136 שנה להולדתו של נילס בוהר, מגדולי הפיזיקאים של המאה ה-20 ומאבות מכניקת הקוונטים

נילס הנריק דויד בּוֹהר (Bohr), חתן פרס נובל בפיזיקה ומאבות תורת הקוונטים, נולד בקופנהגן בירת דנמרק ב-7 באוקטובר 1885 למשפחה אמידה. אביו כריסטיאן היה פרופסור לפיזיולוגיה באוניברסיטת קופנהגן ואמו, הלן אדלר, הייתה בת למשפחת בנקאים יהודית מכובדת. בצעירותו היה בוהר כדורגלן מצטיין וכיכב כשוער של קבוצת הכדורגל אקדמיסק בולדקלוב (Akademisk Boldklub), שהייתה בין הקבוצות הבולטות בדנמרק של ראשית המאה ה-20. בהמשך, כשבחר להתמקד בקריירה האקדמית, הוא גילה בין השאר שהכדורגל והאלקטרון מצייתים לחוקים פיזיקליים שונים מאוד והגודל בהחלט קובע.

בוהר היה הילד האמצעי משלושה. אחיו הצעיר, הארלד, שיחק גם הוא באותה קבוצת כדורגל ואף הגיע לנבחרת הלאומית, ובהמשך הפך למתמטיקאי בולט. אחותם הבכורה, ג'ני, הייתה מורה. השלושה גדלו בבית שבו הסקרנות והמדע היו חלק בלתי נפרד מהחיים. אביהם הירבה לארח דמויות בולטות מהקהילה המדעית הדנית וילדיו הוזמנו לנכוח בדיונים המדעיים.

כבר בגיל צעיר הראה נילס כישרון מכני ואהבה לתיקון חפצים ברחבי הבית. כישרונו בפיזיקה בלט בבית הספר, שם הוא נהג לחפש מידע נוסף להרחבת חומר הלימוד הרגיל שנלמד בכיתה ומצא שלל שגיאות ופרטים לא מעודכנים בספרי הלימוד. בשנת 1903 החל ללמוד באוניברסיטת קופנהגן ועד מהרה מצא את עצמו נמשך במיוחד לפיזיקה התיאורטית, ובפרט למבנה האטום.

נהג למצוא טעויות בספרי הלימוד. נילס בוהר בצעירותו | מקור: SCIENCE PHOTO LIBRARY
נהג למצוא טעויות בספרי הלימוד. נילס בוהר בצעירותו | מקור: SCIENCE PHOTO LIBRARY

בקיעים בהבנת העולם הפיזיקלי

למרבה המזל זכה בוהר להתחיל את דרכו המדעית בשנים שבהן העולם המדעי חווה גל עצום של תגליות מסעירות בהבנת המציאות הפיזיקלית. רק שנים ספורות קודם לכן גילה הפיזיקאי הבריטי ג'וזף ג'ון תומסון (Thomson) את האלקטרון ובוהר התעניין מאוד בעבודתו. את התואר השני הקדיש המדען הדני הצעיר לתכונות הפיזיקליות של מתכות ואת הדוקטורט כתב על התנהגות האלקטרונים במתכות. 

אחרי סיום הדוקטורט קיבל בוהר מלגה שאפשרה לו לנסוע לאנגליה ולהשתלם אצל תומסון. בתום חצי שנה הזמין אותו הפיזיקאי ארנסט רת'רפורד, שהיה תלמידו של תומסון, להישאר במעבדתו.

רת'רפורד היה זה שגילה שהאטום מורכב מגרעין בעל מטען חשמלי חיובי, שבו מרוכזת רוב המסה של האטום, ואילו האלקטרונים בעלי המטען השלילי חגים סביבו בערבוביה במרחק רב. בוהר הבין מהר מאוד שמודל האטום הזה לא מסתדר לחלוטין עם הידע הפיזיקלי של ימיו – מדוע האלקטרונים לא נופלים לתוך הגרעין? הרי על פי התיאוריה האלקטרומגנטית הקלאסית, האלקטרון, כגוף טעון הנמצא בתאוצה, אמור לפלוט קרינה וכך לאבד אנרגיה שתגרום לו לצנוח בתוך זמן קצר בתנועה לוליינית (ספירלית) לתוך הגרעין.

לא הבין מדוע האלקטרונים לא נופלים. בוהר ואשתו מרגריט על האופנוע של חברו, הפיזיקאי ג'ורג' גאמוב | PHOTOGRAPHER GEORGE GAMOW, COLOURED BY SCIENCE PHOTO LIBRARY FROM A MONOCHROME COURTESY OF NEILS BOHR ARCHIVE, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS
לא הבין מדוע האלקטרונים לא נופלים. בוהר ואשתו מרגריט על האופנוע של חברו, הפיזיקאי ג'ורג' גאמוב | PHOTOGRAPHER GEORGE GAMOW, COLOURED BY SCIENCE PHOTO LIBRARY FROM A MONOCHROME COURTESY OF NEILS BOHR ARCHIVE, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS

העולם של הדברים הזעירים

באותה תקופה החלו מדענים לטוות את העקרונות של מכניקת הקוונטים, הענף בפיזיקה העוסק בתופעות המתרחשות בקנה המידה של האטום והחלקיקים הקטנים ממנו. מקס פלאנק (בעיית הגוף השחור), אלברט איינשטיין (האפקט הפוטואלקטרי) ופיזיקאים אחרים גילו כי מצבי האנרגיה של מערכות פיזיקליות הם בדידים ולא רציפים, וניסויים הראו כי חומרים פולטים קרינה בתדרים מסוימים אך לא בטווח רצוף של תדרים. על סמך הגילויים האלה הגה בוהר מודל אטום חדש.

בוהר הבין כי על מנת שהאלקטרונים לא יצנחו לתוך הגרעין, וכדי שיהיה אפשר להסביר את רמות האנרגיה הבדידות שנצפו בניסויים, האלקטרונים צריכים לנוע רק במסלולים "מותרים", שיש להם אנרגיה מסוימת ושהתנע הזוויתי שלהם הוא כפולה שלמה של ערך בסיסי שנקרא "קבוע פלאנק המצומצם". כל עוד האלקטרון נמצא באחד המסלולים המותרים הוא אינו פולט אנרגיה, אך במעבר ממסלול בעל אנרגיה גבוהה למסלול בעל אנרגיה נמוכה הוא ישחרר אנרגיה השווה להפרש האנרגיות בין המסלולים.

את רעיונותיו פרסם בוהר בסדרת מאמרים בשנת 1913, וקיבל על תגליתו את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1922. גם בהמשך דרכו התמקד בעקרונות העומדים בבסיס מכניקת הקוונטים. בין השאר הוא טבע את המושג עקרון ההשלמה (Complementarity principle), הקובע כי אובייקטים קוונטיים כמו אלקטרון ופוטון (חלקיק של אור) יכולים להתנהג הן כחלקיק והן כגל, בהתאם לאופן שבו מודדים אותם. שתי דרכי ההסתכלות הללו – כגל וכחלקיק – סותרות זו את זו בהיבטים מסוימים, אך שתיהן נחוצות כדי לספק תיאור שלם של האובייקט.

בוהר גם תמך בפרשנות ההסתברותית של מכניקת הקוונטים, שמכונה גם "פרשנות קופנהגן". לפי הפרשנות הזאת, שמקובלת כיום על רוב הפיזיקאים, יש גדלים פיזיקליים, למשל מיקום או תנע, שערכיהם מוגדרים רק אחרי שמודדים אותם. עד שהגודל נמדד הוא אינו מוגדר אלא קיים כסכום של מצבים, או סופרפוזיציה, שלכל אחד מהם קיימת הסתברות מסוימת להתממש במהלך המדידה.

מדובר בפרשנות מרחיקת לכת מבחינה מדעית ופילוסופית. בגישה המדעית הקלאסית, המשתקפת למשל בחוקי התנועה והכבידה של אייזק ניוטון שמתארים היטב את התנהגותם של עצמים גדולים – למשל כדורגל, אפשר לפחות להלכה לדעת הכול על מערכת מסוימת בזמן מסוים, ולכן אפשר גם לדעת בוודאות איך היא תתנהג כעבור זמן מסוים. אך לפי הגישה ההסתברותית, תמיד תהיה קיימת אי-ודאות כלשהי במערכת, ולכן אפשר לדבר רק על הסתברות לכך שהמערכת תתנהג בצורה זו או אחרת.

גם הטענה שהמדידה עצמה משפיעה על האופן שבו המערכת תתנהג הייתה מהפכנית. בוהר, שהוביל את הפרשנות ההסתברותית, התווכח על כך רבות עם ידידו אלברט איינשטיין, שתמך בפרשנות הדטרמיניסטית וטען, בפרפרזה, "אלוהים לא משחק בקוביות". למעשה, עד אחרית ימיו איינשטיין סירב להשלים עם האופי ההסתברותי של מכניקת הקוונטים וטען שעוד לא מצאנו את התיאור הפיזיקלי האמיתי – הדטרמיניסטי – שעומד מאחורי מכניקת הקוונטים.

בוהר (מימין) ועמיתו וולפגנג פאולי בוחנים התהפכות של סביבון ב-1955 | PHOTOGRAPH BY ERIK GUSTAFSON WITH PERMISSION FROM THE GUSTAFSON FAMILY, COLOURED BY SCIENCE PHOTO LIBRARY, COURTESY NEILS BOHR ARCHIVE, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS
דבק בפרשנות ההסתברותית. בוהר (מימין) ועמיתו וולפגנג פאולי בוחנים התהפכות של סביבון ב-1955 | PHOTOGRAPH BY ERIK GUSTAFSON WITH PERMISSION FROM THE GUSTAFSON FAMILY, COLOURED BY SCIENCE PHOTO LIBRARY, COURTESY NEILS BOHR ARCHIVE, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS

רוחות מלחמה

בשנים הבאות עבר מוקד העניין המחקרי של בוהר לתהליכים המתרחשים בתוך גרעין האטום, ובין השאר הוא תרם תרומה משמעותית להבנת התיאוריה שמאחורי תהליך הביקוע הגרעיני. בשנות ה-30, אחרי עליית הנאצים לשלטון בגרמניה הוא פעל כדי לסייע למדענים שנרדפו בידי המשטר עקב יהדותם או השקפת עולמם – להימלט למערב. הוא עצמו נשאר בדנמרק גם אחרי שנפלה לידי הגרמנים, אך בשנת 1943 נאלץ בסופו של דבר לברוח לארצות הברית.

אף כי בתחילה לא האמין שיהיה מעשי לבנות פצצה גרעינית בעתיד הנראה לעין, בוהר הצטרף לפרויקט מנהטן – התוכנית האמריקאית לפיתוח פצצת האטום. במהלך עבודתו שם הוא ניסה לשכנע את מקבלי ההחלטות שחשוב לשתף את ברית המועצות בידע הגרעיני, משום שעולם שיש בו כלי נשק להשמדה המונית חייב לדעתו לאפשר זרימה חופשית של מידע, אך דעתו לא התקבלה.

אחרי המלחמה חזר בוהר לדנמרק, ונמנה שם עם מקימי המרכז האירופי למחקר גרעיני CERN, שעבר בשנת 1957 לז'נבה ובמסגרת פעילותו הוקם מאיץ החלקיקים הגדול בעולם. בוהר היה ידיד של מדינת ישראל ואף קיבל תואר דוקטור לשם כבוד מהטכניון בשנת 1959.

הוא הלך לעולמו ב-18 בנובמבר 1962 בגיל 77. תגליותיו ועבודתו המדעית תרמו רבות להבנתנו את התופעות המתרחשות בקנה המידה האטומי. לא בכדי הוא נחשב לאחד המדענים הגדולים של המאה ה-20. גם בנו, אווה (Aage) בוהר, זכה בפרס נובל לפיזיקה, בשנת 1975. לצד העשייה המדעית הוא פעל רבות לקידום הפיקוח הבינלאומי על הנשק הגרעיני בעולם ולמען השימוש באנרגיה האטומית לצרכי שלום.