Aaserud og Henry Nielsen
Niels Bohr Institutet, eller Universitetets Institut for teoretisk Fysik som det hed frem til 1965, er ubetinget den nationalt og internationalt mest kendte og velansete naturvidenskabelige institution i Danmark i det 20. århundrede.1 Dets etablering i mellemkrigstiden og den videre udvikling i de næste fyrretyve år er tæt forbundet med personen Niels Bohr, der i anseelse som fysiker i det 20. århundrede kun overgås af Albert Einstein. Dette kapitel giver en kronologisk fremstilling af Bohrs karriere, hans instituts opbygning og ekspansion samt instituttets centrale bidrag til kvante-, atom- og kernefysikkens udvikling. Det vil heraf fremgå, at Bohr ikke alene var en stor fysiker, men også en betydelig lederskikkelse, der forstod at udnytte alle muligheder til sikring af instituttets fortsatte ekspansion, og at markante kursændringer af instituttets forskning, især i 1930’erne og 1950’erne, kun kan forstås på den baggrund. Det vil også fremgå, at Bohr og hans instituts historiske betydning ikke alene er forbundet med de konkrete videnskabelige resultater, men også med den såkaldte »Københavnerånd«, der indebar en speciel uformel arbejdsstil og et udpræget internationalt samarbejde mellem yngre fysikere fra hele verden.
Bohrs tidlige karriere
Niels Bohr blev født den 7. oktober 1885 som det mellemste barn i en velstående og liberalt orienteret familie.2 Moderen Ellen, født Adler, kom fra en jødisk bankierfamilie i København. Faderen Christian var forsker og lærer i fysiologi på Københavns Universitets medicinske fakultet og leder af et internationalt fremstående forskningsinstitut. Inden sin tidlige død i 1911 nåede han at blive professor på universitetet samt indstillet til nobelprisen i fysiologi og medicin to gange. Foruden Niels havde ægteparret to andre børn, en ældre datter Jenny og en yngre søn Harald. Jenny blev skolelærer. Harald blev professor i matematik på Københavns Universitet og var indtil sin død i 1951 sin brors nære våbenfælle i alle slags spørgsmål. Niels har senere erindret, at han og hans søskende som børn fik lov til at lytte til regelmæssige diskussioner i hjemmet mellem faderen og tre fremtrædende intellektuelle på universitetet – filosoffen Harald Høffding, fysikeren Christian Christiansen og filologen VilhelmThomsen. Den voksne Niels fortæller, at denne erfaring gjorde et dybt og varigt indtryk.3
3.1 Niels Bohrs forsvar af doktorafhandlingen fandt sted få måneder efter faderens død i 1911 og blev behørigt omtalt i førende danske aviser, her Dagbladet.
Som nybagt student i 1903 besluttede Bohr at kaste sig over fysikstudiet, hvorunder han bl.a. havde Høffding og Christiansen som lærere i henholdsvis filosofi og fysik. Bohrs første selvstændige bidrag til fysikken var besvarelsen af en prisopgave, stillet af Det kongelige danske Videnskabernes Selskab i 1905, vedrørende bestemmelsen af væskers overfladespænding. Arbejdet, der både var eksperimentelt og teoretisk, blev tildelt Selskabets guldmedalje i 1907. Både magister- og doktorarbejdet drejede sig om »metallernes elektronteori« og blev udført under vejledning af Christiansen.
Det stod klart for Bohr, at næste logiske skridt i karrieren ville være et udlandsophold. Med støtte fra Carlsbergfondet, der senere skulle blive en væsentlig bidragyder til Bohr og hans institut, valgte Bohr at tage ophold i Cambridge hos nobelpristageren J.J. Thomson, kendt som opdageren af elektronen. Opholdet blev dog ikke helt, hvad Bohr havde forventet, for han fik snart det indtryk, at Thomson ikke rigtig interesserede sig for hans arbejde. I marts 1912 flyttede Bohr derfor til Manchester efter indbydelse fra professor Ernest Rutherford, som han havde truffet der i efteråret 1911. Selv om Bohrs første ophold i Manchester kun varede et halvt år, fik det uvurderlige konsekvenser for hans senere liv og karriere.
Det var først meningen, at Bohr skulle lære om eksperimentelle metoder i studiet af radioaktivitet, men omstændighederne og Bohrs specielle evner som teoretiker ville det anderledes. Kort tid inden Bohrs ankomst havde Rutherford og hans medarbejdere udført eksperimenter, der viste, at atomet består af en tung, positivt ladet kerne omkredset i relativt stor afstand af de meget lettere, negativt ladede elektroner – et billede af atomet, der i øvrigt var meget forskelligt fra J.J. Thomsons. Ifølge den klassiske fysik vil de kredsende elektroner imidlertid miste energi ved at afgive stråling, og som følge heraf styrte ind i kernen i løbet af en brøkdel af et sekund. Da atomerne, som materiens mindste bestanddele, nødvendigvis må være meget stabile, var dette et alvorligt problem for den klassiske fysik. Bohr postulerede derfor, i modstrid med denne, at elektronerne kun bevæger sig omkring atomkernen i specielt udvalgte baner, hvor de ikke udstråler energi. Kun når en elektron bevæger sig fra en bane til anden, modtager eller afgiver den stråling, hvis energi er lig med energiforskellen mellem de to baner og i øvrigt bestemt af Plancks konstant – en konstant opkaldt efter den tyske fysiker Max Planck. (For yderligere detaljer, se bind 3, kap. 4). Bohrs teori, publiceret i 1913 som en trilogi i det engelske tidsskrift Philosophical Magazine, viste sig at kunne forudsige den observerede elektromagnetiske stråling fra brintatomet, der hidtil kun var beskrevet ved et empirisk formelværk uden egentlig teoretisk begrundelse. Atomfysikken var hermed blevet en del af kvantefysikken. I de følgende år kom flere og flere fysikere til at interessere sig for atomteorien, hvorved den blev forfinet og ledte til en række forudsigelser, der kunne bekræftes eksperimentelt.
3.2 Niels Bohr betragtede hele livet Ernest Rutherford som sin læremester. Også socialt trivedes de to fint med hinanden. På dette foto fra juni 1923 ses de med deres hustruer, Margrethe og Mary, på udflugt til den årlige kaproning mellem Oxford og Cambridge. Bohr blev gift med Margrethe, født Nørlund, i 1912.
Allerede før han var fyldt tredive år, søgte Bohr i 1913 det ledige professorat efter Christiansen. Det blev i stedet besat med den fjorten år ældre eksperimentalfysiker Martin Knudsen, mens Bohr fik det ledige docentur efter Knudsen, hvilket bl.a. indebar fysikundervisning for op imod hundrede medicinstuderende om året. Bohr fik dog i 1914 orlov fra docenturet for at kunne tiltræde en midlertidig stilling hos Rutherford i Manchester. Først da det i 1916, midt under første verdenskrig, lykkedes at få etableret et nyt dansk professorat til Bohr, vendte han og hustruen Margrethe tilbage til København. Selv i det nye professorat arbejdede Bohr under kummerlige forhold i lokaler udlånt til Universitetet af Polyteknisk Læreanstalt.
Samme år som Bohr tiltrådte sit professorat, ankom den unge hollandske fysiker Hendrik Anthony Kramers til København. Kramers ønskede at studere i udlandet, og som følge af krigen fandt han det naturligt at vælge det neutrale Danmark. Efter råd fra sin bror gjorde Bohr Kramers til sin assistent, en stilling denne beholdt i ikke mindre end ti år. Kramers blev således den første i en række af Bohrs yngre »hjælpere«, der skulle være tilgængelige til enhver tid for at diskutere og nedskrive Bohrs tanker. Bohr var afhængig af den slags assistance, hvilket også eksemplificeres ved, at hans magisterafhandling er skrevet i hånden af hans mor, og at mange af hans senere breve blev dikteret til hustruen, Margrethe.
Oprettelsen af Universitetets Institut for teoretisk Fysik
I slutningen af 1800-tallet udviklede den teoretiske fysik sig til at være en selvstændig del af fysikken med egne institutioner, forskningsopgaver og uddannelse af nye forskere. Tyskland var pioner i denne udvikling, der skød yderligere fart i begyndelsen af det næste århundrede med opblomstringen af den nye kvantefysik. Centrale repræsentanter var Max Planck i Berlin, Arnold Sommerfeld i München og Albert Einstein i Zürich (senere Prag og Berlin). Ved de nye institutter for teoretisk fysik havde formuleringen af fysiske teorier den højeste prioritet, ofte i forbindelse med eksperimentelle laboratorier bygget specielt for at teste teorierne.4
Bohr blev tidligt opmærksom på denne udvikling, både gennem sin bror, matematikeren Harald Bohr – som opholdt sig i Göttingen, et andet center for teoretisk fysik, i længere perioder før og efter forsvaret af sin doktorgrad ved Københavns Universitet i januar 1910 – og fra sit eget ophold i England, hvor han fik kontakt med mange teoretiske fysikere. Han havde også tæt forbindelse med teoretiske fysikere i de andre skandinaviske lande, ikke