[494]. Это соответствие между надежной старой и неизведанной новой физикой позволило ему установить внешний предел, стену, держась за которую он мог продвигаться вперед.
Бор построил свой Институт теоретической физики при поддержке Копенгагенского университета и датских частных промышленных компаний; он вселился в него 18 января 1921 года, более чем на год позже, чем предполагалось: архитектурные планы доставляли ему такие же мучения, как и письма. Городские власти Копенгагена выделили под институт участок на краю обширного Фелледпарка, в котором находятся футбольные поля и ежегодно проходит карнавал в честь Дня конституции Дании. Само здание было скромным, со стенами, покрытыми серой штукатуркой, и красной черепичной крышей. Оно было не больше многих частных домов, четырехэтажным, хотя снаружи казалось, что этажей в нем всего три: нижний этаж был полуподвальным, а верхний, сперва служивший Бору квартирой, уходил под своды крыши. Позднее, когда у Бора было уже пять сыновей, он построил себе отдельный дом по соседству, а в квартире на верхнем этаже института стали останавливаться приезжие студенты и коллеги. В институте были лекционная аудитория, библиотека, лаборатории и пользовавшийся большой популярностью теннисный стол, на котором Бор часто играл в пинг-понг. «Он обладал быстрой и точной реакцией, – говорит Отто Фриш, – а также огромной силой воли и выносливостью. В некотором смысле эти же качества отличали и его научную работу»[495].
В 1922 году, когда Бор получил Нобелевскую премию, что сделало его датским национальным героем, он одержал вторую из своих великих теоретических побед: он объяснил строение атома, лежащее в основе повторяющихся закономерностей периодической системы элементов. Это объяснение неразрывно связало химию с физикой; теперь оно неизменно приводится в любом учебнике начального курса химии. Вокруг атомного ядра, предположил Бор, расположены последовательные электронные оболочки – их можно представить себе в виде вложенных друг в друга сфер, – и на каждой оболочке может находиться лишь определенное число электронов и не более. Разные элементы обладают сходными химическими свойствами, потому что содержат равные количества электронов на самых внешних оболочках, и именно эти электроны могут быть использованы для образования химических связей. Например, барий, щелочноземельный металл, пятьдесят шестой элемент периодической системы с атомным весом 137,34, имеет последовательно расположенные электронные оболочки, содержащие 2, 8, 18, 18, 8 и 2 электрона. Другой щелочноземельный металл, радий, восемьдесят восьмой элемент с атомным весом 226, имеет электронные оболочки, заполненные 2, 8, 18, 32, 18, 8 и 2 электронами. Поскольку на внешней оболочке обоих элементов имеется по два валентных электрона, барий и радий имеют схожие химические свойства, несмотря на значительные различия их атомных весов и атомных номеров. «Мне казалось чудом, – говорил Эйнштейн, – что колеблющейся и полной противоречий основы [квантовой гипотезы Бора] оказалось достаточно, чтобы позволить Бору – человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем – найти главные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, включая их значение для химии… Это наивысшая музыкальность в области мысли»[496][497].
В подтверждение этого чуда Бор предсказал осенью 1922 года, что элемент номер 72, когда он будет открыт, окажется элементом не редкоземельным, подобным элементам с 57 по 71, как ожидали химики, но металлом с валентностью 4, похожим на цирконий. Дьёрдь де Хевеши, уже работавший в это время в институте Бора, и недавно приехавший молодой голландец Дирк Костер взялись за поиски такого элемента в содержащих цирконий минералах методами рентгеновской спектроскопии. К началу декабря, когда Бор с Маргрете уехали в Стокгольм на церемонию вручения Нобелевской премии, их поиски еще не были закончены. Они позвонили ему в Стокгольм вечером накануне нобелевской лекции, в самый последний момент: им удалось совершенно несомненным образом выделить элемент номер 72, и его химические свойства оказались почти идентичны свойствам циркония. Они назвали новый элемент гафнием от слова «Гафния», древнеримского названия Копенгагена. На следующий день Бор с гордостью объявил о его открытии в заключение своей лекции.
Несмотря на такие успехи, квантовая теория нуждалась в более солидном основании, нежели интуитивные догадки Бора. Одним из первых свой вклад в это дело внес Арнольд Зоммерфельд, работавший в Мюнхене; после войны в работу включились самые талантливые из молодых людей, пытавшихся найти точку роста физики. Бор вспоминал этот период как время «уникального сотрудничества целого поколения физиков-теоретиков из множества разных стран», «незабываемый опыт»[498]. Он больше не был одинок.
В начале лета 1922 года Зоммерфельд привез с собой в Гёттинген послушать лекции, которые читал бывший там в это время Бор, самого многообещающего из своих студентов, двадцатилетнего баварца Вернера Гейзенберга. «Картина первой лекции неизгладимо запечатлелась в моей памяти, – писал Гейзенберг пятьдесят лет спустя, все еще помня эти события до мельчайших подробностей. – Зал был переполнен. Датский физик, в котором уже по фигуре можно было узнать скандинава, стоял на возвышении чуть склонив голову, дружески и несколько смущенно улыбаясь, а в широко распахнутые окна лилось яркое солнце геттингенского лета. Бор говорил довольно тихим голосом, с мягким датским акцентом, и когда он разъяснял отдельные положения своей теории, то выбирал слова осторожно, гораздо осмотрительнее, чем мы привыкли слышать от Зоммерфельда, и почти за каждым тщательно сформулированным предложением угадывались длительные мыслительные ряды, лишь начала которых высказывались, а концы терялись в полумраке чрезвычайно волновавшей меня философской позиции. Содержание лекции казалось и новым, и вместе с тем не новым»[499][500].
Тем не менее Гейзенберг резко возразил на одно из утверждений Бора. Бор уже знал, что на смышленых студентов, не боящихся поспорить с профессором, сто́ит обращать внимание. «…после дискуссии [Бор] подошел ко мне и спросил, не можем ли мы во второй половине дня прогуляться вместе по Хайнбергу[501], чтобы обстоятельно обсудить поставленные мною вопросы, – вспоминает Гейзенберг. – Эта прогулка оказала сильнейшее воздействие на мое последующее научное развитие, или даже, вернее сказать, все мое научное развитие, собственно, и началось с этой прогулки»[502][503]. Это воспоминание об обращении в новую веру. Бор предложил Гейзенбергу перебраться в Копенгаген, чтобы они могли работать вместе. «Внезапно стало казаться, что будущее преисполнено надежд»[504]. На следующий вечер за ужином к Бору внезапно подошли два молодых человека в форме гёттингенской полиции. Один из них положил руку ему на плечо: «Вы арестованы по обвинению в похищении малолетних детей!»[505] Этот добродушный розыгрыш был устроен студентами. «Малолетним ребенком», за которого они вступились, был Гейзенберг, выглядевший со своими веснушками и щеткой жестких рыжих волос совсем мальчишкой.
Гейзенберг был человеком спортивным, бодрым и энергичным – «сияющим», как говорит один из его близких друзей. «В те дни он выглядел даже моложе своих лет, потому что состоял в Молодежном движении… и часто носил, даже взрослым мужчиной, рубашку с расстегнутым воротником и прогулочные шорты»[506]. Юные немцы, участвовавшие в Молодежном движении, ходили в походы, жгли костры, пели народные песни и разговаривали о рыцарстве, Святом Граале и службе отечеству. Многие из них были идеалистами, но среди них уже расцветали ядовитые цветы антисемитизма и тоталитарной идеологии. Когда на Пасху 1924 года Гейзенберг наконец добрался до Копенгагена, Бор повел его в поход по северу Зеландии и расспросил обо всем этом. «…в газетах время от времени приходится читать и о темных антисемитских течениях в Германии, явно разжигаемых демагогами», – как вспоминает Гейзенберг, интересовался Бор. – «Не сталкивались ли Вы с чем-либо подобным?» «Да, в Мюнхене такие группы играют определенную роль», – ответил Гейзенберг. – «Они связаны со старыми офицерами, которые никак не могут смириться с поражением в последней войне. Но мы, надо сказать, не принимаем эти группы слишком всерьез»[507][508].
В рамках того «уникального сотрудничества», о котором любил говорить Бор, они с новыми силами взялись за квантовую теорию. По-видимому, Гейзенбергу вначале не нравилось представлять неизмеримые события. Например, еще студентом он был неприятно поражен, когда прочитал в «Тимее» Платона, что у атомов есть геометрические формы: «Меня крайне обеспокоило, что такой способный к критической остроте мысли философ, как Платон, опускается до спекуляций подобного рода»[509][510]. Орбиты электронов по Бору, считал Гейзенберг, были столь же фантастичны, и его коллеги по Гёттингену, Макс Борн и Вольфганг Паули, были с ним согласны. Заглянуть внутрь атома невозможно. Измерению поддается только свет, исходящий из атома, частоты и амплитуды, соответствующие спектральным линиям. Гейзенберг решил полностью отбросить все модели и сосредоточиться только на поиске численных закономерностей.