Niels Bohr: Mittler zwischen traditioneller und moderner Physik

Die Quantentheorie und die Entwicklung der Atomenergie revolutionierten die Physik im 20. Jahrhundert. Einer der wichtigsten Wissenschaftler in diesen Bereichen war der Däne Niels Hendrik David Bohr (1885 bis 1962).

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Er gilt als Mittler zwischen traditioneller und moderner Physik. Sein Institut in Kopenhagen zog in den 20er und 30er Jahren zahlreiche der Großen aus der Physik an. Bohr hat der Wissenschaftsgeschichte aber auch ein Rätsel aufgegeben: Warum hat er in den USA am Bau der Atombombe mitgewirkt? Was hat er mit Werner Heisenberg ausgetauscht, als dieser am deutschen Uranprojekt gearbeitet hat?

«Niemand wüsste, wie unsere Kenntnis vom Atom heute beschaffen wäre ohne ihn», kommentierte Albert Einstein die Entwicklung des Bohrschen Atommodells, nach dem der Däne 1922 dafür den Nobelpreis für Physik erhalten hatte. Ebenso wie Einstein sollte sich Bohr später für die friedliche Nutzung der Kernenergie engagieren. Der Däne erhielt dafür 1957 den Atomfriedenspreis.

Niels Bohr wuchs in einer gut situierten Kopenhagener Familie auf. Seine Mutter Ellen Bohr (geb. Adler) stammte aus einer jüdischen Familie, sein Vater Christian Bohr war Professor für Physiologie, einem Teilgebiet der Biologie, und liebte es, mit seinen Kindern über Wissenschaft und die Phänomene des Lebens zu philosophieren. So studierte Niels Physik, Mathematik, Chemie, Astronomie und Philosophie an der Universität Kopenhagen. Sein zwei Jahre jüngerer Bruder Harald wurde Professor für Mathematik und forschte im Bereich der analytischen Zahlentheorie. Zusammen mit dem deutschen Mathematiker Edmund Landau entwickelte er das Bohr-Landau-Theorem.

Für seine Arbeit über die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten erhält Niels Bohr schon 1907 die Goldmedaille der Königlich-Dänischen Akademie der Wissenschaften. 1909 macht er sein Magisterexamen an der Universität Kopenhagen und schließt 1911 sein Studium mit einer Doktorarbeit über die magnetischen Eigenschaften von Metallen ab. Noch im selben Jahr geht er nach England, zuerst zu Joseph John Thomson, der an der Universität Cambridge Dozent war, bald aber nach Manchester zu Ernest Rutherford, der zu seinem Freund und Mentor wurde.

 

Grundlage für die Quantenmechanik

Der englische Nobelpreisträger Rutherford hatte 1911 einen Meilenstein auf dem Weg der experimentellen Erforschung des Atoms gelegt. In seinem Modell setzte er die Atome winzigen Planeten-Systemen gleich. Dabei kreisten leichte, negativ geladene Teilchen um einen schweren, positiv geladenen Kern.

Dies stand jedoch im Widerspruch zu den Naturgesetzen. Eigentlich hätten die verschieden geladenen Atomteilchen ineinander stürzen müssen. Bohr entwickelte dieses Modell 1913 weiter und stützte sich dabei auf die Quantentheorie und das Plancksche Wirkungsquantum des Verhältnisses zwischen der Energie des Quants und der Strahlungsfrequenz. Das Bohrsche Atommodell sollte die Grundlage für die spätere Quantenmechanik darstellen: Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen um den Atomkern. Springt ein Elektron auf eine höhere Bahn, wird bei diesem Quantensprung Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben. Für dieses Modell, aber auch insgesamt für seine Forschung über Atomaufbau und –strahlung, erhielt Bohr 1922 den Nobelpreis.

Zu diesem Zeitpunkt war Bohr bereits nach Kopenhagen zurückgekehrt, wo er als Professor im neu gegründeten Institut für Theoretische Physik arbeitete. Dieses Institut entwickelte sich in den 20er und 30er Jahren zur Exzellenzstätte, an der sich renommierte Quantenphysiker inspirieren ließen. Zu den berühmtesten Studenten gehörten die Deutschen Werner Heisenberg und Carl Friedrich von Weizsäcker.

Mit Werner Heisenberg, der 1931 den Nobelpreis für die Begründung der Quantenmechanik erhalten soll, entwickelt sich eine fruchtbare Zusammenarbeit. Beide publizieren 1926/27 gemeinsam die «Kopenhagener Deutung» der Quantentheorie. Dazu trug Heisenberg seine «Unschärferelation» bei. Eine ihrer fundamentalen Aussagen ist, dass bestimmte Messgrößen eines Teilchens, wie zum Beispiel Ort und Impuls, nicht gleichzeitig genau bestimmt werden können. Bohr hingegen trug die Idee der Komplementarität bei, wonach die Beschreibung der Natur gegenseitig ergänzende, zueinander komplementäre Vorstellungen zulässt, wie es im Teilchen-Welle-Dualismus des Lichts und der Materie der Fall ist. Diesen Gedanken hat Bohr später auch auf bestimmte Bereiche der Biologie und Philosophie übertragen.

