Dyk ned i kvantefysikkens fødsel ...og hvorfor Einstein og Bohr altid kørte for langt

Aage og Niels Bohr diskuterer fysik ved tavlen. Illustration: Niels Bohr Library

Danmark er netop gået ind i ‘Videnskabsår22’; et initiativ fostret af Niels Bohr Institutet, som i 2022 markerer to 100-års jubilæer: Indvielsen af instituttet og dets første bygning på Blegdamsvej i København samt tildelingen af Nobelprisen i fysik til Niels Bohr.

Det første 100-års jubilæum fandt rent faktisk sted sidste år, men festligholdelsen er udskudt til i år pga. covid-19.

Det danske videnskabsår er også det danske bidrag til FN’s International Year of Basic Sciences for Sustainable Development. Pandemien har dog skubbet aktiviteterne i det internationale år til perioden juli 2022 til juni 2023.

Dette foto stammer fra 1922 og er taget i forbindelse med tildelingen af Nobelprisen til Niels Bohr samme år. Illustration: Ingeniøren

Niels Bohr er ubestridt den mest kendte danske videnskabsmand gennem tiderne såvel inden for som uden for landets grænser. En optælling i Dansk Adresseregister viser, at 24 veje i Danmark er opkaldt efter Niels Bohr, mens en anden markant dansk videnskabsmand, H.C. Ørsted, må tage til takke med 15.

Dansk forskning – og ikke mindst dansk fysikforskning – nyder stadig i høj grad gavn af Niels Bohrs virke, som får mange forskere til at valfarte til Danmark. Både Bohr og København kender alle kvantefysikere verden over om ikke andet så for Københavnerfortolkningen udviklet af Niels Bohr og måske i endnu højere grad af Werner Heisenberg i slutningen af 1920’erne.

Når kvantefysikerne mødes til konferencer, holder de af og til afstemning om, hvilken fortolkning af kvantemekanikken, de tager mest seriøst. Københavnerfortolkningen kommer regelmæssigt ud som nummer et med omkring halvdelen af stemmerne. Selvom den har sine problemer, gælder det samme nemlig for alternativerne.

Læs også: Niels Bohr-fysiker giver sit bud: Sådan flyver ufoer ...hvis de findes

Det var Heisenberg, der opfandt ordet Københavnerfortolkningen. Det skete så sent som i 1955 i indlægget The Development of the Interpretation of the Quantum Theory i et hyldestskrift for Niels Bohr i anledning af hans 70-års fødselsdag.

Københavnerfortolkningen baserer sig på, at kvantemekanikken helt fundamentalt er indeterministisk eller tilfældig. Der findes altså ikke en dybere deterministisk beskrivelse, som Albert Einstein mente. Men selv om Einstein tog fejl i sin konkrete kritik, lever hans generelle synspunkt videre. Nogle fysikere mener således i dag, at der kan tænkes en form for superdeterminisme som et fundament under kvantemekanikken.

Når kvantefysikerne efter næsten 100 år stadig ikke er enige om en for­ståelse af kvantemekanikken, er det, fordi den underlige måde, hvorpå bølgefunktionen ifølge Københavner- fortolkningen kollapser, når man foretager en måling eller observation – og man dermed går fra en kvante­tilstand til en tilstand beskrevet ved klassisk fysik – stadig er et af kvante­­­fysikkens helt store mysterier.

Da der tilmed er forskellige varianter af Københavnerfortolkningen, gik det så vidt, at den amerikanske fysiker David Mermin i 1989 nedkogte essensen til »Shut up and calculate«.

Det blev meget hurtigt et populært og stadig brugt udtryk i kvantefysik­kredse. I dag indrømmer Mermin dog, at udtrykket nok ikke var særlig heldigt.

»Det var en lidt for ­udspekuleret og tankeløs formulering,« har han indrømmet i et interview i det amerikanske digitale magasin Aeon i december 2021.

