Даниил Данин - Нильс Бор

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.