Im Jahr 1939 überzeugte Bohr, nachdem er die Kernspaltungsexperimente der deutschen Wissenschaftler Otto Hahn und Fritz Strassmann kennengelernt hatte, die Physiker auf einer wissenschaftlichen Konferenz in den USA von der Bedeutung dieser Experimente. Er kehrte nach Dänemark zurück und wurde nach der deutschen Besatzung 1940 zum Bleiben gezwungen.

 

Rätselhaftes Treffen

1941 kam es dann zu dem rätselhaften Treffen von Bohr und Heisenberg in Kopenhagen, das Ende der 1990er Jahre Stoff für ein erfolgreiches Theaterstück des Engländers Michael Frayn hergab: «Copenhagen» wurde 236-mal am New Yorker Broadway aufgeführt und frischte die Diskussion über Ethik in der Wissenschaft auf. Bis heute rätselt die Geschichtsschreibung über den wahren Grund der Begegnung. Unklar ist, ob Heisenberg den Dänen vor der Entwicklung der deutschen Atombombe warnen wollte oder ob es einfach zu einem folgenschweren Missverständnis bei dem geheimen Treffen kam.

Unter deutschen Wissenschaftlern war zu diesem Zeitpunkt eine Diskussion darüber ausgebrochen, ob die Mitarbeit an einem Uran-Vorhaben noch moralisch zu rechtfertigen sei. So soll Heisenberg Bohr gefragt haben: Hat ein Physiker das sittliche Recht, in Kriegszeiten an den Problemen einer Atombombe zu arbeiten? Bohr soll mit einer Gegenfrage geantwortet haben: Ist eine militärische Nutzung der Kernspaltung überhaupt möglich? Spekuliert wird über die Frage, ob Bohr verstanden hat, dass Deutschland kurz vor der Herstellung der Atombombe stand. Heisenberg, der das deutsche Uranprojekt leitete, betonte später, dass dies nicht der Fall gewesen sei.

Tatsache ist, dass die USA, nachdem ihnen Hitler noch im selben Jahr den Krieg erklärt hatte, alle Anstrengungen auf die Entwicklung der Atombombe konzentrierten. Die Deutschen hingegen beschlossen, ihr Uran-Vorhaben aus der Kontrolle des Heeres zu entlassen. Der Krieg an allen Fronten zollte seinen Tribut und ließ weitere Anstrengungen auf unbekanntem Terrain offensichtlich nicht zu. Heisenberg seinerseits deutete nach dem Krieg an, er habe das Uranprogramm absichtlich aus moralischen Bedenken herunterfahren lassen, während andere Kritiker meinten, der Deutsche habe schlichtweg nicht die notwendigen Fähigkeiten zum Bau der Plutoniumbombe gehabt.

 

Flucht in die USA

Wie es auch immer war, Niels Bohr, der jüdischen Familien zur Flucht verholfen hatte, musste 1943 selbst aus Dänemark fliehen. In einem Segelboot gelang er über den Öresund nach Schweden. Von dort brachte ihn der britische Geheimdienst nach England und in die USA weiter, wo sich Bohr in Los Alamos in der Wüste von New Mexico an der Entwicklung der Atombombe beteiligte. Vielleicht motivierte ihn dabei die Annahme, die Deutschen stünden kurz vor dem Bau der Bombe.

Noch während des Krieges beschlich ihn die Furcht, dass zwischen den Alliierten Konflikte entstehen könnten. Er empfahl dem Präsidenten Roosevelt, mit der Sowjetunion eine internationale Kontrolle der Atomenergie auszuhandeln. Vorher hatte er bereits mit Winston Churchill gesprochen. Doch er verschaffte sich kein Gehör.

1945 kehrte er an die Universität nach Kopenhagen zurück und begann an der friedlichen Nutzung der Kernenergie zu arbeiten. 1955 organisierte er in Genf die erste «Atoms for Peace Conference» und setzte sich für internationale Kontrolle ein. 1957 wurde er mit dem besagten Atomfriedenspreis ausgezeichnet.

Mit seiner Frau Margarethe Nørlund hatte er sechs Söhne, von denen zwei schon in jungen Jahren starben. 1975 stieg der Sohn Aage Niels Bohr in die Fußstapfen seines Vaters: Er erhielt den Physik-Nobelpreis.

 

Von Petra Wilken

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