu eenmaal voorgenomen er nooit meer iets over te zeggen…

Dan zullen we het met een historische reconstructie van de wekelijkheid moeten doen. Vind u het een goede reconstructie?
“Het spijt me, maar ik zeg er echt niets over.”

Tot slot leg ik u de winnende lezersvraag voor. Uit alle inzendingen hebben we de leukste uitgekozen. Die is van Jeroen van Daalen uit Amstelveen. Hij schrijft: “Ik hoor u niets zeggen over uw ‘waterdruppel-model’ voor de atoomkern. Op basis hiervan werd kreeg men beter inzicht in kernsplijting en daarmee kennis van de mogelijkheden van een atoombom. Bent u dan niet medeverantwoordelijk voor de ontwikkeling van kernwapens?”
“Het waterdruppel-model is grotendeels door de Duitse wetenschapper Carl Friedrich von Weizsäcker bedacht, maar ik heb zijn model in 1936 inderdaad verder uitgewerkt. Het model zegt dat deeltjes in een atoomkern zich gedragen als moleculen in een waterdruppel. Op de deeltjes aan de binnenkant werken andere krachten, (onder andere door werking van de sterke kernkracht, red.) dan op de deeltjes aan de buitenkant, die te maken hebben met een soort oppervlaktespanning.”

“Welnu, als de energieverhoudingen veranderen, bijvoorbeeld door invang van een neutron, kan de kern net als een druppel water van vorm veranderen en uiteindelijk in twee delen splijten. Dat was inderdaad een van mijn theoretische inzichten. Maar daarmee ben ik niet verantwoordelijk voor wat er later met die kennis gedaan is. Wetenschappers die op mijn inzicht voortbouwden, zoals Otto Hahn en Lise Meitner waren geenszins van plan een atoombom te maken.”

Dit artikel maakt onderdeel uit van de serie ‘Knappe koppen op de koffie’ waarbij acht beroemde natuurkundigen ‘fictief geïnterviewd’ worden. Bekijk hier de andere artikelen.

Bronnen

  • Giulio Peruzzi, Bohr. Van kwantumsprong tot ‘big science’, (Veen Magazines, 2007)
  • Niels Bohr, Biography (Nobelprize.org)
  • Manjid Kumar, Kwantum. Einstein, Bohr en het grote debat over de natuurkunde (Ambo Anthos, 2010)