นีลส์ บอร์ ยอดนักฟิสิกส์ผู้เปิดโลกใหม่ของโครงสร้างอะตอมนำทางสู่ทฤษฏีควอนตัม

นีลส์ บอร์ (Niels Bohr) เป็นนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กผู้คิดค้นทฤษฎีอะตอมที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดและเป็นผู้ที่มีส่วนพัฒนาทฤษฎีควอนตัมให้มีความก้าวหน้าอย่างมาก บอร์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากผลงานการค้นคว้าเรื่องโครงสร้างของอะตอมและรังสีที่แผ่กระจายจากอะตอม เขาเป็นผู้ก่อตั้งสถาบันวิจัย Niels Bohr Institute ที่มุ่งวิจัยและช่วยให้เกิดการพัฒนาด้านกลศาสตร์ควอนตัมหนึ่งในเสาหลักของฟิสิกส์สมัยใหม่อย่างมาก บอร์ยังมีส่วนร่วมในการสร้างระเบิดนิวเคลียร์และเป็นผู้รณรงค์ต่อต้านการใช้อาวุธนิวเคลียร์จนได้รับรางวัลปรมาณูเพื่อสันติภาพเป็นคนแรก เขาคือหนึ่งในนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ของโลกตลอดกาล

 
ลูกชายคนเก่งผู้เดินตามรอยของพ่อ

niels-bohr-2

นีลส์ บอร์ เป็นชาวเดนมาร์ก เกิดที่กรุงโคเปนเฮเกน เมืองหลวงของเดนมาร์กเมื่อปี 1885 เป็นลูกคนที่สองในจำนวนทั้งหมดสามคนของครอบครัวผู้มีอันจะกิน พ่อเป็นศาสตราจารย์ด้านสรีรวิทยาที่มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนผู้ซึ่งได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลโนเบลถึงสองครั้ง ส่วนแม่เป็นชาวยิวในตระกูลนายธนาคารและนักการเมืองผู้มั่งคั่ง พ่อแม่ใส่ใจกับการศึกษาของลูกๆอย่างมาก พวกเขาสอนหนังสือเด็กๆที่บ้านจนกระทั่งถึงวัยเข้าโรงเรียน และที่สำคัญลูกๆได้นั่งร่วมวงฟังการสนทนาอภิปรายในเรื่องราวหลากหลายทั้งเรื่องวิทยาศาสตร์ ปรัชญา และศิลปะระหว่างพ่อและเพื่อนอาจารย์ที่บ้านของพวกเขาเองเป็นประจำ

บอร์เรียนหนังสือได้ดีเกือบทุกวิชา ยกเว้นวิชาภาษาเดนิช เขาเก่งคณิตศาสตร์และสนใจในวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะวิชาฟิสิกส์ เขาเป็นนักเรียนที่มีความสามารถเหนือกว่าคนอื่นในโรงเรียน ถึงพ่อของเขาจะมองเห็นในศักยภาพที่สามารถจะเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่โดดเด่นในตัวเขาแต่ก็ไม่ได้ไปเร่งรัดอะไร ปล่อยให้เขาได้ศึกษาเรียนรู้เรื่องต่างๆตามวัยรวมทั้งสนับสนุนเรื่องเล่นกีฬา พ่อชอบเล่นฟุตบอลลูกก็ชอบตาม นีลส์เล่นตำแหน่งผู้รักษาประตูให้กับทีมโรงเรียน แต่ Harald น้องชายของเขาเล่นฟุตบอลเก่งมากถึงขั้นติดทีมชาติและได้รับเหรียญเงินในการแข่งขันกีฬาโอลิมปิค

 
ฉายแววโดดเด่นตั้งแต่เป็นนักศึกษา

niels-bohr-3

ปี 1903 บอร์เข้าเรียนระดับปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน เขาเรียนวิชาดาราศาสตร์ คณิตศาสตร์ ปรัชญา และเลือกเรียนวิชาเอกเป็นฟิสิกส์ ปี 1905 สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งเดนมาร์กได้ประกาศให้รางวัลเหรียญทองแก่ผลงานวิจัยที่ดีที่สุดในเรื่องการวัดค่าแรงตึงผิวของของเหลว ซึ่งรางวัลดังกล่าวตั้งใจจะมอบให้นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานแล้วไม่ใช่นักศึกษา แต่บอร์ตระหนักถึงความสามารถด้านฟิสิกส์ที่เพิ่มขึ้นของเขาและมีความทะเยอทะยาน เขาจึงตัดสินใจเข้าร่วมการแข่งขัน โชคดีที่เขาเป็นลูกของศาสตราจารย์จึงสามารถใช้ห้องแล็บของพ่อทำการทดลองได้ เขาหมกมุ่นทุ่มเททำงานอยู่คนเดียวในตอนกลางคืนเป็นเวลาหลายเดือน ผลงานวิจัยของเขายอดเยี่ยมมากจนได้รับรางวัลเหรียญทองซึ่งเป็นสิ่งที่พิเศษมากสำหรับนักศึกษา

บอร์จบปริญญาตรีในปี 1907 แล้วเรียนระดับปริญญาโทและเอกต่อทันที เขาเลือกทำวิทยานิพนธ์เรื่องทฤษฎีอิเล็กตรอนของโลหะ วิทยานิพนธ์ของบอร์เป็นผลงานการค้นพบใหม่ที่ก้าวหน้ามากเพียงแต่ไม่ค่อยได้รับความสนใจนอกพื้นที่สแกนดิเนเวียมากนัก เพราะมันถูกเขียนในภาษาเดนิชซึ่งเป็นข้อกำหนดของมหาวิทยาลัยในตอนนั้น ต่อมาในปี 1921 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Hendrika Johanna van Leeuwen ได้ค้นพบทฤษฏีนี้อีกครั้งหนึ่ง ปัจจุบันเรียกว่าทฤษฎี Bohr–van Leeuwen theorem ซึ่งมีประโยชน์ในการใช้งานหลายอย่างโดยเฉพาะด้าน Plasma Physics บอร์ได้รับปริญญาเอกในปี 1911

 
เปิดโลกใหม่ของโครงสร้างอะตอม

niels-bohr-4

นักวิทยาศาสตร์สนใจศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับอนุภาคขนาดเล็กมากอันเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสารมานานหลายร้อยปีแล้ว ราวปี 1804 John Dalton เป็นคนแรกที่ริเริ่มและเสนอทฤษฎีอะตอมที่เขาระบุว่าเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ต่อมาในปี 1897 J.J. Thomson ค้นพบอิเล็กตรอนและเสนอแบบจำลองของอะตอมว่ามีลักษณะทรงกลมประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกกระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอ ปี 1909 Ernest Rutherford ค้นพบนิวเคลียสและได้เสนอแบบจำลองใหม่ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันอย่างหนาแน่นอยู่ตรงกลางมีประจุเป็นบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบวิ่งวนอยู่โดยรอบ

ในช่วงเวลาที่บอร์จบการศึกษานักฟิสิกส์คนสำคัญของโลกกำลังสนใจค้นคว้าหาความจริงอย่างเข้มข้นเพื่อเปิดโลกใหม่ของโครงสร้างอะตอมให้เป็นที่ประจักษ์ บอร์ได้รับทุนไปทำงานที่ต่างประเทศหลังจบปริญญาเอกเป็นเวลา 1 ปี เขาเป็นหนึ่งในไม่กี่คนที่ได้รับเลือกให้ไปทำงานที่ห้องทดลอง Cavendish Laboratory ที่เมืองแคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษซึ่งมี J.J. Thomson เป็นผู้ดูแล แต่เขาไปเผลอพูดถึงข้อความในหนังสือที่ Thomson เป็นผู้แต่งว่าไม่ถูกต้องในวันแรกที่พบกัน เขาจึงพบว่าการทำงานที่นี่เป็นเรื่องยากสำหรับเขาเสียแล้ว ดีที่ต่อมาเขาได้พบกับ Ernest Rutherford ซึ่งชวนเขาไปทำงานด้วยที่เมืองแมนเชสเตอร์ บอร์จึงได้ทำงานร่วมกับ Rutherford อยู่เกือบปีพร้อมกับได้แนวคิดหลายอย่างที่นำไปสู่การค้นพบอันยิ่งใหญ่ของเขาหลังจากกลับมาสอนหนังสือและทำวิจัยที่มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนได้ไม่นาน

ปี 1913 บอร์ตีพิมพ์บทความ 3 ชิ้นซึ่งต่อมาเรียกว่า The ‘Trilogy’ ซึ่งได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมและรังสีที่แผ่กระจายจากอะตอม เขาได้พัฒนาแบบจำลองของอะตอมมีโครงสร้างคล้ายกับระบบสุริยะที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ส่วนอะตอมมีนิวเคลียสเป็นศูนย์กลาง และมีอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสคล้ายกับดาวเคราะห์หมุนรอบดวงอาทิตย์ โดยอิเล็กตรอนมีวงโคจรหลายชั้นขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของมัน และอิเล็กตรอนยังสามารถตกจากวงโคจรระดับพลังงานสูงมายังวงโคจรระดับพลังงานต่ำกว่าซึ่งเป็นกระบวนการปล่อยควอนตัมของพลังงานออกมา ดังรูป

niels-bohr-5


แบบจำลองโครงสร้างอะตอมของบอร์ อธิบายถึงภาพของอะตอมว่าคือนิวเคลียสขนาดเล็กมากๆที่มีประจุบวก ล้อมรอบไปด้วยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงโคจรหลายชั้นรอบนิวเคลียส เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดข้ามชั้นมีการปลดปล่อยหรือดูดซับพลังงาน ΔE เมื่อ h = ค่าคงที่ของพลังค์ และ v = ความถี่ของรังสี แม้ว่าปัจจุบันแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมจะมีการพัฒนาเปลี่ยนแปลงไปตามการค้นพบใหม่ๆ แต่แบบจำลองอะตอมของบอร์ยังเป็นที่รู้จักมากที่สุดและยังอยู่ในตำราฟิสิกส์และเคมีที่เด็กนักเรียนสายวิทย์ต้องผ่านตา

 
วางรากฐานทฤษฎีควอนตัมและก่อตั้งสถาบันวิจัย

niels-bohr-6

นอกจาก The Trilogy จะเป็นพื้นฐานสำคัญของทฤษฎีควอนตัมแล้ว บอร์ยังได้แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติทางเคมีของธาตุนั้นส่วนใหญ่มาจากพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่มีวงโคจรที่เสถียรที่สุดซึ่งเรียกว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอน (valence electron) อันเป็นพื้นฐานของเคมีควอนตัมอีกด้วย จากผลงานเรื่องโครงสร้างอะตอมทำให้บอร์มีชื่อเสียงโด่งดัง ได้รับเชิญไปบรรยายและร่วมงานสัมมนาต่างๆมากมาย รวมทั้งได้รับเชิญจาก Rutherford ให้ไปร่วมงานที่เมืองแมนเชสเตอร์อีกครั้งในช่วงที่เกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 ระหว่างปี 1914 – 1916 ก่อนที่เขาจะกลับมาเป็นหัวหน้าวิชาฟิสิกทฤษฎีที่มหาวิทยลัยโคเปนเฮเกน

ปี 1917 บอร์ริเริ่มก่อตั้งสถาบันวิจัยฟิสิกส์ทฤษฎีซึ่งมุ่งวิจัยเรื่องกลศาสตร์ควอนตัมโดยได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาลและมูลนิธิคาร์ลสเบิร์ก รวมทั้งได้รับเงินบริจาคจำนวนมากจากกลุ่มอุตสหกรรมและเอกชนทั่วไปซึ่งส่วนใหญ่เป็นชาวยิว บอร์เป็นผู้อำนวยการสถาบันคนแรกและมีส่วนช่วยยกระดับให้เป็นสถาบันวิจัยชั้นนำของโลกด้านกลศาสตร์ควอนตัม มีนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่มีชื่อเสียงของโลกแวะเวียนมาร่วมทำวิจัยที่สถาบันแห่งนี้จำนวนมากภายใต้การนำและการเป็นเจ้าภาพที่ดีของบอร์นำไปสู่ความก้าวหน้าทางด้านกลศาสตร์ควอนตัมมากมาย รวมทั้งแนวคิดการอธิบายกลศาสตร์ควอนตัมด้วยการตีความโคเปนเฮเกน (Copenhagen interpretation) ซึ่งเป็นผลงานของบอร์และ Werner Heisenberg นั้นยังคงถูกใช้สอนมากที่สุด นอกจากนี้บอร์ยังได้ทำนายการคงอยู่ของธาตุที่มีเลขอะตอม 72 ที่ยังไม่ค้นพบ ซึ่งต่อมานักวิจัยของสถาบันแห่งนี้เป็นผู้ค้นพบและตั้งชื่อตามชื่อมหาวิทยาลัยในภาษาลาตินว่า hafnium

 
ครอบครัวรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

niels-bohr-7

ปี 2522 บอร์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากผลงานการค้นคว้าเรื่องโครงสร้างของอะตอมและรังสีที่แผ่กระจายจากอะตอมซึ่งเป็นการยืนยันถึงการยอมรับใน The Trilogy, แบบจำลองโครงสร้างอะตอม รวมทั้งผลงานอันยอดเยี่ยมในช่วงแรกๆของเขาในเรื่องกลศาสตร์ควอนตัม เขาได้รับรางวัลโนเบลในปีเดียวกับ Albert Einstein ผู้ชนะรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1921 แต่รับรางวัลช้าไป 1 ปีด้วยเหตุผลทางเทคนิคบางประการ แม้ว่าบอร์กับ Einstein จะมีความคิดเห็นขัดแย้งกันในบางประเด็นของกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งกาลเวลาได้พิสูจน์ว่าบอร์เป็นฝ่ายถูก แต่พวกเขาก็เป็นเพื่อนที่ดีต่อกันและทำงานวิจัยร่วมกันหลายอย่าง

ครอบครัว Bohr ยังเป็นหนึ่งในไม่กี่ครอบครัวในโลกที่มีสมาชิกได้รับรางวัลโนเบลหลายคน แม้ว่าในรุ่นพ่อของนีลส์คือ Christian Bohr จะได้แค่เพียงได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลโนเบล 2 ครั้ง แต่ลูกชายคนเก่งของเขาคือนีลส์ก็ทำสำเร็จ และต่อมาลูกชายของนีลส์ Aage Bohr ซึ่งเกิดในปีเดียวกับที่เขาได้รับรางวัลโนเบลได้กลายเป็นนักฟิสิกส์ที่ศึกษาค้นคว้าเรื่องเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมพัฒนาต่อยอดจากผู้เป็นพ่อและทำได้อย่างยอดเยี่ยมจนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1975

 
สงครามโลกครั้งที่ 2 และระเบิดนิวเคลียร์

niels-bohr-8

ปี 1943 สงครามโลกครั้งที่ 2 ที่เริ่มต้นมาตั้งแต่ปี 1939 ได้ลุกลามแผ่ขยายไปทั่วโลกและส่งผลกระทบมาถึงครอบครัวของบอร์ เขาและครอบครัวถูกนาซีพิจารณาว่าเป็นชาวยิวซึ่งเป็นเป้าหมายที่ต้องทำลายล้างเนื่องจากแม่ของเขาเป็นชาวยิว ทำให้เขาต้องหนีออกจากเดนมาร์กไปยังสวีเดน ทันทีที่ไปถึงบอร์ได้เกลี้ยกล่อมกษัตริย์สวีเดนให้ที่หลบภัยแก่ชาวยิวอพยพซึ่งช่วยให้ชาวยิวหลบหนีจากเดนมาร์กไปยังสวีเดนได้มากกว่า 7,000 คน บอร์หลบหนีต่อไปยังอังกฤษผ่านทางสกอตแลนด์ จากนั้นทางอังกฤษได้ช่วยให้เขาเดินทางต่อไปยังสหรัฐอเมริกาและได้เข้าร่วมในโครงการแมนฮัตตันที่กำลังพัฒนาระเบิดนิวเคลียร์ร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำหลายคน รวมทั้ง Albert Einstein หนึ่งในผู้ผลักดันให้เกิดโครงการนี้

บอร์ตระหนักถึงความเป็นไปได้ในการใช้แร่ยูเรเนียม-235 สร้างระเบิดนิวเคลียร์มาตั้งแต่ก่อนเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 โดยเขาเคยพูดถึงเรื่องนี้ในการบรรยายหลายครั้ง เมื่อปี 1941 Werner Heisenberg นักฟิสิกส์คนสำคัญชาวเยอรมันที่ต่อมาเป็นหัวหน้าโครงการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ของเยอรมันได้มาพบกับเขาที่โคเปนเฮเกน ไม่เป็นที่เปิดเผยว่าทั้งคู่พูดคุยอะไรกันในการพบกันครั้งประวัติศาสตร์นี้ แต่หลายคนเชื่อว่า Heisenberg มาสอบถามแนวคิดการสร้างระเบิดนิวเคลียร์จากบอร์ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ที่เข้าใจเรื่องนี้ดีที่สุดในโลก การแข่งขันกันสร้างระเบิดนิวเคลียร์ระหว่างสหรัฐกับเยอรมันเป็นไปอย่างเข้มข้น แต่สหรัฐมีทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรชั้นยอดคับคั่งและยังได้บอร์มาร่วมทีมพร้อมกับนำทฤษฎีการแตกตัวของอะตอมของเขามาปรับใช้ในการสร้างระเบิดนิวเคลียร์ ในที่สุดฝ่ายสัมพันธมิตรจึงทำสำเร็จก่อนและเป็นฝ่ายชนะสงคราม

 
นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ของโลกตัวจริง

niels-bohr-9

ถึงเขาจะมีส่วนร่วมในการสร้างระเบิดนิวเคลียร์แต่บอร์ตระหนักดีถึงภัยร้ายแรงของอาวุธนิวเคลียร์ ดังนั้นหลังสงครามเขาจึงรณรงค์ต่อต้านการใช้อาวุธสงครามอย่างจริงจังและต่อเนื่อง รวมทั้งเรียกร้องให้ก่อตั้งองค์กรขึ้นมาควบคุมการใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อสันติ การต่อสู้ในเรื่องนี้ของเขาประสบความสำเร็จในปี 1950 เมื่อสหประชาชาติได้จัดตั้งองค์การพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (International Atomic Energy Agency หรือ IAEA) ตามคำแนะนำของบอร์ และต่อมาในปี 1957 เขาก็ได้รับรางวัลปรมาณูเพื่อสันติภาพ (Atom for Peace Award) เป็นคนแรก

บอร์เป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ของเดนมาร์กที่ประสบความสำเร็จสูงสุด ผลงานการคิดค้นโครงสร้างอะตอมและการวางรากฐานของกลศาสตร์ควอนตัมอันเป็นหนึ่งในสองเสาหลักของฟิสิกส์สมัยใหม่ร่วมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพนั้นมีความสำคัญต่อการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์อย่างสูง นอกจากรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์และรางวัลปรมาณูเพื่อสันติภาพแล้วบอร์ยังได้รับรางวัลเกียรติยศอื่นๆอีกมากมาย รวมทั้งเครื่องราชอิสริยาภรณ์ Order of the Elephant ที่กษัตริย์ของเดนมาร์กมอบให้เพื่อเป็นเกีียรติแก่ตัวเขาและวงการวิทยาศาสตร์ของเดนมาร์ก บอร์เสียชีวิตด้วยโรคหัวใจเมื่อปี 1962 ในวัย 77 ปี ต่อมาในปี 1965 สถาบันวิจัยฟิสิกส์ทฤษฎีที่เขาเป็นผู้ก่อตั้งขึ้นในมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนได้เปลี่ยนชื่อเป็น Niels Bohr Institute เพื่อเป็นเกียรติแก่เขาผู้เป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ของโลกตลอดกาล อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ในยุคเดียวกันและเคยทำงานวิจัยร่วมกันกับบอร์ด้วยได้พูดถึงเขาว่า “ไม่มีใครรู้ว่าถ้าไม่มีนีลส์ บอร์แล้ว เราจะรู้เกี่ยวกับเรื่องของอะตอมได้อย่างไร”

niels-bohr-10

 

ข้อมูลและภาพจาก famousscientists.org, wikipedia, nobelprize.org


Leave a Reply

Your email address will not be published.