Schwarz-Weiß-Foto eines älteren Herren in einem Arbeitszimmer.

Niels Bohr: Im Gegensatz liegt die Wahrheit

Contraria Sunt Complementa

Kopenhagen, Mitte der 1920er-Jahre. Als junge und hoffnungsfrohe Physiker steigen wir aus unserem Zug und verlassen den Hauptbahnhof. Unsere Hände umklammern eine Kopie der eigenen Dissertation, geschrieben mit einer der neuesten Schreibmaschinen. Wir befinden uns auf der Suche nach dem einen Mann, der unsere Arbeit zu würdigen wissen wird. Nach kurzem Fragen erfahren wir, wie man zu Dänemarks erstem Institut für theoretische Physik gelangt. Wenige Schritte vor uns läuft ein hochgewachsener Herr im Anzug in dieselbe Richtung. Nachdem er einen Zug aus seiner Pfeife nimmt und diese geistesabwesend in seine Anzugtasche steckt, verschränkt er seine massigen Hände hinter dem Rücken. Mit nachdenklichem Blick tastet er die Umgebung behutsam ab.

Das Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, 2005

Als sich unsere Blicke kreuzen erkennen wir in ihm unser Ziel: den theoretischen Physiker und Nobelpreisträger Niels Bohr. Das Interesse in unserem Blick bemerkt er sofort. Mit einladendem Lächeln winkt er uns herbei. Wie es der Zufall will hat Professor Bohr gerade ein wenig Zeit und lädt zum Teetrinken in sein Institut ein. Mit engelsgleicher Geduld und sokratischer Beharrlichkeit widmet er sich unserer Arbeit. Wendungen wie „sehr, sehr interessant“, „nicht um zu kritisieren, nur um zu lernen“ und „wir sind viel mehr einer Meinung als Sie vielleicht glauben mögen“ begleiten seine Fragen und Vorschläge.

Im Kreis der Professoren

Christian Bohr, nach 1880

Niels Henrik David Bohr erblickte am 7. Oktober 1885 das Licht der Welt. Als Sohn des berühmten Physiologie-Professors Christian Bohr und der vermögenden Ellen Adler wuchs er unter begünstigten Umständen auf. Seine ältere Schwester Jenny wurde eine talentierte Lehrerin. Niels teilte eine tiefe Verbundenheit mit seinem zwei Jahre jüngeren Bruder Harald, der sich später in der Mathematik profilierte. Obwohl in der Kindheit der Jüngere oft als intelligenter eingeschätzt wurde und den Älteren häufig neckte, waren sie zeitlebens enge Vertraute. Die Brüder Bohr spielten im von ihrem Vater gegründeten Fußballverein Akademisk Boldklub. Während Niels ein passabler Torwart war, überzeugte Harald sogar bei den Olympischen Spielen 1908 als Läufer.

Entscheidend geprägt wurde das Denken der beiden Brüder durch die Gesprächsrunden ihres Vaters. Dieser traf sich freitagabendlich zum wissenschaftlichen Diskurs mit hoch angesehenen Kollegen: dem Philologen Vilhelm Thomson, dem Physiker Christian Christiansen und dem Philosophen Harald Høffding. Ebenso wie das Quartett selbst waren auch die Diskussionsthemen und Ansichten bunt gemischt. Fragen wie „Was ist Leben?“ wurden aus allen möglichen Perspektiven erörtert. Im Hause Bohr durften die Kleinen sich dazusetzen und lauschen. Insbesondere die Gedanken Høffdings hatten großen Einfluss auf den jungen Niels.

Die Trilogie

Im Jahr 1911 schrieb Niels Bohr seine Doktorarbeit zur Elektronentheorie der Metalle. Mithilfe eines Stipendiums der Carlsberg-Stiftung reiste er wenige Monate später nach England, um den Entdecker des Elektrons Joseph John Thomson zu treffen. Die Zusammenarbeit mit dem vielbeschäftigten Physik-Nobelpreisträger ging jedoch einem frühen Ende zu. Im November desselben Jahres traf Bohr seinen späteren Freund und Mentor Ernest Rutherford. Dieser wurde unter anderem für die Entdeckung der radioaktiven Umwandlung von Elementen und das nach ihm benannte Atommodell berühmt. Bei verschiedenen Streuexperimenten hatte der Neuseeländer erkannt, dass das Atom einen winzigen positiv geladenen Kern besitzt. Bohr wechselte im März 1912 an Rutherfords Institut in Manchester.

Die Balmer-Serie des Wasserstoffs

Im Laufe seiner Arbeit in Manchester setzte Bohr sich mit den Schwächen des Rutherfordschen Atommodells auseinander. Elektronen, die um einen Atomkern kreisen, müssten beispielsweise kontinuierlich Strahlung abgeben und nach einiger Zeit in den Kern stürzen. Niels Bohr nutzte die neue Quantentheorie und beschränkte die Bewegung der Elektronen auf einige wenige stabile Bahnen, die sogenannten stationären Zustände, um diesen Konflikt zu beheben. Er kombinierte seine Überlegungen mit den Arbeiten anderer Wissenschaftler und entwickelte so ein eigenes Atommodell. Dieses erklärt den Bahnwechsel der Elektronen durch die Absorption und Emission von Licht einer bestimmten Frequenz. Mithilfe dieser Annahmen konnte Bohr die Balmer-Serie des Wasserstoffs erklären – eine bis dahin nicht verstandene Gruppe von Spektrallinien dieses einfachsten Atoms.

Das Aufbauprinzip der Elektronenorbitale

Die Ergebnisse seiner Arbeit veröffentlichte Bohr unter dem Titel „On the Constitutions of Atoms and Molecules“. Am 5. April 1913 erschien der erste Teil, wenige Monate später folgten der zweite und dritte. Im Laufe der kommenden Jahre versuchte Bohr die Ordnung des Periodensystems und chemische Abläufe mithilfe des Aufbauprinzips zu erklären. Der deutsche Theoretiker und Mathematiker Arnold Sommerfeld ergänzte in Bohrs Modell elliptische Bahnen. 1922 erhielt Bohr „für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung“ den Nobelpreis für Physik.

Gemeinschaft der Physiker

Im Jahr 1916 wurde Niels Bohr von der Universität Kopenhagen zum Professor für theoretische Physik ernannt. Seitdem arbeitete er an der Gründung eines entsprechenden Instituts und warb dafür um Gelder bei der Carlsberg-Stiftung. Wenige Jahre später wurde das Institut für Theoretische Physik (seit 1975 Niels-Bohr-Institut) in Kopenhagen eingeweiht. Innerhalb kürzester Zeit entwickelte sich das Institut zu einem Zentrum der physikalischen Wissenschaft. Ab 1929 wurden dort die berühmten Frühjahrstagungen abgehalten. Carl Friedrich von Weizsäcker schrieb über die Zeit an Bohrs Institut: „Man spottete ein wenig über ihn, weil man ihn oft nicht verstand, fast grenzenlos bewunderte und grenzenlos liebte.“

Nach dem ersten Weltkrieg nahm Niels Bohr als erster Physiker mit internationalem Renommee wieder an einer wissenschaftlichen Veranstaltung in Deutschland teil. Die Vortragsreihe in Göttingen wurde als „Bohr-Festspiele“ bekannt. Dort traf Bohr auf seine späteren engen Vertrauten und Mitarbeiter Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli. In den darauffolgenden Jahren arbeiteten sie gemeinsam an den Grundlagen der Quantenmechanik. Auf Wanderungen und bei Skiausflügen diskutierte Bohr mit Heisenberg. Zusammen entwickelten sie die sogenannte Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik. Dieser Interpretation zufolge werden die Eigenschaften eines Systems erst durch den Messvorgang festgelegt.

Bohr-Einstein-Debatten

Bohr und Einstein, 1925

„Sie haben sich heiß und innig geliebt.“ So beschrieb Einsteins Sekretärin die Freundschaft der beiden Physiker. Ihre Ansichten bezüglich der Physik trennten die beiden jedoch zuweilen voneinander. Zwei Debatten sind dabei besonders hervorzuheben. Zum einen zweifelte Bohr, wie lange Zeit die Mehrheit der Physiker, Einsteins Interpretation des photoelektrischen Effekts an. Wenn Licht ab einer bestimmten Wellenlänge auf eine Kupferplatte trifft, dann treten Elektronen aus dem Metall aus. Einstein sah darin den Beweis, dass Licht sich wie ein Teilchen mit Impuls verhält. Bereits seit 1864 beschrieb James Clerk Maxwell Licht jedoch als elektromagnetische Welle. In der klassischen Physik sind diese beiden Vorstellungen nicht miteinander vereinbar. Der Welle-Teilchen-Dualismus wurde jedoch zu einem integralen Bestandteil der Quantenmechanik.

Zum anderen war Einstein Zeit seines Lebens davon überzeugt, dass die Quantenmechanik und die Kopenhagener Deutung inkonsistent und unvollständig sind. Mithilfe von verschiedenen Gedankenexperimenten versuchte Einstein deren Unvollständigkeit aufzuzeigen. Insbesondere die Heisenbergsche Unschärferelation, die besagt dass Ort und Impuls beziehungsweise Energie und Zeit nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden können, war für ihn Anlass zur Kritik. An der Schrödinger-Gleichung, die Aussagen darüber trifft, dass sich verschiedene mögliche Zustände überlagern, bemängelte er: „Gott würfelt nicht.“ Trotz zahlreicher Versuche gelang es Einstein nie, die Quantenmechanik als fehlerhaft zu entlarven.

Bemühen um Frieden

Heisenberg und Bohr, 1934

Vor und während des Zweiten Weltkriegs wurde Bohrs Institut zur Anlaufstation für viele deutsche Physiker, die – teils aus politischen Gründen, teils wegen jüdischer Wurzeln, wie auch Bohr sie hatte – verfolgt wurden. Niels Bohr engagierte sich später im Widerstand gegen die deutsche Besetzung Dänemarks. 1943 musste die Familie Bohr aus ihrer Heimat in einem Fischerboot nach Schweden fliehen. Kurze Zeit später wurde Niels Bohr, mit England als Zwischenstation, nach Amerika gebracht, um sich am Manhattan Project zu beteiligen. Zum Ende des Zweiten Weltkriegs hin setzte er sich für eine friedliche Nutzung der Atomenergie ein und versuchte US-Präsident Roosevelt und Winston Churchill vom Einsatz der Atombombe abzubringen.

In den kommenden Jahren setzte Bohr sich weiterhin für Frieden ein: er schrieb einen offenen Brief an die Vereinten Nationen, organisierte die „Erste Internationale Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomkraft“ und war an der Gründung des europäischen Kernforschungszentrums CERN beteiligt. Am 18. November 1962 verstarb Niels Bohr in Kopenhagen. Seit 1912 war er mit Margarethe Nørlund verheiratet gewesen, mit der er fünf Söhne hatte. Aage Niels Bohr trat in die Fußstapfen seines Vaters und erhielt 1975 den Physik-Nobelpreis „für die Entdeckung der Verbindung zwischen kollektiver und Teilchen-Bewegung in Atomkernen und die Entwicklung der Theorie von der Struktur der Atomkerne basierend auf dieser Verbindung.“

Niels-Bohr-Gedächtnistreffen in Kopenhagen 1963

Wir befinden uns wieder in der Obhut von Professor Bohr. Nachdem er sich mit uns lange Zeit über unsere Doktorschrift und andere physikalische Themen unterhalten hat, beendet er das Gespräch mit Verweis auf seine Pflichten. Er nennt uns noch eine gute Möglichkeit zur Unterkunft und schlägt ein weiteres Treffen vor. Als wir aus der Tür treten, nutzen wir die Möglichkeit, um über die letzten Stunden nachzusinnen. Die zahlreiche Anregungen des berühmten Professors gilt es nun zu ordnen und zu durchdenken. Bewundernd denken wir daran zurück, wie er verschiedene Bereiche der Physik zusammengemengt und auseinandergepflückt hat. Oder wie es Carl Friedrich von Weizsäcker beschreiben wird: „Ich habe zum ersten Mal einen Physiker gesehen. Er leidet am Denken.“ Am nächsten Morgen begrüßt uns Bohr freundschaftlich und bietet augenzwinkernd eine Assistenzstelle an seinem Institut an.