Jak powstała bomba atomowa

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

Badania Rutherforda na Uniwersytecie McGilla wyjaśniły złożone procesy przemian pierwiastków promieniotwórczych; w 1908 roku uzyskał za nie Nagrodę Nobla z chemii. Chciał dostać tę nagrodę; w końcu 1904 roku pisał do żony, która w tym czasie odwiedziła rodzinę w Nowej Zelandii: „Mam szansę, jeśli nadal będę tak pracował”[68], a na początku 1905 roku: „Wszyscy idą moim śladem i jeśli mam mieć szansę na Nagrodę Nobla w ciągu następnych kilku lat, muszę dużo pracować”[69]. Rozbawiło go to, że otrzymał nagrodę z chemii, a nie z fizyki. „Do końca życia można było z niego żartować, co bardzo lubił – mówił jego zięć – że w ten sposób został napiętnowany jako chemik, a nie prawdziwy fizyk”[70].

Ktoś obecny na ceremonii opowiadał, że Rutherford wyglądał komicznie młodo (miał trzydzieści siedem lat), a jego przemówienie było rewelacją wieczoru[71]. Mówił o rezultatach badań opublikowanych zaledwie miesiąc wcześniej w krótkiej notatce, które potwierdziły hipotezę, że cząstki alfa to atomy helu[72]. Decydujące doświadczenie było jak zwykle eleganckie. Rutherford polecił szklarzowi, by wykonał rurę z bardzo cienkiego szkła. Usunął z rury powietrze i napełnił ją gazowym radonem, silnym źródłem cząstek alfa. Rura nie przepuszczała gazu, ale cząstki alfa mogły przeniknąć przez cienkie ścianki. Rutherford umieścił rurę wypełnioną radonem w drugiej rurze, wypompował powietrze z przestrzeni między nimi, po czym szczelnie zamknął zewnętrzną rurę. „Po kilku dniach – z tryumfem mówił zebranym w Sztokholmie – w zewnętrznym naczyniu widać było jasne widmo helu”[73]. „Rutherford był artystą – wspominał jego dawny student. – Wszystkie jego doświadczenia miały styl”[74].

Wiosną 1907 roku Rutherford opuścił Montreal i wraz z żoną i córką (jego jedyne dziecko, miała wówczas sześć lat) powrócił do Anglii. Przyjął stanowisko profesora fizyki w Manchesterze, mieście, w którym prawie sto lat wcześniej John Dalton ponownie przywołał do życia teorię atomową. Kupił dom i natychmiast przystąpił do pracy, w której pomagał mu doświadczony niemiecki fizyk Hans Geiger, asystent poprzedniego profesora. Po wielu latach Geiger z rozczuleniem wspominał okres, w którym Rutherford kierował fizyką w Manchesterze:

Widzę jego cichą pracownię na górze budynku, na poddaszu, gdzie trzymał swój rad i w której przeprowadzono tyle znanych prac nad emanacją. Pamiętam także ponurą piwnicę, w której zainstalował delikatne instrumenty do badania promieni alfa. Rutherford uwielbiał ten pokój. Gdy ktoś schodził po dwóch stopniach, słyszał w ciemnościach głos Rutherforda, który przypominał, że na wysokości głowy przez pokój przechodzi rura ciepłownicza i że trzeba przekroczyć dwie rury wodociągu. Wreszcie, w słabym świetle, można było dojrzeć tego wielkiego człowieka siedzącego przy swoim aparacie.[75]

Dom Rutherforda był weselszy; inny z manchesterskich pracowników mile wspomina, że „sobotnie i niedzielne kolacje w pomalowanej na biało jadalni poprzedzały wielogodzinne, przeciągające się narady w gabinecie na pierwszym piętrze; w niedzielę, po przejażdżkach motorem po drogach Cheshire, często podawano herbatkę w salonie”[76]. Alkoholu nie podawano – Mary Rutherford była przeciwniczką picia. Wprawdzie niechętnie, ale pozwalała palić, ponieważ jej mąż palił bardzo dużo, i papierosy, i fajkę.

W średnim wieku słynął z głośnego zachowania; studenci nazywali go „wodzem plemiennym”. Lubił się przekomarzać i używać slangu. Często, chodząc po laboratorium, śpiewał, fałszując: „Naprzód, żołnierze Chrystusa”. Zajmował już swoje miejsce w świecie i gdy nadchodził, wszyscy o tym wiedzieli. Miał rumianą twarz z błyszczącymi oczami i z czasem dorobił się sporego brzucha. Dobrze ukrywał brak pewności siebie; wymieniał krótki i słaby uścisk dłonią jak gdyby pozbawioną kości[77]; „sprawiało to wrażenie – wspominał jego kolejny były student – że unika fizycznego kontaktu”[78]. Nadal paraliżowało go lekceważenie, czerwienił się wówczas i oniemiały odsuwał na bok[79]. Był spokojniejszy, uprzejmiejszy w stosunku do studentów – szczere złoto. „Był człowiekiem, który nigdy nie robił brzydkich kawałów”[80].

Chaim Weizman, rosyjski Żyd, biochemik, później pierwszy prezydent Izraela, pracował wówczas na uniwersytecie w Manchesterze, gdzie zajmował się produktami fermentacji. Z Rutherfordem łączyła go przyjaźń. „Młodzieńczy, energiczny, hałaśliwy – wspominał Weizman – zupełnie nie robił wrażenia naukowca. Chętnie zabierał głos, mówił z ożywieniem na każdy temat, często nic o nim nie wiedząc. Gdy schodziłem do sali jadalnej na lunch, często słyszałem jego donośny, przyjazny głos niosący się po korytarzu”. Weizman uważał, że Rutherford w ogóle nie znał się na polityce, wybaczał mu to jednak, wychodząc z założenia, że czas wypełnia mu całkowicie ważna praca naukowa. „Był uprzejmy, ale nie znosił głupców”[81].

We wrześniu 1907 roku, w czasie swego pierwszego semestru w Manchesterze, Rutherford sporządził spis ewentualnych tematów badań. Na siódmym miejscu znalazło się „Rozpraszanie cząstek alfa”[82]. Pracując tyle lat nad identyfikacją cząstek alfa, zaczął doceniać ich ogromną przydatność jako narzędzia do badania atomów; w porównaniu z mającymi dużą energię, ale bardzo lekkimi elektronami, cząstki alfa są masywne i silnie oddziałują z materią. Zbadanie tego oddziaływania mogło wyjaśnić budowę atomu. „Nauczono mnie patrzeć na atom jak na ładną, twardą kulkę, czerwoną lub szarą, stosownie do upodobań” – powiedział kiedyś Rutherford do zgromadzonych przy kolacji[83]. W 1907 roku wiedział już, że atom wcale nie jest twardą kulką, lecz w znacznej mierze składa się z pustej przestrzeni. Dowiódł tego w 1903 roku niemiecki fizyk Philipp Lenard, bombardując pierwiastki promieniami katodowymi[84]. Lenard obrazowo przedstawił swoje wyniki badań, korzystając z metafory: obszar zajmowany przez metr sześcienny stałej platyny jest równie pusty jak przestrzeń międzygwiazdowa.

Ale jeżeli nawet w atomach istnieje pusta przestrzeń – próżnia w próżni – to musi tam być coś jeszcze. W 1906 roku na Uniwersytecie McGilla Rutherford badał ugięcie toru cząstek alfa w polu magnetycznym. Przepuszczał je przez wąską szczelinę, a uzyskaną wiązkę poddawał działaniu pola magnetycznego. Pewnego razu przesłonił połowę szczeliny arkuszem miki grubości zaledwie trzech tysięcznych centymetra; folia była tak cienka, by cząstki alfa mogły przez nią przejść. Rutherford rejestrował cząstki za pomocą papieru fotograficznego. Analiza wyników doświadczenia wykazała, że krawędzie tej części wiązki, która przeszła przez mikę, są rozmazane. Oznaczało to, że w wyniku oddziaływania cząstek alfa z atomami miki nastąpiło ugięcie ich trajektorii – czyli rozproszenie o kąt dochodzący do 2°. Ponieważ silne pole magnetyczne powoduje niewiele większe odchylenie torów ruchu cząstek alfa, to wynik tego doświadczenia wskazywał, że dzieje się coś niezwykłego. Jak na tak masywne, poruszające się z dużą prędkością cząstki odchylenie o 2° było naprawdę olbrzymie. Rutherford obliczył, że rozproszenie cząstek alfa o taki kąt wymagałoby pola elektrycznego o natężeniu około 100 milionów woltów na centymetr miki[85]. „Wynik ten wyraźnie wskazywał – pisał – że atomy materii muszą być siedzibą bardzo wielkich sił elektrycznych”[86]. I właśnie dlatego umieścił rozpraszanie cząstek alfa na liście tematów badań.

By zbadać to zjawisko, musiał nie tylko policzyć, ale także zobaczyć pojedyncze cząstki. W Manchesterze zajął się budową odpowiednich detektorów. Razem z Hansem Geigerem zbudowali aparat elektryczny, który sygnalizował trzaskiem pojawienie się cząstki alfa w komorze licznika. Geiger przekształcił później ten wynalazek w dobrze znany licznik Geigera, używany w badaniach promieniowania.

Każdą z osobna cząstkę alfa można zarejestrować za pomocą siarczku cynkowego; tym związkiem powleczone były rury z roztworem radu, które w Paryżu w 1903 roku Piotr Curie przyniósł nocą do ogrodu. Gdy cząstka alfa uderza w szklaną płytkę powleczoną siarczkiem cynkowym, w punkcie trafienia widać błysk. Jest to znane zjawisko zwane scyntylacją, od greckiego słowa oznaczającego iskrę. Obserwując przez mikroskop słabą scyntylację siarczku cynkowego, można rozróżnić poszczególne błyski i policzyć je. Była to jednak niesłychanie uciążliwa praca; najpierw przez przynajmniej 30 minut trzeba było przebywać w ciemnym pokoju, by przyzwyczaić oczy, później można było liczyć tylko przez minutę, gdyż nie dało się dłużej skupiać wzroku na małej, ciemnej płytce. Koniec okresu liczenia sygnalizował stoper z dzwonkiem[87]. Nawet pod mikroskopem z trudem można było dostrzec scyntylację; prowadzący doświadczenie spodziewał się, że nastąpi kilka błysków, i dlatego zupełnie nieświadomie widział czasem błyski urojone. Nasuwało się zatem pytanie, jak dokładna jest ta metoda. Rutherford i Geiger porównali liczbę cząstek policzonych przez obserwatora i zarejestrowanych za pomocą elektrycznego licznika; gdy okazało się, że obserwacja człowieka daje wiarygodne wyniki, zrezygnowali z licznika, który pozwalał tylko policzyć cząstki, a Rutherford dążył przede wszystkim do ustalenia ich trajektorii.

Geiger przystąpił do badania rozpraszania cząstek alfa; pomagał mu Ernest Marsden, wówczas osiemnastoletni student z Uniwersytetu Manchesterskiego. Obserwowali cząstki alfa wylatujące ze źródła i przechodzące przez folie z aluminium, srebra, złota lub platyny. Wyniki były na ogół takie, jak się spodziewano: wskutek wielokrotnych zderzeń z atomami podobnymi do ciasta z rodzynkami całkowity kąt ugięcia trajektorii cząstki alfa może osiągnąć wartość 2°. Przebieg doświadczenia zakłócały cząstki poruszające się w przypadkowych kierunkach[88]. Geiger i Marsden przypuszczali, że są one rozpraszane przez molekuły w ściankach rurki wylotowej źródła. Usiłowali wyeliminować te cząstki za pomocą szeregu zwężających się metalowych nakładek przymocowanych do zakończenia rurki wylotowej. Bezskutecznie.

 

Do pokoju wkroczył Rutherford. We trzech zastanawiali się nad problemem. Coś pobudziło intuicję Rutherforda; a jeżeli te uboczne zjawiska coś znaczą? Już miał wyjść, gdy zwrócił się do Marsdena i powiedział: „Zobacz, czy zarejestrujesz jakieś cząstki odbite bezpośrednio od powierzchni metalu”[89]. Marsden wiedział, że wynik powinien być negatywny; cząstki alfa przelecą przez cienkie folie, nie odbiją się od nich z powrotem – ale wiedział również, że przeoczenie pozytywnego wyniku byłoby niewybaczalnym grzechem. Przygotował bardzo starannie silne źródło cząstek alfa. Cienką jak ołówek wiązkę cząstek skierował pod kątem 45° na arkusz złotej folii. Ekran scyntylacyjny ustawił po tej samej stronie co folia i wiązka cząstek, w taki sposób, że gdyby cząstki odbiły się od folii, trafiłyby w ekran i pojawiłby się błysk. Między rurką wylotową a ekranem umieścił grubą płytę ołowianą, tak aby cząstki alfa nie mogły dotrzeć do ekranu bezpośrednio ze źródła.


Schemat doświadczenia Ernesta Marsdena: A–B – źródło cząstek alfa, R–R – złota folia, P – ołowiana płyta, S – ekran scyntylacyjny, M – mikroskop

Ku swemu zdziwieniu Marsden od razu znalazł to, czego szukał. „Pamiętam doskonale, jak opowiadałem Rutherfordowi o wynikach, gdy spotkałem go na schodach wiodących do jego pokoju, i radość, z jaką mu o tym mówiłem”[90].

Kilka tygodni później Geiger i Marsden pod kierunkiem Rutherforda przygotowali do publikacji opis doświadczenia. „Biorąc pod uwagę dużą prędkość oraz masę cząstki alfa, wydaje się zaskakujące, że, jak pokazuje doświadczenie, niektóre cząstki odbijają się pod kątem 90°, a nawet większym, od warstwy złota o grubości 6 × 10−5 [tzn. 0,00006] centymetra. Do spowodowania podobnego efektu w polu magnetycznym potrzebne byłoby niezwykle silne pole, o natężeniu 109 jednostek absolutnych”[91]. Rutherford zaczął się zastanawiać, co takie rozproszenie może oznaczać.

Zastanawiał się ponad rok, zajmując się jednocześnie wieloma innymi sprawami. Były momenty, kiedy wydawało mu się, że wie, co ten wynik oznacza, ale potem jakoś o tym zapomniał[92]. Nawet po opublikowaniu sensacyjnego wniosku Rutherford niechętnie go rozpowszechniał. Jedną z przyczyn mógł być fakt, że odkrycie nie zgadzało się z modelami atomu, które wcześniej zaproponowali J.J. Thomson i lord Kelvin. Jego interpretacja odkrycia Marsdena budziła również wątpliwości natury fizycznej, które trzeba było wyjaśnić.

Wyniki Marsdena naprawdę zaskoczyły Rutherforda. „Było to najbardziej nieprawdopodobne zdarzenie w moim życiu. To było niemal tak niewiarygodne, jakbyś wystrzelił piętnastocalowy pocisk w kawałek papierowej bibułki, a pocisk odbił się i trafił w ciebie. Po zastanowieniu zrozumiałem, że rozproszenie wstecz musi być wynikiem jakiegoś pojedynczego zderzenia, a kiedy przeprowadziłem obliczenia, stwierdziłem, że nie można uzyskać takiego efektu, jeżeli się nie założy, że główna część masy atomu jest skupiona w maleńkim jądrze”[93].

Określenie „zderzenie” jest mylące. Prowadząc obliczenia i rysując szkice atomu na dużych arkuszach dobrego papieru, Rutherford wyobrażał sobie, że cząstka porusza się po zakrzywionym torze, zbliża do zwartego, masywnego, centralnie położonego ciała i oddala od niego, podobnie jak kometa krążąca wokół Słońca w czasie grawitacyjnego pas de deux[94]. Zbudował nawet model – ciężki elektromagnes zawieszony jak wahadło na drucie długości 9 metrów. Elektromagnes ten został wprawiony w ruch wahadłowy nad drugim elektromagnesem umieszczonym na stole[95]. Gdy elektromagnesy były zwrócone do siebie tymi samymi biegunami, a zatem odpychały się, wówczas tor ruchu wahadła przybierał kształt paraboliczny. Tak samo zmieniał się kierunek ruchu cząstek alfa. Rutherford, jak zawsze, nie mógł się obyć bez poglądowego modelu.

Gdy następne doświadczenie potwierdziło jego przypuszczenie, że atom ma małe, masywne jądro, był wreszcie gotowy do ogłoszenia swej teorii. Postanowił to zrobić 7 marca 1911 roku na forum starego Manchesterskiego Towarzystwa Literacko-Filozoficznego [Manchester Literary and Philosophical Society]. Przychodziła tam „publiczność o różnych zainteresowaniach – jak wspominał James Chadwick, wówczas student – ludzie interesujący się literaturą i filozofią, w większości przedsiębiorcy”[96].

Pierwszym punktem porządku dziennego było sprawozdanie manchesterskiego importera owoców o rzadkim okazie węża, który znalazł w transporcie bananów z Jamajki[97]. Mówca zademonstrował gada. Następnie przyszła kolej na Rutherforda. Zachowało się tylko streszczenie jego wystąpienia, ale Chadwick tak wspomina swoje wrażenie: „dla nas, młodych wówczas chłopców, było to niezwykle wstrząsające wydarzenie. [...] Rozumieliśmy, że jest to oczywista prawda, tak być musiało”[98].

Rutherford odkrył jądro atomu, ale nie znał jeszcze rozmieszczenia elektronów. Na zebraniu w Manchesterze mówił o „centralnym ładunku elektrycznym skupionym w punkcie i otoczonym jednorodnym, sferycznym rozkładem ładunku o przeciwnym znaku i równej wielkości”[99]. To uproszczenie wystarczało do wykonania obliczeń, ale pomijało ważny fakt fizyczny, mianowicie że „rozkład ładunku o przeciwnym znaku” musi mieć postać pewnego rozkładu elektronów, które w jakiś sposób muszą być rozmieszczone dookoła jądra.

Kolejna tajemnica. Japoński fizyk teoretyk Hantaro Nagaoka przedstawił w 1903 roku model atomu przypominający Saturna, w którym płaskie pierścienie elektronów poruszały się wokół „cząstki o dodatnim ładunku”[100]. Nagaoka skorzystał w swym modelu z teorii matematycznej Jamesa Clerka Maxwella, z jego pierwszej wyśmienitej pracy On the Stability of Motion of Saturn’s Rings [O stabilności ruchu pierścieni Saturna], opublikowanej w 1859 roku. Według zgodnej oceny wszystkich biografów Rutherford dowiedział się o pracy Nagaoki dopiero 11 marca 1911 roku, już po manchesterskim zebraniu, z kartki pocztowej nadesłanej mu przez zaprzyjaźnionego fizyka: „Campbell zawiadamia mnie, że w celu wytłumaczenia zjawisk optycznych Nagaoka próbował kiedyś wprowadzić model atomu z dużym dodatnim centrum”[101]. Wyszukał potem pracę Japończyka w „Philosophical Magazine” i wspomniał o niej na ostatniej stronie swojego długiego artykułu The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom (Rozpraszanie cząstek α i β przez materię a budowa atomu], który wysłał w kwietniu do tego samego pisma. W pracy tej napisał, że atom Nagaoki „miał się składać z centralnej masy przyciągającej, otoczonej pierścieniami wirujących elektronów”[102].

Wydaje się jednak, że nieco wcześniej Nagaoka odwiedził go, ponieważ japoński fizyk napisał z Tokio 22 lutego 1911 roku, dziękując „za wielką uprzejmość, jaką okazał mi pan w Manchesterze”[103]. Zapewne nie rozmawiali o modelach atomu, gdyż Nagaoka prawdopodobnie zamieściłby jakieś uwagi w swoim liście, a Rutherford, który był człowiekiem bardzo uczciwym, z pewnością napisałaby o tym w swoim artykule[2*].

Być może Rutherford nie znał modelu atomu Nagaoki z tej przyczyny, że model został skrytykowany i zarzucony wkrótce po jego ogłoszeniu ze względu na poważny kontrargument teoretyczny, dotyczący również modelu Rutherforda[104]. Pierścienie Saturna są trwałe, gdyż siła działająca między tworzącymi je cząsteczkami i bryłami materii – siła ciężkości – jest siłą przyciągającą. W pierścieniach elektronowych Nagaoki, gdzie wszystkie elektrony mają taki sam ładunek ujemny, działa między nimi siła odpychająca. Z rozważań matematycznych wynika, że ruch wokół jądra dwóch lub więcej elektronów rozmieszczonych na orbicie w równych odstępach doprowadziłby do wystąpienia oscylacji, tj. zaburzeń, które bardzo szybko doprowadziłyby do rozpadu atomu.

Słuszne zarzuty dotyczące atomu Nagaoki odnosiły się również, przynajmniej teoretycznie, do modelu atomu, który Rutherford zaproponował na podstawie doświadczenia. Gdyby atomem rządziły mechaniczne prawa klasycznej fizyki, obowiązujące w układach planetarnych, to model Rutherforda byłby błędny. Nie była to jednak jedynie konstrukcja teoretyczna. Był to wynik fizycznego eksperymentu. Atom najwidoczniej istniał. Był tak trwały jak świat i odbijał cząstki alfa niczym armatnie pociski.

Ktoś musiał rozwiązać sprzeczność między klasyczną fizyką a modelem atomu Rutherforda, którego słuszność potwierdzały eksperymenty. Musiał to być ktoś innego pokroju niż Rutherford; nie fizyk doświadczalny, lecz teoretyk potrafiący zgłębiać rzeczywistość. Musiał mieć tyle odwagi co Rutherford i tyleż pewności siebie. Musiał być gotowy na przejście na drugą stronę mechanistycznego lustra i penetrację nieznanego, niemechanistycznego świata, w którym zjawiskami zachodzącymi w skali atomowej rządzą inne prawa niż te, które kierują ruchem planet i wahadeł.

Jak gdyby na wezwanie, ktoś taki pojawił się niebawem w Manchesterze. Wiemy o tym z listu Rutherforda z 18 marca 1912 roku do amerykańskiego przyjaciela: „Bohr, Duńczyk, ściągnął z Cambridge i pojawił się tutaj, by zdobyć trochę doświadczenia w pracy nad promieniotwórczością”[105]. Tym „Bohrem” był Niels Henrik David Bohr, duński fizyk teoretyk. Miał dwadzieścia siedem lat.

3

Tvi[1]

„Do pokoju wszedł wątły chłopiec – wspomina wizytę w Manchesterze kolega Rutherforda z Uniwersytetu McGilla i jego biograf A.S. Eve – którego Rutherford natychmiast zabrał do swego gabinetu. Pani Rutherford wyjaśniła mi, że gościem jest młody Duńczyk i że jej mąż wysoko ceni jego pracę. Nic dziwnego, to był Niels Bohr!”[2] Pamięć jest zawodna. Bohr był doskonałym sportowcem. Duńczycy oklaskiwali jego wyczyny w uniwersyteckiej drużynie piłki nożnej. Biegał na nartach, jeździł na rowerze, żeglował, rąbał drzewo, był niepokonany w grze w ping-ponga, z reguły wchodził po schodach po dwa stopnie naraz. Jego budowa fizyczna była imponująca: był wysoki, jak wspomina C.P. Snow, miał „ogromną, wysoko sklepioną głowę”[3], wydatną szczękę i duże ręce. W młodości był szczuplejszy niż w starszych latach, a masa niesfornych, zaczesanych do tyłu włosów nadawała mu wygląd chłopięcy. Niels Bohr z pewnością nie sprawiał wrażenia człowieka wątłego.

To nie wygląd fizyczny Bohra, lecz prawdopodobnie jego zachowanie, wówczas jeszcze dość niepewne, sprawiło, że Eve tak go zapamiętał. Był „znacznie bardziej muskularny i wysportowany, niż wskazywałby na to jego powściągliwy sposób bycia – potwierdza Snow – zwłaszcza że mówił bardzo cicho, niemal szeptem”. Bohr przez całe życie mówił tak cicho (ale niezmordowanie), że ludzie musieli się wysilać, by go usłyszeć. Snow znał go jako „rozmówcę, któremu tak trudno było dotrzeć do sedna sprawy jak Henry’emu Jamesowi na starość”[4]. Na forum publicznym Bohr mówił zupełnie inaczej niż prywatnie, inaczej jeszcze, gdy dopiero zaczynał badać jakiś problem czy gdy już go przemyślał. Według Oskara Kleina, studenta Bohra, a potem kolegi: „dokładał wiele starań, by jak najdokładniej przedstawić wszystkie aspekty problemu”[5]. Albert Einstein podziwiał Bohra, gdyż „wypowiadał swoje opinie jak ktoś, kto nieustannie błądzi po omacku, a nie jak ktoś, kto uważa, że posiadł prawdę ostateczną”[6]. Jeśli Bohr szukał po omacku, rozwijając swoje rozważania, to w miarę opanowywania problemu „jego pewność rosła, mowa nabierała wigoru i pełna była żywych porównań” – zauważył fizyk Otto Frisch, siostrzeniec Lise Meitner[7]. Prywatnie, wśród bliskich przyjaciół – mówił Klein – „wysławiał się bardzo obrazowo, wyrażając równie mocno podziw, jak krytykę”[8].

Sposób bycia Bohra był podobny do stylu wypowiedzi. Einstein poznał go w Berlinie wiosną 1920 roku. „Nieczęsto zdarzało się w moim życiu – napisał później do Bohra – aby jakiś człowiek samą swoją obecnością sprawiał mi tyle radości co Pan”. Napisał również do ich wspólnego przyjaciela Paula Ehrenfesta, austriackiego fizyka pracującego w Lejdzie: „Jestem w nim równie zakochany jak Ty”. Mimo zachwytu Einstein nie omieszkał przyjrzeć się swemu nowemu przyjacielowi; jego ocena trzydziestopięcioletniego Bohra podobna była do sądu Eve’a o nim w okresie, kiedy miał dwadzieścia osiem lat: „Przypomina nadwrażliwe dziecko, które porusza się po tym świecie jak w transie”[9]. W czasie pierwszego spotkania – dopóki Bohr nie zaczął mówić – teoretyk Abraham Pais uważał, że pociągła twarz Bohra była niezwykle „ponura”, i był zaskoczony tym chwilowym wrażeniem, ponieważ wszyscy mówili „o jego ogromnym ożywieniu i ciepłym, słonecznym uśmiechu”[10].

 

Wkład Bohra do fizyki XX wieku ustępuje tylko wkładowi Einsteina. Był naukowym mężem stanu o niezrównanej zdolności przewidywania. W większym niż u przeciętnego naukowca stopniu o jego pracy decydowała osobowość – ciężko przez niego wypracowana, z zakorzenionymi wartościami i uczuciami. Przez pewien czas w młodości Bohr przeżywał okres bolesnego wewnętrznego rozbicia.

Ojciec Bohra, Christian, był profesorem fizjologii na Uniwersytecie Kopenhaskim. Nosił sumiaste wąsy, twarz miał zaokrągloną, a czoło niezbyt wysokie. Prawdopodobnie był wysportowany, na pewno zaś lubił sport; dzięki jego staraniom i finansowej pomocy powstał Akademisk Boldklub, w którym jego synowie później grali w pierwszej drużynie piłki nożnej (Harald, młodszy brat Nielsa, grał w reprezentacji Danii na olimpiadzie w 1908 roku). Politycznie postępowy, działał na rzecz emancypacji kobiet; w sprawach religijnych był sceptykiem, ale oficjalnie należał do Kościoła luterańskiego, słowem – solidny mieszczański intelektualista.

Christian Bohr opublikował pierwszą pracę naukową, gdy miał dwadzieścia dwa lata, później uzyskał dyplom lekarza i stopień doktora fizjologii; studiował w Lipsku pod kierunkiem Carla Ludwiga, wybitnego fizjologa. Specjalizował się w zagadnieniach oddychania; wprowadził do badań praktykę wykonywania starannych doświadczeń fizycznych i chemicznych, co na początku lat osiemdziesiątych XIX wieku było jeszcze nowością. Jak wspominał jego przyjaciel, poza pracą był „gorącym wielbicielem” Goethego i interesował się poważnymi problemami filozofii[11].

Jednym z tematów wielkich dyskusji w owym czasie był spór między witalizmem a mechanicyzmem. Stanowił nową wersję starej debaty między zwolennikami poglądu, że świat ma wytyczony cel (wyznawali go również ludzie wierzący), a ludźmi uważającymi, że wszystko przebiega automatycznie i przypadkowo lub też wszystkie zmiany zachodzą cyklicznie i nie przynoszą żadnego postępu. Niemiecki chemik kpiący w 1895 roku z „czysto mechanistycznego świata”, „naukowego materializmu”, zgodnie z którym motyl mógł z powrotem przekształcić się w gąsienicę, brał udział w sporze, który toczył się od czasów Arystotelesa.

W specjalności Christiana Bohra spór dotyczył pytania, czy organizmy i ich elementy składowe – oczy, płuca – powstały stosownie do pierwotnie istniejącego celu czy wykształciły się zgodnie ze ślepymi prawami chemii i ewolucji. Najzagorzalszym obrońcą mechanistycznych poglądów w biologii był Niemiec Ernest Heinrich Haeckel, który uważał, że nie ma różnicy między organiczną i nieorganiczną materią i że życie powstało samorzutnie. Psychologia jest właściwie gałęzią fizjologii; dusza nie jest wieczna, a wola wolna. Mimo wagi, jaką przywiązywał do doświadczenia naukowego, Christian Bohr był przeciwnikiem Haeckla, być może dlatego, że ubóstwiał Goethego. Musiał się zatem uporać z trudnym zadaniem godzenia swej praktyki z wyznawanymi poglądami.

Częściowo z tego powodu, ale i dla przyjemności przebywania w towarzystwie przyjaciół, po piątkowych sesjach Duńskiej Królewskiej Akademii Nauk i Literatury zaczął regularnie chodzić do kawiarni na dyskusje z filozofem Haraldem Høffdingiem, który, podobnie jak Christian Bohr, był członkiem akademii. Inny pogląd prezentował sympatyczny fizyk Christian Christensen, który w dzieciństwie był pasterzem. Później, zamiast w kawiarni, spotykali się kolejno w swoich domach. Przyłączył się do nich filolog Vilhelm Thomsen i w ten sposób fizyk, biolog, filolog i filozof utworzyli niezwykłą grupę. Niels i Harald Bohrowie przez całe swoje dzieciństwo przysłuchiwali się ich dyskusjom, gdy wypadała kolej na spotkanie w ich domu.

Christian Bohr traktował poważnie sprawę emancypacji kobiet; z tego powodu zgodził się prowadzić zajęcia w szkole przygotowującej kobiety do studiów uniwersyteckich. Jedną z jego uczennic była córka żydowskiego bankiera Ellen Adler. Pochodziła z kulturalnej i bogatej rodziny odgrywającej dużą rolę w życiu Danii; ojca kilkakrotnie wybierano do niższej i wyższej izby Folketingu, duńskiego parlamentu. Christian Bohr zaczął się starać o rękę Ellen; ostatecznie pobrali się w 1881 roku. Jak wspominał jeden z przyjaciół jej synów, Ellen była pozbawioną egoizmu „uroczą osobą”[12]. Po ślubie porzuciła judaizm, zrezygnowała także ze studiów uniwersyteckich, choć na pewno kiedyś zamierzała studiować.

Po ślubie Christian i Ellen Bohrowie zamieszkali w rezydencji rodziny Adlerów. Naprzeciw domu, po drugiej stronie szerokiej, wybrukowanej kamieniami ulicy, znajdował się pałac Christiansborg, siedziba Folketingu. Tam właśnie, w tej zamożnej siedzibie, 7 października 1885 roku urodził się Niels Hendrik; był drugim z kolei dzieckiem, ale pierwszym synem. W 1886 roku, gdy Christian Bohr przyjął stanowisko na uniwersytecie, rodzina przeniosła się do domu obok Akademii Chirurgii, w której mieściły się laboratoria fizjologiczne. W tym domu wychowywali się Niels i młodszy od niego o dziewiętnaście miesięcy brat Harald.

Jak sięgał pamięcią, Niels lubił rozmyślać o głębokich problemach[13]. Ojciec z upodobaniem stosował paradoksy; może refleksyjność usposobienia Nielsa wzięła się z tego ojcowskiego zwyczaju[14]. Jednocześnie chłopiec był bardzo rzeczowy; gdy został fizykiem, ta niedoceniana cecha stała się jedną z jego najważniejszych zalet. Kiedyś, podczas spaceru z trzyletnim Nielsem, ojciec zwrócił mu uwagę na harmonijną budowę drzewa (pień, konary, gałęzie, gałązki), układając dlań jego obraz z poszczególnych części. Dziecko widziało całość i jej części; gdyby tak nie było, mówił, nie byłoby to drzewo. Bohr wspominał tę historię przez całe życie, ostatni raz na kilka dni przed śmiercią w 1962 roku, w wieku siedemdziesięciu ośmiu lat. „Od wczesnego dzieciństwa mogłem coś powiedzieć na temat filozoficznych zagadnień”, rzekł wówczas z dumą. I z powodu tych umiejętności, powiedział, „uważano mnie za dziecko nieco szczególne”[15].

Harald Bohr był błyskotliwy, dowcipny, pełen życia; początkowo sądzono, że jest zdolniejszy od brata. „Jednak bardzo wcześnie – mówi późniejszy współpracownik i biograf Nielsa Bohra Stefan Rozental – Christian Bohr inaczej ocenił synów; dostrzegł wielkie zdolności Nielsa, szczególne talenty i skalę wyobraźni”[16]. Wyraził to przekonanie w sposób, który byłby może okrutny, gdyby obaj bracia nie byli tak do siebie przywiązani. „Niels – powiedział – był w rodzinie wyjątkową osobą”[17].

Gdy Niels był w piątej klasie, polecono mu narysować dom; okazało się, że przedstawił bardzo dojrzały rysunek, ale najpierw policzył paliki płotu. Lubił stolarstwo oraz ślusarstwo i od młodych lat był domową tak zwaną złotą rączką. „Nawet w dzieciństwie uważano go za rodzinnego myśliciela – mówił jego młodszy kolega – a ojciec słuchał uważnie jego poglądów na podstawowe zagadnienia”[18]. Prawie na pewno miał trudności z nauką pisania, a później z pisaniem. Matka była jego sekretarką; Niels dyktował jej zadania szkolne, a ona je przepisywała[19].

W dzieciństwie Niels i Harald byli zżyci jak para bliźniaków. „Nierozłączność – pisze Rozental – była podstawą stosunków między braćmi”[20]. Mówili i myśleli à deux – powiedział jeden z ich przyjaciół[21]. „W całym moim dzieciństwie – wspominał Bohr – brat odgrywał bardzo dużą rolę. [...] Miałem z bratem wiele wspólnego. Pod każdym względem był ode mnie zdolniejszy”[22]. Harald z kolei mówił każdemu, kto go o to pytał, że był jedynie przeciętny, brat natomiast był szczerym złotem, i wydaje się, że tak istotnie sądził[23].

Mowa jest nieporadna, a pisanie zubaża. Nie język, ale powierzchnia ciała jest dla dziecka pierwszą mapą świata, bez podziału na podmiot i przedmiot. Rozdzieli je dopiero obudzona świadomość. Niels Bohr chętnie demonstrował, że kij, używany jako narzędzie do badania przestrzeni – na przykład laska niewidomych – może stanowić przedłużenie ręki[24]. Mówił, że mogłoby się wydawać, iż zmysł dotyku przesuwa się na koniec kija. Często przytaczał to spostrzeżenie (jego studenci uważali je za cudowne), podobnie jak historię o chłopcu i drzewie, ponieważ miało dla niego duże znaczenie uczuciowe.