Niels Henrik David Bohr ( à Copenhague, Danemark - à Copenhague) est un physicien danois. Il est surtout connu pour son apport à l'édification de la mécanique quantique, pour lequel il a reçu de nombreux honneurs. Il est notamment lauréat du prix Nobel de physique de 1922.
Biographie et parcours intellectuel
Fils de Christian Bohr, professeur de médecine et recteur d'université, de confession luthérienne, et de Ellen Adler, de confession juive, Niels Bohr a un frère cadet, Harald Bohr, mathématicien et sportif de haut niveau (il joua dans l'équipe nationale de football et participa aux Jeux olympiques de 1908 tenus à Londres), ainsi qu'une sœur aînée, Jenny. Il est lui-même un très bon footballeur.
Niels entre à l'université de Copenhague en 1903. Dès 1906, il travaille sur le thème des vibrations d'un jet de liquide et son mémoire obtient une récompense de l'Académie royale danoise des sciences et des lettres. Il obtient un doctorat à l'université de Copenhague en 1911 « Sur la théorie électronique des métaux », émettant ses premières idées sur la structure atomique. Quelques mois avant la soutenance, il se fiance avec Margrethe Norlung (1890-1984).
Il obtient une bourse de la Fondation Carlsberg et veut dans un premier temps travailler à l'université de Cambridge avec le professeur Joseph John Thomson dont le modèle atomique, sphère de charge positive dans laquelle sont plongés les électrons, ne satisfait pas totalement son élève. Bohr rencontre alors Ernest Rutherford qu'il rejoint à Manchester (Angleterre).
thumb|left|Schématisation des orbites circulaires dans le modèle de Bohr. Se basant sur les théories de Rutherford, il publie en 1913 un modèle de la structure de l'atome mais aussi de la liaison chimique dans une série de trois articles de la revue Philosophical Magazine. Cette théorie présente l'atome comme un noyau autour duquel gravitent des électrons, qui déterminent les propriétés chimiques de l'atome. Les électrons ont la possibilité de passer d'une couche à une autre, émettant un quantum d'énergie, le photon. Cette théorie est à la base de la mécanique quantique. Albert Einstein s'intéresse de très près à cette théorie dès sa publication. Ce modèle est confirmé expérimentalement quelques années plus tard.
Il rentre au Danemark en 1912 et se marie peu après. De cette union naissent six garçons, le plus connu étant Aage Bohr, lauréat du prix Nobel de physique de 1975. Il devient assistant à la chaire de physique de l'université de Copenhague. En 1913, en manipulant différentes notions de mécanique classique et de la naissante mécanique quantique, il obtient l'équation de Bohr, . :
où est l'énergie d'un électron, : sa masse, : la constante de Planck réduite, : la charge de la particule, : la constante mathématique 3,14159..., : la permittivité du vide, et : le nombre quantique principal.
En 1914, il accepte un poste de professeur à l'université de Manchester. Durant la Première Guerre mondiale, le Danemark est un État neutre et Bohr peut rester dans la recherche civile, même en Angleterre où il se trouve. Il en profite pour peaufiner son modèle atomique en y introduisant des idées relativistes quant aux mouvements des électrons, théorie reprise et complétée par Arnold Sommerfeld.
En 1916, Bohr devient professeur à l'université de Copenhague dans la chaire de physique théorique tout juste créée.
Fin avril 1920, il fait la connaissance d'Albert Einstein, lors d'un voyage à Berlin où il a été invité à donner des conférences par Max Planck, qu'il rencontre aussi pour la première fois. Einstein et Bohr se revoient en août, à Copenhague..
Il est nommé en 1920 directeur du tout nouvel Institut de la physique théorique dont il est le fondateur. Cet établissement prend le nom de Niels Bohr Institutet en 1965. Pendant les années 1920, il complète sa théorie, parvenant à établir une relation étroite entre le tableau de Mendeleïev et la structure électronique des atomes. Il reçoit le prix Nobel de physique en 1922 .
vignette|gauche|redresse=.7|Blason de Bohr, avec la devise et le symbole du taijitu.
Bohr est aussi à l'origine du principe de complémentarité : des analyses distinctes peuvent faire apparaître des propriétés contraires. Par exemple, certaines expériences indiquent que la lumière est une onde et d'autres qu'elle est un faisceau de particules, les photons. Cette idée a aussi inspiré son blason, dans lequel le symbole du taijitu (ou yin et yang) est utilisé avec une devise latine (« les contraires sont complémentaires »).
Parmi les plus célèbres étudiants de Bohr qui fréquentent son institut de physique, on peut citer Werner Heisenberg qui devient responsable d'un projet de bombe atomique allemande durant la Seconde Guerre mondiale et Wolfgang Pauli.
thumb|Albert Einstein et Niels Bohr en 1930 à l'occasion d'un congrès Solvay (photo Paul Ehrenfest). En , au cours du cinquième congrès Solvay, il rencontre de nouveau Albert Einstein, avec qui il aura de très fréquents entretiens jusqu'en 1935. Einstein défend le caractère provisoire de la théorie quantique, ne se satisfaisant pas de cette dernière au niveau épistémologique. Bohr, au contraire, considère qu'il s'agit d'une théorie achevée. Ces réflexions et discussions sont l'une des sources de ses Écrits philosophiques, publiés en quatre volumes (dont deux à titre posthume en 1963 et en 1998), dont l'une des thématiques est l'utilisation du langage. Il travaille également sur le principe de complémentarité en biologie.
Lors d'un débat, Niels Bohr se dispute avec Albert Einstein à propos de la réalité de la physique quantique. À un moment donné Einstein, excédé, jette à Niels Bohr : , ce à quoi Bohr répondit : Cet échange est devenu célèbre par la suite.
À la fin des années 1930, ses recherches s'orientent vers le noyau atomique pour lequel il propose le modèle dit « de la goutte », où l'ensemble des particules constitutives de ce dernier restent fortement liées, ne permettant que des interactions globales avec l'extérieur.
En 1943, sous l'occupation allemande, Bohr s'échappe du Danemark où il est menacé en raison des origines juives de sa mère et il gagne la Suède avec l'aide de la résistance danoise, peu de jours après que Heisenberg lui a rendu une visiteNote de Bohr, mars 1954, sur le site du Niels Bohr Archive.. De là, il est conduit clandestinement en Angleterre dans la soute d'un Mosquito civil de la BOAC. Il intègre alors Tube Alloys, le programme atomique britannique secret. Il n'y restera cependant que deux mois avant de rejoindre le Laboratoire national de Los Alamos dans le cadre du projet Manhattan.. Selon l'historien Alex Wellerstein, Bohr y fit quelques contributions techniques pour la réalisation de bombe atomique, .
Après la guerre, il rentre à Copenhague et milite pour une utilisation pacifique de l'énergie nucléaire, en particulier avec la création du Laboratoire national Risø en 1956, ce qui lui vaut d'être lauréat de l'Atoms for Peace Award en 1957. Il participe également à la formation du Centre européen pour la recherche nucléaire (CERN) et son institut de Copenhague héberge sa section théorique dans un premier temps.
Il meurt à Copenhague d'une crise cardiaque le . Sa sépulture se trouve au parc-cimetière Assistens.
L'élément bohrium (numéro atomique 107) a été nommé en son honneur.
Une légende urbaine attribue à Niels Bohr une anecdote concernant la mesure de la hauteur d'un bâtiment à l'aide d'un baromètre. Cette histoire aurait été écrite dans le Reader's Digest en 1958, et se serait transformée au fil du temps en une anecdote supposée réelle. On peut se demander si le recours à cette personne célèbre n'est pas une manière de transformer une anecdote amusante en un pamphlet contre la « rigidité de l'enseignement scolaire » opposée à la « créativité ».
Théorie quantique
Première période
L'héritage philosophique
C'est en 1903 que Niels Bohr entre à l'université de Copenhague où il suit des cours de philosophie, de logique et de psychologieF. Forestier, « Sur la lecture de Kierkegaard par Niels Bohr – Sur la pluralité des ruptures et des sauts ». Texte en ligne.. Du temps de Bohr, tous les étudiants devaient commencer leur cursus universitaire en acquérant une base solide dans ces disciplines, et cela quelle que soit la spécialité choisie. L’influence sur Bohr du philosophe Harald Høffding, commentateur de Sören Kierkegaard, a souvent été évoquée dans ce contexte. Auteur en 1892 de Sören Kierkegaard som Filosof, Höffding insiste sur le caractère subjectif de la connaissance dont Kierkegaard aurait mieux que personne aperçu l’importance. Il distingue dans cette perspective deux types de penseurs : ceux qui, comme Hegel, s’occupent de continuité, et ceux qui, tel Kierkegaard, privilégient la discontinuité et les inconciliabilités. Bien que Bohr lui-même ait été un lecteur assidu de Kierkegaard, l'influence du grand philosophe danois sur ses conceptions reste hypothétique, et tout au plus indirecte, à travers l'interprétation qu'en a faite Höffding.
Dans ses premiers travaux scientifiques, Bohr identifie le formalisme mathématique de la physique à une sorte de sémiotique – ou système de signes – conformément à la théorie de la connaissance qui s'est développée en Allemagne à la fin du sous l'impulsion du physiologiste néokantien Hermann von Helmholtz. D'après Claude Chevalley, c’est la « théorie hiéroglyphique de la représentation » développée par Helmholtz qui influence les premières conceptions de Bohr : le langage de la physique renvoie bien au monde tel qu'il existe, mais il ne constitue pas un « reflet » de la réalité dans lequel les mots correspondraient « de façon biunivoque à des "moellons" de la réalité » . Selon cette théorie, aucune relation de correspondance terme à terme ne peut être établie entre les concepts de la physique et le monde.
Cette conception sémiotique de la physique a pour Bohr l'avantage de maintenir l’unité de l’objet référent (objet de connaissance) par-delà la diversité des représentations dans la connaissance. Il l'abandonne toutefois peu à peu, adoptant une attitude de plus en plus kantienne, au sens où il exprime de plus en plus son refus de statuer sur la nature des choses-en-soi, pour insister plutôt sur les principes constitutifs de la formalisation des phénomènes. En 1927, année où Bohr expose pour la première fois sa nouvelle conception de la physique atomique, ses idées sur la physique relèvent d'une conception épistémologique qui oscille entre une forme sophistiquée d’instrumentalisme et une perspective kantienne sur les limites de la connaissance.
L'atome de Bohr
thumb|Schématisation des orbites circulaires d'un atome d'hydrogène selon le modèle de Bohr, avec émission d'un photon lors du passage d'un électron d'une orbite déterminée à une autre de niveau d'énergie moindre. La première contribution importante de Bohr à la physique atomique consiste en une refonte du modèle de l’atome à partir des années 1912-1913. Le modèle en vigueur en 1911 était celui d’Ernest Rutherford, dans lequel les électrons gravitaient autour du noyau central à la façon des planètes autour du Soleil.. Cette conception présentait un défaut majeur : elle n'était pas stable. En effet, selon les lois de l'électromagnétisme, toute particule en mouvement accéléré émet un rayonnement et perd ainsi de l'énergie. En tournant autour du noyau, les électrons devraient donc perdre leur énergie et finir par s'effondrer sur le noyau. Pour remédier à ce problème, Bohr imagine que les électrons circulent sur des orbites définies par leur niveau d'énergie. Ces orbites sont stables et de rayon bien déterminé. La nouveauté profonde de l'atome de Bohr consiste alors à ne plus attribuer aux électrons des valeurs continues mais des valeurs discrètes.