Kvantefysik 0.1 og 0.2

Udviklingen af kvantemekanikken i 1920’erne og 1930’erne kan vi i dag kalde for kvantefysik 1.0.

Den gav en dyb forståelse af kvantefænomener, som bl.a. i 1950’erne og fremefter gjorde det muligt at udvikle moderne computerteknologi.

I dag bugner laboratorierne med teknologi baseret på kvantefysik 2.0. Her udnytter man ikke kun kvantefænomener men manipulerer direkte med dem til nye former for kommunika­tions- og sensorteknologi samt ikke mindst kvantecomputere.

Men det hele begyndte med, hvad vi kan kalde kvantefysik 0.1 og 0.2.

Hvor Max Planck skød kvantefysik 0.1 i gang i 1900 med forklaring på, at strålingens energi var kvantificeret, og Albert Einstein byggede videre herpå med at forklare den fotoelektriske effekt i 1905, var det Niels Bohr, som tog kvantefysikken til det næste niveau 0.2.

Niels Bohr var i 1911 blevet dr.phil. på en afhandling med titlen Studier over Metallernes Elektronteori. Med et rejselegat fra Carlsbergfondet drog han i september samme år til England for at besøge elektronens opdager, J.J. Thomson, i Cambridge.

Opholdet hos Thomson var mindre heldigt, så i begyndelsen af 1912 tog Bohr i stedet til Ernest Rutherford i Manchester. Han havde kort forinden opdaget, at al den positive ladning i et atom og hovedparten af dets masse var samlet i en lille atomkerne, mens de negative elektroner befandt sig uden om kernen – på en måde, som ingen kunne forklare ud fra den kendte klassiske fysik.

Hjemme i København i 1913 formulerede Niels Bohr med udgangspunkt i Rutherfords forsøg sin simple atommodel.

Den var baseret på to afgørende postulater. Atomer har stationære tilstande med elektroner i stabile baner. Spring mellem to tilstande sker, når atomet udsender eller modtager energi svarende til energiforskellen mellem to stationære tilstande.

Bohr tog kort efter tilbage til Rutherford, hvor han blev til 1916, hvor der blev oprettet et professorat i København.

I første omgang måtte Bohr tage til takke med et beskedent kontor hos Polyteknisk Læreanstalt i Sølvgade – det var kummerlige forhold i sammenligning med Manchester, som på det tidspunkt havde et af verdens allerbedste fysiklaboratorier.

Allerede året efter indleverede Niels Bohr til universitetet en ansøgning om oprettelse af en ny institutbygning. Med offentlig og privat støtte lykkedes det at skaffe finansiering til at bygge universitetets Institut for Teoretisk Fysik på Blegdamsvej, som kunne indvies 3. marts 1921.

Artiklen forsætter under illustrationen.

Den nye bygning til Københavns Universitets Institut for Teoretisk Fysik stod færdig i 1920 og blev officielt indviet 3. marts 1921. Dermed var 100-års jubilæet altså sidste år, men fejringen blev udskudt til i år pga. covid-19. Illustration: Ingeniøren

Ved sin indvielsestale pointerede Niels Bohr, at eksperimentel fysik skulle være en del af det nye instituts aktiviteter, uanset at navnet udelukkende pegede mod teoretisk fysik.

Der var ingen tvivl i ind- og udland om, at det var Bohrs institut, men først i 1965, tre år efter Niels Bohrs død, skiftede instituttet officielt navn til Niels Bohr Institutet.

Læs også: Ni ud af ti dødssynder ramte Niels Bohr byggeriet: Se dem her

444 gæster fra 35 lande

Niels Bohr blev det samlende midtpunkt for en række begavede fysikere fra nær og fjern.

I perioden fra 1921 til 1961 tilbragte 444 forskere fra 35 lande en periode på en måned eller længere hos Niels Bohr i København.

Den første gæst og studerende var hollandske Hendrik Anton Kramers, der dukkede uanmeldt op hos Niels Bohr allerede i 1916. Han blev Bohrs første elev og assistent, indtil han i 1926 vendte hjem til Holland.

