Вольфганг эрнст паули - биография.
Научные достижения
Паули сделал много важных научных открытий, особенно в области квантовой механики. Он редко публиковал свои статьи, предпочитая переписке с коллегами, особенно с Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, с которыми очень дружил. Многие его идеи и результатов никогда не были опубликованы и появлялись только в его письмах, которые часто передавались дальше и копировались. Паули, судя по всему, мало беспокоило то, что по причине малого числа публикации большая часть его работы была почти не знакома общественности.
В 1924 Паули предложил новую степень свободы, квантовое число с двумя возможными значениями, с целью решить несогласованность между экспериментальными молекулярными спектрами и теорией квантовой механики. Он сформулировал принцип запрета Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии, что характеризуется 4 квантовыми числами, включая его нововведений квантовое число. Эта степень свободы была в 1925 г. идентифицирована Г. Уленбеком и C. Гоудсмитом как спин электрона.
В 1926 году, вскоре после опубликования Гейзенбергом матричной теории современной квантовой механики, Паули использовал эту теорию для расчета спектра атома водорода. Результат послужил существенным доводом для признания теории Гейзенберга. Паули вводит матрицы Паули – матрицы размерности 2 x 2, как базис для операторов спина. Существует мнение, что эта работа повлияла на Дирака в процессе сворення уравнения Дирака для релятивистского электрона. Но Дирак отметил, что он ввел такие же матрицы независимо, без влияния Паули.
В 1930 году Паули постулирует нейтрино. Он осознал, что при бета-распаде нейтрона на протон и электрон законы сохранения энергии и импульса выполняются только при условии излучения еще одной, ранее неизвестной частицы. В 1934 году Энрико Ферми включил частицу, которую назвал нейтрино в свою теорию бета-распада. Существование нейтрино впервые было экспериментально подтверждено в 1956 году Фредериком Райнес и Клайдом Кованом, два с половиной года до смерти Паули. Получив новость, он ответил телеграммой: "Благодарю за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули."
В 1940 году Паули доказал теорему спин-статистики, согласно которой частицы с нецилочисленим спином – фермионы, а с цилочисленим спином – бозоны.
В 1949 он опубликовал статью о регуляризации Паули-Вилларса, в которой Шлос о важности ренормування, или удаление полюсов по квантовой теории поля.
В области физики Паули был известным перфекционистом. При этом он не ограничивался только своими работами, но и безжалостно критиковал ошибки коллег. Он стал «совестью физики», часто отзывался о работах как о «совсем неправильные», или комментировал примерно так: «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ложного!"
Существует анекдот о том, как Гейзенберг написал Паули о своей новой теории. В качестве ответа он получил письмо, в котором был нарисован квадрат с пометкой «Я могу рисовать как Тициан». Снизу маленькими буквами было дописано: «Не хватает только деталей».
В Вене Паули учился в федеральной гимназии № 19. Его одноклассником был будущий лауреат нобелевской премии по химии Рихард Кун. Также рассказывают, что однажды на уроке физики учитель сделал на доске ошибку, которую не смог найти даже после долгих поисков и в отчаянии воскликнул: «Паули, ну скажите наконец, где ошибка. Вы же наверное давно ее нашли … »
Личная жизнь
В мае 1929 Паули отлучился от католической церкви. В декабре того же года женился на Кете Маргарете Деппнер (Kathe Margarethe Deppner). Брак был несчастливым и закончился разводом в 1930 году. Паули женился снова в 1934 с Францизкою Бертрам (Franziska Bertram). Детей не имели.
Написано Паули
О Паули
Вольфганг Паули был теоретиком от головы до пят. Считалось, что его нельзя впускать в экспериментальную лабораторию. Каждый раз, когда он туда заходил, то выходило из строя. Этот феномен назвали эффектом Паули.
Рассказывают, однако, что одного раз в одной лаборатории в каком городе произошел взрыв, хотя туда не заходил Паули. В результате тщательного исследования на свет божий выплыла факт, что Паули в тот день проезжал через город.
Впервые встретившись с Паули, Эренфест отметил: «Ваши статьи мне нравятся больше, чем вы сами», на что Паули выпалил: «А мне вы нравитесь больше, чем ваши статьи». Эренфест и Паули стали добрыми друзьями.
Викискладе есть медиафайлы по теме:
Категории: Персоналии по алфавиту | Ученые по алфавиту | Незавершенные статьи о | Персоналии по алфавиту | Австрийские физики | Лауреаты Нобелевской премии по физике | Выпускники Мюнхенского университета | Родившиеся 25 апреля | Родившиеся в 1900 | Умершие 15 декабря | Умершие 1958
Возможно, в истории создания ядерного оружия случился бы непредвиденный поворот, окажись этот удивительный человек в центре Манхэттенского проекта.
Вольфганг Эрнст Паули вошёл в историю не только как блестящий немецкий физик-теоретик, пионер в области квантовой механики и лауреат Нобелевской премии по физике 1945 года, но и как человек, чьим именем названо загадочное и малопонятное явление – «эффект Паули», суть которого состоит в том, что присутствие некоторых людей негативно влияет на ход экспериментов и работу точных приборов.
С Вольфгангом Паули такое случалось постоянно. Стала легендарной его неспособность заставить работать даже самые элементарные экспериментальные приборы, а также то, что вещи и техника при его появлении ломались или входили в нештатный режим работы.
Физик Отто Штерн, тоже лауреат Нобелевской премии и коллега Паули, отказывался пускать его в свою лабораторию, утверждая, что «количество отмечавшихся «гарантированных эффектов Паули» было велико до такой степени, когда игнорировать это было просто невозможно».
Источник несчастий
На самом деле не только Штерн, с которым, кстати, Паули регулярно обедал, опасался присутствия ходячего бедствия Паули в своей лаборатории. Другие коллеги тоже боялись «эффектного» появления Паули и каждый раз молились, чтобы тот, не дай бог, не заглянул к ним, когда в лаборатории шёл эксперимент и требовалась безукоризненная работа высокоточных приборов.
Для опасений у коллег имелись серьёзные причины. Если Паули заходил в лабораторию, то механизмы внезапно останавливались или сгорали, стеклянные приборы ни с того ни с сего разлетались вдребезги, в вакууме вдруг появлялись утечки, взрывались лампочки, перегорали реле, случалось короткое замыкание…
Однажды Паули решил навестить своего приятеля, известного астронома Вальтера Бааде и впервые появился в Гамбургской обсерватории. Этот «эффектный» визит Паули все запомнили надолго, поскольку при его появлении в обсерватории немедленно произошла жуткая авария, в результате которой чуть было не разрушился бесценный телескоп-рефрактор.
Впрочем, «эффект Паули» был настолько силён, что «срабатывал» даже на расстоянии. Так, большую известность получил случай, когда во время эксперимента дорогая измерительная техника в лаборатории физика Джеймса Франка в городе Гёттингене внезапно отказала и случился взрыв. Кто-то из коллег Франка сразу припомнил «эффект Паули», однако самого «источника несчастья» в данный момент рядом не было не только в лаборатории, но и в городе.
Будучи другом Паули, Франк отправил ему письмо в Цюрих, где тот в то время проживал, и в шутливых тонах описал случившуюся неприятность. Каково же было изумление Франка, когда от Паули пришло ответное письмо, в котором тот сообщил, что в Цюрихе его нет – он поехал навестить Нильса Бора и во время таинственного случая в лаборатории Франка как раз возвращался обратно поездом и совершал остановку в Гёттингене…
В другой раз, когда Паули в 1950 году приехал в Принстон, там немедленно сгорел новёхонький, только-только купленный и абсолютно исправный дорогущий циклотрон. Сгорел совершенно необъяснимо, если не считать «эффекта Паули».
И шутить с Паули на тему его «эффекта» тоже никак не получалось. Один раз коллеги-шутники решили продемонстрировать искусственный «эффект Паули»: в аудитории, где он читал лекции, они подсоединили часы с помощью реле к двери. По замыслу, часы должны были остановиться, как только Паули откроет дверь и войдёт. Паули вошёл, но часы продолжали идти, потому что отказало реле.
Похожий случай был и с люстрой, которую другие шутники подвесили на верёвку и которая должна была эффектно упасть при появлении Паули (но не на голову, разумеется). Люстра осталась висеть на месте, так как намертво заклинило верёвку…
Неясные механизмы
С Паули и вокруг Паули происходили и другие загадочные вещи. Например, однажды он сидел за столиком в кафе и смотрел в окно, думая о красном цвете и особенностях его восприятия. Глаза учёного отстранённо смотрели на пустую машину, которая находилась на стоянке напротив кафе. Под его взглядом машина внезапно вспыхнула, и красный цвет стал реальностью.
В другом случае, опять же в кафе, все оказались перемазаны сливками. Все, кроме Паули.
На торжественной церемонии открытия в Цюрихе в 1948 году института Юнга, на официальном приёме при появлении Паули со своего места совершенно неожиданно упала большая китайская ваза с цветами. Вода из вазы забрызгала элегантные костюмы многих высокопоставленных гостей. На одежде Паули не оказалось ни одной капли.
Вообще было замечено, что «деструктив», который исходил от Паули, при всей своей «эффектности» не причинял тому ни малейшего вреда. Об этом написал один из его близких друзей, немецкий физик Рудольф Пайерлс, неоднократно становившийся свидетелем разрушительного воздействия приятеля на окружающую обстановку: «Казалось, что он произносил какой-то заговор, который оказывал влияние на людей или предметы в его окружении, особенно в физических лабораториях, приводя к различным авариям и несчастным случаям… но ни одна из этих аварий не причиняла вреда или беспокойства ему самому».
И хотя, как утверждал Штерн, количество «гарантированных эффектов Паули» было велико, тем не менее коллеги не рассматривали их с научной точки зрения. Рассказы об «эффекте Паули» вошли в учёный фольклор в качестве шутки, анекдота и вообще чего-то несерьёзного.
Но сам Паули так не считал. Он был убеждён, что его «эффект» – это не простые случайности, а чёткая закономерность с пока неясными для науки механизмами.
Техника и мистика
Подобная убеждённость основывалась на весьма конкретных и довольно неприятных физических ощущениях, которые Паули испытывал всякий раз перед тем, как что-то должно было случиться.
По его словам, у него заранее возникало предчувствие грядущей неприятности. Это было некое внутреннее напряжение, длившееся до тех пор, пока неприятность не случалась. После этого Паули чувствовал в себе странное и особенное освобождение и великое облегчение.
В наши дни учёные попытались разобраться в «эффекте Паули» и дать объяснение этому феномену с чисто научной точки зрения. В группе испытуемых возрастом от 20 до 55 лет проводили измерения электрического потенциала на их ладонях.
Дело в том, что каждый из нас обладает постоянным электрическим полем, а на поверхности кожи в результате различных биохимических процессов, происходящих внутри организма, имеется электрический потенциал. Как правило, он не превышает 0,05В. Однако в определённых обстоятельствах может «подскакивать» почти до 10В.
И учёные принялись измерять этот кожный потенциал при различных состояниях испытуемых: они сравнивали потенциал весёлых и грустных людей, голодных и сытых, спокойных и нервозных, уверенных и неуверенных, расслабленных и сосредоточенных…
Полученные результаты со всей убедительностью показали, что электрический потенциал при разных состояниях человека меняется весьма существенно, а техника на эти изменения реагирует очень чутко и может начать «чудить».
Особенно это касается индивидуальной техники, которая мгновенно распознаёт эмоциональное состояние своего хозяина. И если у того в эмоциональной сфере на данный момент присутствует негатив, то техника может выдать весьма специфическую реакцию. Также она «вредничает» с людьми, погружёнными в собственные мысли, находящимися в стрессе, расстроенных чувствах, и особенно – с «чужаками».
А вот техника в общественных местах на эмоциональную сферу реагирует гораздо спокойнее, так как быстро «привыкает» к большому количеству людей и не разделяет пользователей на «своих» и «чужих».
Все эти эксперименты, конечно, интересны и дают пищу для размышлений; однако внятно объяснить «эффект Паули» они не смогли. Почему именно он среди многих учёных того времени был для техники «чужаком», причём настолько «страшным», что техника при его появлении начинала ломаться? Может, виновато огромное электрическое поле, которое учёный на себе «носил»? Но даже если это так, то как объяснить разрушительное воздействие Паули даже на расстоянии?
Техника явно «чувствовала» исходящую от Паули иную силу, нежели просто электрическое поле, пусть даже оно и было велико.
Шведский теоретик Оскар Клейн, всю жизнь бывший суперскептиком и Фомой неверующим, будучи знакомым с Паули и видевший, что творилось вокруг того, с одной стороны, утверждал, что «эффект Паули» – это отличный пример того, как на основе достоверных фактов можно делать очевидно неверные выводы. Однако при этом Клейн не мог не признать, что данный эффект уж слишком странный и что «этот случай был бы весьма убедительной демонстрацией «сверхъестественного» – когда определённые демонические личности могут влиять на окружающие их предметы, вызывая к действию некие загадочные силы».
Незнакомцы из снов
Мистика в жизни Паули, действительно, была. Точнее, мистика была в его снах. Начиная с 1946 года к нему в сновидениях стали являться два незнакомца – молодой блондин и более старший по возрасту бородатый брюнет восточной наружности, которого Паули условно назвал «Перс». Эти два загадочных человека принялись учить Паули «новой физике».
«Курс обучения» Паули описал в приватных письмах к своему другу Карлу Юнгу. Однако «ночная тайна» Паули до конца 1980-х годов была за «семью печатями», так как жена Паули почему-то крайне отрицательно относилась к увлечению мужа идеями Юнга и постаралась, чтобы эта часть биографии её знаменитого супруга была надолго скрыта от исследователей. И очень жаль, потому что «юнговский штрих» в жизни Паули даже, наверное, интереснее его «официального канона» и уж точно куда более таинственней.
Так, «Блондин» объяснял учёному особую важность принципа вращения, но главное, что в людскую науку необходимо привнести женское начало или душу, чего, к слову, до сих пор не сделано.
«Перс» был более суров и часто говорил странные вещи, малопонятные или совсем непонятные Паули. Среди многих загадочных фраз «Перса» Паули запомнилась одна, которую произнёс бородач, когда Паули спросил, не является ли тот всего лишь его собственной тенью. Этот вопрос очень рассердил «Перса», и он ответил: «Я нахожусь между тобой и светом, так что это ты моя тень, а никак не наоборот».
Паули, будучи приверженцем учения Карла Юнга, действительно считал, что оба его ночных визави – не что иное, как ипостаси его собственного бессознательного. Однако учёного смущало то, что слова и поведение этих двух весьма различных персонажей из его снов постоянно вступали в явное противоречие с той ролью, которая им была «прописана» в юнговской теории о бессознательном, и частенько выходили за её рамки.
Может быть, на связь с Паули и в самом деле вышли представители иных миров? «Перс», кстати, прямо говорил, что Паули не понял бы физику на его родном языке. Что это был за язык и что это был за мир – для учёного (и для нас) так и осталось тайной.
Зато известно, что Паули не допустили к разработке атомной бомбы. Не потому, что он был плохим учёным – как раз наоборот, учёным он был гениальным. Но вот его «эффект»…
И хотя к данному «эффекту» коллеги относились как к анекдоту, тем не менее в Америке, где шла разработка бомбы и куда Паули был вынужден уехать во время Второй мировой войны, спасаясь от нацистов, решили, что рисковать не стоит.
Разумеется, почтенному и уважаемому Паули прямо об этом никто не сказал. Роберт Оппенгеймер, научный руководитель Манхэттенского проекта, занимавшегося разработкой ядерного оружия, лично написал Паули письмо, в котором подробно объяснил, почему именно его, Вольфганга Паули, более целесообразно оставить вне этой жутко засекреченной работы и чем он должен заниматься вместо изобретения бомбы…
В общем, когда остальные коллеги Паули трудились в секретной лаборатории, сам Паули… писал статьи дома. Качественные, чисто научные труды, зачастую под разными именами, которые публиковал в различных журналах, стремясь создать у немцев впечатление, будто учёные-физики в Америке не занимаются ничем таким подозрительным и никаких разработок не ведут.
Позже Паули был несказанно рад, что счастливо сумел избежать участия в создании этого поистине адского оружия. А уж как мы рады…
Марина Ситникова
Вольфганг Эрнст Паули
Паули внес существенный вклад в современную физику, особенно в области квантовой механики. Он автор трудов по теории относительности и элементарных частиц, магнетизму и мезонной теории ядерных сил. Вольфганг редко публиковал свои работы, поэтому большая их часть была почти не известна широкой общественности.
Вольфганг Эрнст Паули (нем. Wolfgang Ernst Pauli) родился 1900 года в Вене, в семье врача, профессора химии. Еще в средней школе он проявил незаурядные математические способности и самостоятельно начал изучать высшую математику, поэтому сразу прочитал только что опубликованный труд А.Эйнштейна по теории относительности.
Первая работа Паули вышла в свет в 1918 году и была посвящена математическим вопросам единой теории гравитации и электромагнетизма. В том же году он поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством известного физика А.Зоммерфельда и по просьбе которого в 1920 году начал работать над большой статьей по теории относительности для «Энциклопедии математических наук». Впоследствии эта статья многократно издавалась в виде книги, и ее переводы вышли во многих странах.
В 1921 году защитив докторскую диссертацию, Паули отправился в Гёттингенский университет, где работал под руководством «учителя гениев» М.Борна на кафедре теоретической физики. Именно в эти годы в Геттингене родилась матричная формулировка квантовой механики и новая – статистическая – ее интерпретация.
Работа под руководством известных ученых пробудила у Паули интерес к новой области физики – квантовой теории, и он полностью погрузился в проблемы, встававшие перед физиками в этой области. Уже с университетских лет Вольфганг уделял большее внимание проблеме атомов и спектров, и в 1924 году эти исследования привели его к формулировке одного из важнейших законов физики микромира – к принципу, носящему его имя.
Принцип запрета Паули играет фундаментальную роль для понимания строения и поведения атомов, атомных ядер, свойств металлов и других физических явлений. Он объясняет химическое взаимодействие элементов и их прежде непонятное расположение в периодической системе. Сам ученый использовал этот принцип для понимания магнитных свойств простых металлов и некоторых газов.
В последующие годы Паули преподавал в Копенгагене и Гамбурге, а в 1928 году занял пост профессора Высшего технического училища в Цюрихе, на котором он оставался до конца жизни, за исключением нескольких лет, проведенных в США, когда он читал лекции в Институте фундаментальных исследований в Принстоне и возглавлял кафедру теоретической физики.
В 1945 году ученый был награжден Нобелевской премией по физике «за открытие принципа запрета». Также с его именем связано такое фундаментальное понятие, как спин элементарной частицы, он предсказал существование нейтрино. Паули был удостоен медалей Х.Лоренца, Б.Франклина и М.Планка, являлся членом Швейцарского и Американского физических обществ, Американской ассоциации фундаментальных наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества.
Вольфганг Эрнст Паули умер
ПАУЛИ ВОЛЬФГАНГ
(1900 г. – 1958 г.)
Знаменитый швейцарско-австрийский физик Вольфганг Эрнст Паули родился 25 апреля 1900 года в Вене в семье Вольфганга Йозефа Паули и Берты Паули (урожденной Шютц).
Отец будущего ученого был известным физиком и биохимиком, профессором коллоидной химии медицинской школы Венского университета. Он был выходцем из пражской еврейской семьи, но позже принял католическую веру. Мать Вольфганга была связана с венским богемным миром, дружила со многими театралами и журналистами, сама мастерски владела пером. Свое второе имя Вольфганг Эрнст Паули получил в честь крестного дяди, физика и философа Эрнста Маха.
Дети в семье Паули оказались весьма талантливы: младшая сестра Вольфганга стала актрисой, а Вольфганг – ученым с мировым именем.
Родители отдали Вольфганга на учебу в федеральную Венскую гимназию. Одноклассником Паули в гимназии был будущий лауреат Нобелевской премии – Рихард Кун, получивший эту премию по химии в 1938 году. Уже в ранние годы учебы проявились таланты Паули в области математики. В скором времени, самостоятельно изучив гимназическую программу, он переключился на изучение высшей математики.
В гимназии Вольфганг заинтересовался работой Альберта Эйнштейна по общей теории относительности. В возрасте 18 лет будущий ученый окончил гимназию. К этому моменту он уже имел опубликованную статью, посвященную проблеме энергии гравитационного поля.
В 1918 году молодой Паули поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством знаменитого физика Арнольда Зоммерфельда. Зоммерфельд считался основателем мюнхенской школы теоретической физики. Узнав об интересе Паули к теории относительности, он порекомендовал своему студенту продолжить исследования в этой области. Уже в следующем году мир увидел две работы Паули, посвященные возможностям обобщения общей теории относительности.
В 1920 году друг Зоммерфельда, немецкий математик Феликс Клейн готовил издание «Энциклопедии математических наук». Клейн попросил Зоммерфельда сделать обзор теории относительности Эйнштейна, а тот в свою очередь дал задание 20-летнему Паули подготовить статью. Через некоторое время статья лежала на столе Зоммерфельда. В ней автор анализировал общую и специальную теорию относительности Эйнштейна на 250 страницах! Прочитав статью, Зоммерфельд охарактеризовал ее как «сделанную просто мастерски». Впоследствии эта статья-монография стала классической. Она многократно была издана отдельной книгой в различных странах.
Когда статья попала на глаза Эйнштейну, тот, похвалив Паули, не знал, чему больше удивляться – тому, что автор написал такую зрелую книгу в 21 год, или тому, как глубоко ему удалось понять ход развития идеи и проникновения в физическую сущность явлений.
С 1920 года молодой ученый начал интересоваться микромиром атомов и спектров. В 1921 году под руководством Зоммерфельда он успешно защитил докторскую диссертацию, посвященную исследованию молекулы водорода, и получил докторскую степень.
В этом же году Паули решил продолжить свои научные исследования и поучиться у гениальнейших людей того времени. Он отправился в Геттинген, где стал ассистентом Макса Борна на кафедре теоретической физики Геттингенского университета. Также Паули работал вместе с Джеймсом Франком в его лаборатории в Геттингене.
В конце 1922 года после работы в Швейцарии Паули переезжает в Копенгаген, где поступает в ассистенты к «гению эпохи» Нильсу Бору в Институт теоретической физики. Кроме научных исследований, Паули помогал Бору переводить его работы на немецкий язык. Ассистентом у Бора Паули работал до 1923 года, когда ему предложили должность ассистент-профессора теоретической физики в Гамбургском университете.
Сотрудничество с Зоммерфельдом, Борном, Франком и Бором вызвало у молодого ученого еще больший интерес к микромиру атомов и субатомных частиц – к квантовой теории.
В 1924 году Паули сформулировал один из важнейших законов физики микромира, который носит его имя. Этому предшествовал целый ряд выдающихся открытий того времени.
После того как гениальный физик Резерфорд в 1911 году разработал планетарную модель атома, возникли новые вопросы, касающиеся явлений атомной проблематики. Согласно постулатам классической физики, электроны, располагающиеся на орбитах вокруг центрального ядра, должны непрерывно испускать электромагнитные излучения. При этом они должны терять энергию и, подчиняясь притяжению ядра, приближаться к нему по спирали.
В 1913 году Бор представил миру свою теорию, которая гласила, что электроны могут находиться только на определенных орбитах. В результате этого они не могут непрерывно испускать излучение. Переместиться с одной из орбит на другую электрон может лишь в случае квантового скачка.
С помощью модели Бора можно было предсказать характерные особенности простейших атомных спектров, например спектра водорода. Но применить модель к описанию сложных атомов не удавалось.
Бор не представил четкого объяснения устойчивости электронных орбит. Хотя было понятно, что электроны не могут упасть на ядро по спирали, но совсем не ясно, почему это невозможно в результате скачкообразного перехода с одной разрешенной орбиты на другую.
В 1924 году Паули ввел в квантовую механику понятие «новой степени свободы». В следующем году Г. Уленбек и С. Гудсмит определили ее как спин электрона.
Паули предложил принцип запрета, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином (их собственным моментом количества движения) не могут одновременно находиться в одном состоянии. Сформулированный для электронов в атоме, позже принцип Паули был распространен на любые частицы с полуцелым спином (фермионы). Электроны обладают полуцелым спином. На другие частицы с целым спином запрет Паули не распространялся.
В соответствии с принципом Паули, в магнитном поле у спина имеются две возможные ориентации: ось спина может быть направлена в ту же сторону, что и поле, либо в противоположную. Само движение электрона по орбите в атоме определяет еще одну ось, ориентация которой зависит от приложенного внешнего поля. Поскольку имеются различные комбинации ориентаций (спиновой и орбитальной), то это объясняет существование большого числа атомных энергетических состояний.
В своих последующих работах Паули показал, что принцип запрета является следствием связи спина и статистики Ферми – Дирака, существующей в релятивистской квантовой механике, а также дал аналитическое обоснование, почему электроны не занимают в атоме самый низкий энергетический уровень. Для этого ему пришлось усовершенствовать модель Бора.
Ученый предположил, что орбиты электронов в атоме описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. С помощью этих чисел определяется основной энергетический уровень электрона, его орбитальный угловой момент, его магнитный момент и ориентация его спина. Любое из этих квантовых чисел может принимать одно из определенных значений, при этом существуют только некоторые комбинации данных значений. Исходя из принципа запрета Паули, никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел, а любая из оболочек атома содержит количество орбит, определяемых значениями квантовых чисел.
Принцип запрета, разработанный Паули, сыграл главную роль в понимании закономерностей строения и поведения электронных оболочек атомов, атомных ядер, молекулярных спектров.
Принцип запрета лежит и в основе статистики Ферми – Дирака, которая сыграла важную роль в понимании физики микромира. Благодаря ему была разработана квантовая теория твердого тела, а также определена статистика для электронного газа, легло в основу объяснения тепловых, магнитных и электрических свойств твердых тел.
Благодаря работе Паули была объяснена система расположения элементов в периодической системе и их химическое взаимодействие.
Вместе со Шрёдингером, Гейзенбергом, Бором и Дираком Паули разработал теоретический аппарат, используемый для описания атомных и субатомных систем. После того как в 1926 году Гейзенберг предложил матричное представление квантовой механики, Паули использовал его для описания наблюдаемого спектра водорода.
В результате исследований этих ученых была создана квантово-механическая модель атома. Благодаря усилиям Паули квантовая механика нашла свое применение в областях науки, изучающих физику частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Позже эти области физики стали называться релятивистской квантовой электродинамикой.
В 1927 году Паули предложил обобщение уравнения Шрёдингера, описывающее частицы с полуцелым спином и ввел спиноры для описания спина электрона.
После того как в 1928 году ученый занял должность профессора федерального Политехнического института в Цюрихе, круг его научных интересов значительно расширился. Паули стал интересоваться физикой твердого тела, в частности проблемами диа– и парамагнетизма, квантовой теорией поля и физикой элементарных частиц.
На посту профессора Цюрихского института он оставался до самой смерти, за исключением двух периодов, проведенных ученым в Соединенных Штатах Америки.
В 1930 году Паули совершил еще одно гениальное открытие. Многочисленные исследования бета-распада, проводившиеся в 1930-х годах, привели многих ученых к выводу, что суммарная энергия продуктов распада нейтрона – электрона и протона – меньше энергии нейтрона до распада. Это означало, что в отдельные моменты в микромире не выполняются законы сохранения энергии и импульса. Паули решительно воспротивился этой идее. В своем письме участникам семинара в Тюбингене он предположил, что в число продуктов бета-распада входит еще одна неизвестная частица. Поскольку в то время экспериментально доказать существование частицы было невозможным, ученый выдвинул гипотезу что она имеет слабый заряд и поэтому ее нельзя зарегистрировать.
Невозможность регистрации частицы объясняла потерю энергии. К 1933 году Паули сформулировал основные свойства частицы, которую Энрико Ферми назвал нейтрино. Экспериментально доказать существование нейтрино удалось только двадцать лет спустя – в 1956 году.
В 1940 году ученый доказал теорему связи спина со статистикой.
Опасаясь того, что немецкие войска вторгнутся в Швейцарию, ученый принял в 1941 году приглашение Принстонского университета и переехал в США. Вплоть до 1946 года Паули работал в Принстоне профессором в Институте фундаментальных исследований, возглавляя кафедру теоретической физики.
В 1945 году «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули» ученый был награжден Нобелевской премией по физике. Паули не поехал в Стокгольм на церемонию вручения премии, и она была передана ему через сотрудника американского посольства. В следующем году ученый отправил в Стокгольм свою нобелевскую лекцию «Принцип запрета и квантовая механика», в которой подвел итоги своих работ в области квантовой механики, в том числе разработок принципа Паули.
В 1946 году нобелевский лауреат вернулся в Цюрих, где принял швейцарское подданство и продолжил преподавательскую работу в Политехническом институте в Цюрихе.
В последних своих работах гениальный ученый развивал физику частиц и проводил исследования взаимодействия частиц высокой энергии и сил взаимодействия.
Нильс Бор называл своего молодого коллегу «чистой совестью физики», поскольку Паули беспощадно и слишком критически относился как к своим работам, так и к работам коллег. Даже работы друзей получали от него характеристику как «совсем неверные» или «не то что неправильные, но даже не дотягивающие до ошибочных!» Он еще при жизни стал действующим героем многих анекдотов. Поговаривают, что после того как Гейзенберг представил Паули свою новую теорию, он через некоторое время получил письмо от Паули. В письме был нарисован квадрат с пометкой «Я могу рисовать как Тициан», а внизу письма мелким почерком было приписано: «Не хватает только деталей».
Знаменитый ученый был стопроцентным теоретиком. Поговаривали, что стоило ему лишь войти в исследовательскую лабораторию, как чувствительная электронная аппаратура сразу же выходила из строя. Этот «эффект Паули», ставший также всемирно известным, вошел в различные сборники из разряда «физики шутят».
Среди множества случаев, связанных с «эффектом Паули», был и такой. Однажды в лаборатории Джеймса Франка в Геттингене от неожиданного сокрушительного взрыва была разрушена дорогая установка. Как потом оказалось, взрыв произошел в то самое время, когда поезд, в котором Паули ехал из Цюриха в Копенгаген, остановился на несколько минут в Геттингене.
Первый брак знаменитого ученого оказался неудачным. В 1934 году он вторично женился – на Франциске Бертрам. Супруги любили слушать музыку, посещали театр.
Притчей во языцех стали одинокие прогулки Паули на дальние расстояния. Кроме того, он любил рыбачить и совершать походы в Альпы.
Одним из лучших друзей ученого был всемирно известный психолог Карл Густав Юнг, с которым Паули активно переписывался с 1923 года и до самой смерти. Из их переписки выяснилось, что львиная доля объяснений понятия синхронности, введенного Юнгом, на самом деле принадлежит Паули. Кроме того, ученый интересовался архетипами, понятием коллективного бессознательного, сопоставлением внутреннего мира человека с внешним миром, поднятыми в работах Юнга.
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Гармонические колебания Физика формула частоты колебаний