Wie kommt es, dass der berühmte Nobelpreis einem Fußballspieler verliehen wurde?

Einen Teil meiner Erfolge (und den diesjährigen Nobelpreis für Physik) verdanke ich Ihren bahnbrechenden Beiträgen. Daher ist es ein großer Segen, dass Sie den Nobelpreis vor mir gewonnen haben.

Eines Tages im November 1922 stellte Niels Henrik David Bohr, Mitglied der Königlich Dänischen Akademie der Wissenschaften und Leiter der Kopenhagener Schule, in einem Büro im dritten Stock des Instituts für Theoretische Physik der Universität Kopenhagen in Dänemark seinen Kaffee ab, holte seinen Füllfederhalter heraus, füllte ihn mit Tinte, breitete das Briefpapier aus, schrieb feierlich diesen Text und bat dann seinen Assistenten, ihn dringend an Einstein zu schicken, der weit weg in Japan war.

Seit ihrem Kennenlernen vor zwei Jahren gab es zwischen ihnen scharfe Wortgefechte und endlose Debatten, aber sie respektierten und schätzten sich auch gegenseitig. Sie waren sowohl Feinde als auch Freunde und ihre Geschichte ist in der wissenschaftlichen Welt zu einer Legende geworden.

Als Bohr erfuhr, dass er vom Nobelpreiskomitee nominiert worden war, war ihm unbehaglich. Weil er der Meinung war, dass Einstein, Planck und Einstein zwar alle Beiträge zur Quantentheorie geleistet hätten, ihre Forschungen jedoch zusammengefasst und deshalb den Preis vor ihm hätte gewinnen sollen.

Glücklicherweise gab das Nobelpreiskomitee auch bekannt, dass Einstein und Bohr 1921 bzw. 1922 den Nobelpreis für Physik erhielten. Erleichtert schrieb er die obige Nachricht an Einstein.

Bohr und Einstein auf der Solvay-Konferenz Quelle: Global World Network

Tatsächlich waren die „einigen Erfolge“ in Bohrs Textnachricht eher bescheiden. Er, der gern Fußball spielt, trat in die Fußstapfen seiner Vorgänger bei der Erforschung der Quantenmechanik und schlug die Theorie des Atomstrukturmodells auf der Grundlage des Elektronenenergieniveaus vor, mit der er das Problem der Stabilität der Atomstruktur löste und den Bau des Gebäudes der modernen Physik vollendete. Er gilt daher als „Pate“ der Quantenphysik.

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Physik auf dem Fußballplatz

Im Sommer 1903 wurde der 18-jährige Bohr mit hervorragenden Noten an der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Kopenhagen in Dänemark mit Schwerpunkt Physik zugelassen.

Er hat zwei große Hobbys: Eines davon ist das Studium der Physik. Es wird gesagt, dass er die Physikkurse für die erste Hälfte seines dritten Studienjahres im Selbststudium absolvierte, als er im ersten Studienjahr war; die andere ist, gerne Fußball zu spielen. Weniger als ein halbes Jahr nach seiner Einschulung wurde er Torwart des Schulfußballvereins.

Bei Fußballspielen hatte er oft Kreide dabei: Wenn der Ball in der gegnerischen Hälfte war, berechnete er mit der Kreide physikalische Formeln auf dem Torrahmen. Wenn der Ball seine eigene Hälfte betrat, warf er die Kreide sofort weg und verteidigte das Tor. Kurz vor seinem Universitätsabschluss wurde er für die Fußballnationalmannschaft ausgewählt und nahm an zahlreichen Wettbewerben teil.

Einige Jahre später widmete sich Bohr der Atomphysikforschung und nutzte das Fußballspielen als Pause oder Abwechslung von der Arbeit. Er nahm sich auch die Zeit, am Training oder an Wettkämpfen der Nationalmannschaft teilzunehmen und wurde so in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu einem berühmten „Wissenschaftsstar“.

Der junge Physiker Bohr Bildquelle: Physics Bimonthly Network

In seinem letzten Schuljahr begann Bohr, an seiner Schule aufzufallen. Für eine Arbeit über die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten wurde er von der Dänischen Akademie der Wissenschaften mit der Goldmedaille ausgezeichnet. Dieser Artikel wurde später zu einem wichtigen Hinweis für die Erforschung der Atomphysik.

Im Jahr 1911 ging Bohr, der bereits promoviert hatte, für weitere Studien nach England. Er studierte zunächst am von Thomson geleiteten Cavendish Laboratory der Universität Cambridge. Ein halbes Jahr später eilte er nach Manchester und schloss sich dem wissenschaftlichen Forschungsteam des Physikgiganten Ernest Rutherford an und ist seitdem Rutherfords Lieblingsstudent.

Bohr respektierte seinen Mentor so sehr, dass er seinen jüngsten Sohn Ernest Bohr nannte (die chinesische und die westliche Kultur sind unterschiedlich und Chinesen haben eine große Abneigung dagegen, denselben Namen wie ihre Vorgänger zu tragen).

Bohr war sehr an dem von Rutherford vorgeschlagenen Planetenmodell der Atomstruktur interessiert. Zu dieser Zeit widmeten sich viele Wissenschaftler der Erforschung der Atomstruktur, wobei Rutherfords Planetenmodell das beliebteste war.

Diese Theorie besagt, dass das Innere eines Atoms einem Sonnensystem gleicht, der Atomkern der Sonne und die Elektronen den Planeten, die sich ständig um den Atomkern drehen und deren Umlaufbahnen sich ändern.

Die Entwicklung des Atommodells. Bildquelle: Physics Bimonthly Network

Diese Theorie hat offensichtlich ein Problem. Bekannten Theorien zufolge werden die Umlaufbahnen von Elektronen, nachdem sie elektromagnetische Strahlung abgegeben haben, aufgrund des Energieverlusts kleiner und sie kollabieren schließlich im Kern, anstatt weiterhin um den Kern zu kreisen.

Wo genau liegt das Problem? Bohr beschloss, eine vernünftige Erklärung für die Theorie seines Mentors zu finden.

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Neue Theorie zur „Februar-Transformation“

Eine plausible Erklärung zu finden, ist nicht einfach. Experimente sind definitiv nicht möglich, da die Atomstruktur zu mikroskopisch ist, um beobachtet zu werden, was die Durchführung von Experimenten erschwert. Der beste Weg besteht darin, zunächst eine vernünftige Theorie aufzustellen und diese dann mithilfe physikalischer Formeln zu überprüfen.

Theoretische Forschung erfordert die Auswahl geeigneter Substanzen. Wasserstoff hat von allen Stoffen die einfachste Struktur. „Untersuchen Sie einfach die Struktur von Wasserstoffatomen oder wasserstoffähnlichen Atomen.“ Mit dieser Idee im Hinterkopf startete Bohr eine neue Forschungsrunde.

Obwohl Bohr 1912 nach Kopenhagen (Dänemark) zurückkehrte und sich der Erforschung der Struktur des Wasserstoffatoms widmete, gab es kaum Fortschritte.

Als ihn im Februar des folgenden Jahres sein Kollege Hansen besuchte und ihm die empirische Formel des Mathematikers Balmer für die Wellenlänge von Spektrallinien vorstellte, hatte Bohr plötzlich eine Idee: Da die Planeten aufgrund der universellen Gravitation auf festen Bahnen um die Sonne kreisen, müssten dann nicht auch die Elektronen aufgrund besonderer Kräfte auf bestimmten Bahnen um den Atomkern kreisen?

Um diesen Punkt zu beweisen, muss man lediglich etwas Ähnliches wie Balmers empirische Formel auflisten und dann die Daten zur Berechnung importieren. Durch zufällige Gespräche die Richtung seiner Forschung zu finden und schnell Ergebnisse zu erzielen, war die „Februar-Transformation“ in Bohrs Leben.

Mathematiker Balmer Quelle: Physics World Network

Bald schlug Bohr eine völlig neue Theorie der Atomstruktur vor: Elektronen im Kern eines Wasserstoffatoms rotieren normalerweise auf Bahnen mit bestimmten Abständen, ohne elektromagnetische Wellen auszusenden. Diese Umlaufbahnen werden Energieniveaus genannt. Wenn Elektronen zwischen Energieniveaus springen, geben sie elektromagnetische Wellen ab und kollabieren schließlich aufgrund des Energieverlusts in den ursprünglichen Elektronenkern. Um Formelberechnungen zu erleichtern, hat er diese Energieniveaus kühn „quantisiert“.

Bald listete er die Formel für das Energieniveau und den Orbitalradius am Beispiel des Wasserstoffatoms auf (siehe Abbildung).

Nach zahllosen präzisen Berechnungen kam Bohr zu dem Schluss, dass die von ihm vorgeschlagene Atomstruktur sinnvoll war.

Von Juli bis September 1913 wurde auf Empfehlung Rutherfords Bohrs umfangreiche Abhandlung über das Atommodell „Über die Struktur von Atomen und Molekülen“ in drei Ausgaben des „Philosophical Magazine“ der Royal Society of London veröffentlicht. In der Abhandlung wurden die Struktur und die Eigenschaften des Wasserstoffatoms erfolgreich erläutert und das Atommodell auf der Grundlage des Elektronenenergieniveaus (später „Bohr-Modell“ genannt) formal vorgeschlagen.

Bei diesem Artikel handelt es sich um die berühmte Bohr-Modell-„Trilogie“.

Der Vorschlag des Bohr-Modells ist ein Meilenstein in der Geschichte der Entwicklung der Quantentheorie. Zuvor verwendeten Planck und Einstein das Konzept der Quantisierung, um die Schwarzkörperstrahlung zu erklären, und Rutherfords Planetenmodell war lediglich eine Ableitung der Atomstruktur ohne jegliche Erklärung.

Durch das Bohr-Modell wurde den Menschen die enorme Kraft der Quanten noch deutlicher bewusst, und die Quantentheorie trat daher in eine Phase energischer Entwicklung ein.

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Das ganze Land feiert den Gewinn des Hauptpreises

Nachdem Bohr diese wichtige Arbeit über das Atomstrukturmodell fertiggestellt hatte, wuchs sein Ruhm und er wurde als Professor an die Universitäten Manchester, Kopenhagen und andere Institutionen berufen. Er wurde 1917 zum Mitglied der Königlich Dänischen Akademie der Wissenschaften gewählt.

Er war nie untätig. Im September 1920 plante er den Bau des Kopenhagener Instituts für Theoretische Physik (später bekannt als „Bohr-Institut“) in Dänemark.

Damals beschäftigte sich das Institut hauptsächlich mit der Quantenmechanik und zog herausragende Physiker wie Heisenberg, Pauli, Landau und Herwig an. In der akademischen Atmosphäre der Freiheit und Gleichheit entstand die Kopenhagener Schule, die einen wichtigen Einfluss auf die Physikgemeinschaft hatte.

Kopenhagener Institut für Theoretische Physik Quelle: Physics World

Angesichts Bohrs wichtiger Beiträge zu Atommodellen, zur Quantentheorieforschung und zur Förderung der Physik beschloss das Nobelpreiskomitee, ihm 1922 den Nobelpreis für Physik zu verleihen.

Als die Nachricht Dänemark erreichte, waren die Menschen im ganzen Land schockiert: Es stellte sich heraus, dass unser Land nicht nur Rindfleisch und Weizen produziert, sondern auch großartige Wissenschaftler hervorbringt, die den Nobelpreis gewonnen haben.

Im Büro bereiteten die Kollegen Kuchen und Champagner für Bohr vor, und einige spielten sogar fröhliche Geigenmusik. auf dem Heimweg grüßten ihn alle, und der alte Mann in der Eisdiele am Straßenrand gab ihm sogar kostenlose Heißgetränke; Als er die Tür öffnete, gaben ihm seine Kinder herzliche Küsse und seine Frau bereitete einen Tisch mit köstlichem Essen vor …

In den nächsten Tagen trafen Glückwunschtelegramme aus dem ganzen Land wie Schneeflocken ein, darunter auch aufrichtige Segnungen von seinem Mentor Rutherford. Bohrs Liebe zum Fußball wurde erneut zur Sprache gebracht und dänische Zeitungen verwendeten im Allgemeinen die folgende Schlagzeile: „Nobelpreis an berühmten Fußballspieler Niels Bohr verliehen“.

Bildquelle des Berichts über Bohrs Auszeichnung: Physics Bimonthly Network

Angesichts der Ehre behielt Bohr dennoch einen klaren Kopf.

Nachdem er einen Brief an Einstein geschrieben hatte, in dem er sagte, dass die andere Partei den Nobelpreis vor ihm erhalten sollte, reiste er allein nach Stockholm, Schweden, um an der Nobelpreisverleihung teilzunehmen.

Er hielt auf der Konferenz eine wunderbare Grundsatzrede. Zum Abschluss seiner Rede verkündete er eine gute Nachricht: Element 72 im Periodensystem wurde offiziell bestätigt. Damals versuchten viele Wissenschaftler, dieses Element zu finden, jedoch ohne Erfolg.

Dies ist Bohrs schönstes Geschenk an das Nobelpreiskomitee und die Physikergemeinschaft!

ENDE

Tadpole Musical Notation Originalartikel, bitte geben Sie beim Nachdruck die Quelle an

Herausgeber/Xiao Xitushuo