På instituttet var der sjove lege og ophidsede eller intense diskussioner. De kunne trække ud, som da Niels Bohr og Albert Einstein kørte frem og tilbage gennem København med sporvogn i en så ivrig diskussion, at de hver gang glemte at stå af ved stoppestedet på Blegdamsvej.

Når instituttet kom op at stå og fik gode forhold, var det ikke mindst fordi, Niels Bohr havde store evner som fundraiser, som videnskabshistorikeren og den tidligere leder af Niels Bohr Arkivet Finn Aaserud ved flere lejligheder har beskrevet.

Året før indvielsen havde Carlsbergfondet eksempelvis bevilget 20.000 kr. – det svarer til tæt på en halv million kroner i dagens priser – til indkøb af en gitterspektrograf til eksperimentelle undersøgelser af atomets struktur.

Finn Aaserud har peget på, at Bohrs evner som fundraiser ikke mindst kom til udtryk, da han i 1930’erne drejede instituttets forskningsaktiviteter fra atomfysik til studier af atomkernen med støtte fra bl.a. Carlsbergfondet og den amerikanske Rockefeller Foundation.

Forskning inden for dette område i begyndelsen af 1950’erne udført af Niels Bohrs søn Aage i samarbejde med den nytilkomne amerikaner Ben Mottelson udløste en nobelpris i fysik i 1975.

Det var ikke den første af slagsen til instituttet. I 1943 havde ungarske George de Hevesy modtaget Nobelprisen i kemi for brug af isotoper som sporstoffer ved undersøgelse af kemiske processer for forskning udført ved Bohrs institut i 1930’erne.

Niels Bohr blev selv første gang nomineret til Nobelprisen i fysik i 1917. I 1922 var antallet af nomineringer af Bohr nærmest eksploderet. De kom bl.a. fra den første Nobelprismodtager fysik i 1901, Wilhelm Conrad Röntgen, og fra Rutherford, der havde fået prisen i kemi i 1908.

Et problem var dog, at Albert Einstein endnu ikke havde modtaget en nobelpris – ikke mindst fordi der var modstandere i Nobelkomiteen af at tildele prisen til Einstein for hans måske mest banebrydende bidrag: relativitetsteorien.

Klip fra forsiden af Politiken 10. november 1922. Tildelingen af prisen var annonceret dagen før, men selve medaljen blev først overrakt 10. december – årsdagen for Alfred Nobels død i 1896 – som stadig er den dag, hvor Nobelpriserne hvert år uddeles. Illustration: Ingeniøren

Der var ikke uddelt en nobelpris i fysik i 1921. Løsningen blev derfor, at Albert Einstein i 1922 blev tildelt Nobelprisen for 1921 for forklaringen på den fotoelektriske effekt, og ved samme lejlighed blev Niels Bohr annonceret som modtager af prisen for 1922 for »sine fortjenester inden for undersøgelsen af atomernes struktur og den stråling, der udgår fra dem«.

Læs også: Boganmeldelse: Kvantethriller om attentatforsøg på Bohr og Einstein

I et brev til Einstein skrev Bohr, at han var glad for, at både Rutherford, Planck og Einstein dermed havde modtaget en pris inden for atomfysik før ham selv. Einstein bemærkede i et svar, at det var udtryk for rigtig bohrsk ydmyghed.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Jeg elsker det billede af to ekstremt dygtige fysikere der diskuterer i sporvognen og ingen af dem opdager når de skal stå af...!

  • 5
  • 0

"Det danske videnskabsår er også det danske bidrag til FN’s International Year of Basic Sciences for Sustainable Development"

Der dukker hele tiden nye ord og begreber op, som det kan være svært at få hold på.

Kunne nogle hjælpe mig med eksempler på Basic Sciences der hhv er Sustainable Development og ikke er?

  • 2
  • 4
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten