Даниил Данин - Нильс Бор

• Название: Нильс Бор
• Автор: Даниил Данин
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1978

Эта книга — краткий очерк жизни и творчества Нильса Бора — великого датского физика-мыслителя, создателя квантовой теории атома и одного из основоположников механики микромира. Современная научная мысль обязана ему глубокими руководящими идеями и новым стилем научного мышления. Он явился вдохновителем и главой интернациональной школы физиков-теоретиков. Замечательной была общественная деятельность ученого-гуманиста — первого поборника международного контроля над использованием ядерной энергии, борца против политики «атомного шантажа»

Книга основана на опубликованных ранее материалах, обнаруженных автором в Архиве Н. Бора и в Архиве источников и истории квантовой физики в Копенгагене.

---

…Еще семь лет назад — в Памятной записке Резерфорду — Бор запрограммировал квантовое истолкование Периодического закона Менделеева. Ему все тогда казалось легкодостижимым — «через несколько недель». В придуманных для устойчивости атома электронных кольцах ему чудилась скрытой и периодическая повторяемость химических свойств элементов. Он ведь и число уже называл: в каждом кольце не больше семи электронов — от нуля до семи. Итого восемь вакансий. А химия атома зависела, по его мысли, от внешнего кольца. И потому у всех элементов с одинаковым числом электронов в наружном кольце похожая химия. И периодичность действительно появлялась сама собой: у каждого элемента должен был через восемь клеточек менделеевской таблицы обнаруживаться близнец по поведению…

За последние годы принцип этой схемы не устарел. Но Бор прекрасно знал, что она слишком уж схематична. Довольно было взглянуть на таблицу Менделеева, чтобы увидеть: периодическую повторяемость химических свойств числом 8 не исчерпать. Гармония Периодического закона оставалась неразгаданной. В ней каким-то образом участвовали и другие числа — 2, 18, 32… Ясно, что тут шла в природе какая-то квантовая игра. Однако по более сложным правилам, чем им, физикам и химикам, казалось сначала.

Многие уже пытались эти правила раскрыть. Успешней и раньше других — мюнхенец Вальтер Коссель. Бору нравились его работы. Только одно не удовлетворяло: Коссель «не входил в рассмотрение глубоких причин разделения электронов на группы…». Сам Бор уже не верил тому, что утверждал в наивные дни Памятной записки: будто электроны в каждом кольце, как в хороводе, вращаются все вместе по одной орбите. Когда бы так, связанные коллективной устойчивостью вращения, эти электроны лишились бы права свободных перескоков на иные орбиты. Да больше ему и не нужны были кольца: его теория разрешала каждому электрону устойчиво двигаться вокруг ядра по индивидуальной орбите — лишь бы отвечала она какому-нибудь дозволенному уровню энергии.

Вся паутина математически возможных орбит теперь рисовалась ему в виде призрачного проекта будущего атома. Уровни энергии превратились в иерархическую лестницу вакантных мест для залетных электронов. Формируя атом, они могли садиться один за другим только на свободные ступеньки — снизу вверх. И если нижние уровни оказывались уже заселенными ранее прибывшими счастливчиками (или, напротив, неудачниками — они ведь теряли прежнюю свободу!), новым электронам доставались орбиты, более удаленные от ядра. И это продолжалось до тех пор, пока общее число электронов не становилось равным ядерному заряду и на свет не рождался готовенький нейтральный атом.

Но можно бы сказать, что электроны расселялись в атоме все-таки по группам, как новоселы в доме по этажам: ведь каждая главная ступень на боровской лестнице уровней являла собою зоммерфельдовскую маленькую лесенку и орбиты для этой лесенки тесно соседствовали друг с другом, образуя группу орбит. Странным был этот дом — сродни фантастическим замыслам тогдашних архитекторов-конструктивистов. Дом, расходящийся кверху: цоколь — ядро, в первом этаже — 2 квартиры, во втором — 8 и в третьем — 8, в четвертом — 18 и в пятом — 18, а в шестом — 32… Так объединяются элементы в периоды по таблице Менделеева. И точно так же должны были объединяться в группы атомные электроны. За причудливостью этого конструктивистского проекта угадывалась, однако, гармоническая четкость:

2 = 2-12, 8=2-22, 18 = 2-32, 32 = 242…

Да, тут явно шла какая-то игра квантовых возможностей. А многие физики уже придумывали свои схемы для толкования таких «арифметических чудачеств» природы, пытаясь как-нибудь обойтись без квантовых чисел… Известный американский исследователь Ирвинг Ленгмюр склонялся к мысли, что в строении атома принимают участие таинственные силы: только этим можно оправдать странности атомных конструкций.

По прошествии двух лет, когда идеи Бора, начавшие зреть в красном домике, выросли в разветвленную теорию и 18 октября 21-го года стали предметом его нашумевшего доклада в Физическом обществе Дании, он со всей непреклонностью отверг ленгмюровскую полумистику.

«…Такой прием, — сказал Бор, — принципиально чужд стремлению истолковать своеобразие элементов на основе общих законов взаимодействия частиц в любом атоме».

И прибавил: «Эти законы — постулаты квантовой теории».

И улыбнулся: «Это стремление отнюдь не безнадежно».

Еще в красном домике — летом 19-го года — он знал, что оно не безнадежно! Об этом-то и говорили запомнившиеся Оскару Клейну его предположительные рассказы о процессе образования атомов лития и натрия.

В этих рассказах идея отдельной орбиты для каждого электрона главенствовала. Электронам одного этажа — одной группы — запрещалось селиться в одной квартире. Тут уже сквозила догадка, что в атоме нельзя найти двух электронов в одинаковых квантовых состояниях. Оскар Клейн с удивлением вспоминал тогдашние полугадательные, полулогические построения Бора:

«…Они создали базу для открытия фундаментального закона природы, которому предстояло стать одним из краеугольных камней физики элементарных частиц: Принципа запрета…»

Когда через шесть лет — в 1925 году — его провозгласил уже успевший побывать ассистентом у Бора молодой Вольфганг Паули, этот Принцип так и прозвучал: в атомах нельзя встретить двух электронов с одним и тем же адресом — с одним и тем же набором квантовых чисел.

Закон оказался столь же прост, как и необычен. Электроны, формирующие атом, не могли играть в этой квантовой пьесе совершенно одинаковые роли. Такой закон разрешал этим конвейерно неразличимым частицам обладать индивидуальностью в их атомном бытии — на атомной сцене. Заключалось в Принципе запрета нечто большее, чем формально подмеченное правило. В нем выразилось своеобразие закономерностей микромира. И для этого Принципа не нашлось бы никаких параллелей в классической физике.

В самом деле: решительно ничто не могло бы помешать запуску на одну и ту же орбиту целого каравана совершенно одинаковых спутников. И все они по законам классики с равным успехом вращались бы вокруг Земли, нисколько не мешая друг другу. В микромире такая затея оказалась бы невозможной. Принцип запрета не разрешил бы даже двум электронам усесться на один и тот же уровень энергии. И оттого что в нормальной структуре атома он каждому электрону отводил единственное место, мыслимо ли было без знания этого Принципа дать исчерпывающее толкование Периодической системы элементов? Оно откладывалось до открытия Паули.

Летом 19-го года Бор начал нащупывать дорогу в глубины менделеевской таблицы. И потому естественно, что он сделал и первые шаги к распознанию Принципа запрета. А почему он все же не дошел до его открытия сам? Простейшее объяснение: рано еще было. Однако он ведь уже не раз предвосхищал ход событий в теории атома. Могло бы снова осенить! Не случилось. Приходит в голову, что тут мог сыграть тормозящую роль непреодолимый психологический барьер. Он в том и заключался, что у Принципа запрета не было классических параллелей. А мысль Бора в то время смотрелась в зеркало «сходства с классикой» — в зеркало Принципа соответствия. Как ни чудодейственно было оно, это зеркало, Принцип запрета в нем не отражался.

…Первое послевоенное лето. Красный домик в стороне от истории. Да нет, все-таки не в стороне: там зрело будущее атомной физики, а с нею вместе — атомного века.

Сверх беды с Крамерсом еще одно из последствий войны чувствительно задело Бора в то лето: обесценение кроны.

Наезжая из тисвильской глуши в столицу, он прежде всего спешил на Блегдамсвей: ничто не тянуло его к себе с большей силой, чем зрелище скромной стройки на фоне зеленой стены Феллед-парка. Здание будущего института — семь окон по фасаду и три по торцу — неуклонно поднималось вверх. Три этажа. С мансардой под крутыми скатами крыши — все четыре. Однако видно было, что этому зданию не удастся господствовать в пейзаже: импозантности недоставало. А застенчивость не та добродетель, что красит архитектуру. Застенчивость и бедность ощущались во всем антураже растущего дома. Но Бор уже преданно любил его.

Он держал в голове планы каждого этажа и полагал, что пока стены не сложены окончательно, все это лишь черновики, доступные нескончаемому редактированию. К архитектурному проекту он относился как к собственным ученым сочинениям, и на строительной площадке не слишком радовались его появлению.

Ему хотелось все новых улучшений.

К счастью, они стоили денег. А если бы давались бесплатно, здание на Блегдамсвей никогда не доросло бы до крыши, как уверял кто-то из строителей. Правда, остряку возражали, что в душе профессора Бора жила страсть безостановочно вести начатое к финишу. Да ведь что считать финишем? Фру Маргарет, окидывая прожитое единым взглядом, коротко сказала в беседе с историками: