Вольфганг Эрнст Паули (нем. Wolfgang Ernst Pauli ; 25 апреля 1900, Вена - 15 декабря 1958, Цюрих) - лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 год.

Вольфганг Паули родился в Вене в семье врача и профессора химии Вольфганга Йозефа Паули (наст. Вольф Пасхелес, 1869-1955), родом из видной пражской еврейской семьи Пасхелес-Утиц, в 1898 году сменившего имя и незадолго до женитьбы в 1899 году принявшего католическую веру. Мать Вольфганга Паули - фельетонист Берта Камилла Паули (урождённая Шютц, 1878-1927) - была дочерью известного еврейского литератора Фридриха Шютца (1844-1908). Младшая сестра Паули - Герта Паули (1909-1973) - также стала литератором. Второе имя Паули получил в честь своего крёстного дяди, физика Эрнста Маха.

Вольфганг учился в Мюнхенском университете у Арнольда Зоммерфельда. Там, по просьбе Зоммерфельда, 20-летний Паули написал обзор для «Физической энциклопедии», посвящённый общей теории относительности, и эта монография до сих пор остаётся классической. Позже он преподавал в Гёттингене, Копенгагене, Гамбурге, Принстонском университете (США) и в Цюрихской высшей электротехнической школе (Швейцария). С именем Паули связано такое фундаментальное понятие квантовой механики, как спин элементарной частицы; он предсказал существование нейтрино и сформулировал «принцип запрета» - принцип Паули, за что был удостоен Нобелевской премии по физике за 1945 год. В 1958 году награждён медалью имени Макса Планка, позже в том же году Вольфганг Паули умирает от рака в Цюрихе.

Научные достижения

Паули внёс существенный вклад в современную физику, особенно в области квантовой механики. Он редко публиковал свои работы, предпочитая этому интенсивный обмен письмами со своими коллегами, в особенности с Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, с которыми он крепко дружил. По этой причине многие из его идей встречаются только в этих письмах, которые часто передавались далее и копировались. Паули, судя по всему, мало заботило то, что по причине малого числа публикаций большая часть его работы была почти не известна широкой общественности. Все же некоторые факты стали известны:

• 1924 год: Паули вводит в квантовую механику новую степень свободы, чтобы устранить имевшуюся несостоятельность в интерпретации наблюдаемых молекулярных спектров. Эта степень свободы была в 1925 г. идентифицирована Г. Уленбеком и С. Гаудсмитом как спин электрона. При этом Паули формулирует свой принцип запрета, который, по-видимому, стал его главным вкладом в квантовую механику.
• 1926 год: Вскоре после опубликования Гейзенбергом матричного представления квантовой механики, Паули применяет эту теорию для описания наблюдаемого спектра водорода. Это служит значительным доводом для признания теории Гейзенберга.
• 1927 год: Паули вводит спиноры для описания спина электрона.
• 1930 год: Паули постулирует нейтрино. Он осознал, что при бета-распаде нейтрона на протон и электрон законы сохранения энергии и импульса могут выполняться, только если при этом испускается ещё одна, до тех пор неизвестная частица. Так как в тот момент времени доказать существование этой частицы было невозможно, Паули постулировал существование неизвестной частицы. Итальянский физик Энрико Ферми назвал позже эту частицу «нейтрончик»: нейтрино. Экспериментальное доказательство существования нейтрино появилось только в 1954 г.

Личные качества

В области физики Паули был известен как перфекционист. При этом он не ограничивался только своими работами, но и безжалостно критиковал ошибки своих коллег. Он стал «совестью физики», часто отзывался о работах как о «совсем неверных», либо комментировал примерно так: «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!» В кругах его коллег ходила по этому поводу такая шутка: «После смерти Паули удостаивается аудиенции у Бога. Паули спрашивает Бога, почему постоянная тонкой структуры равна 1/137. Бог кивает, идёт к доске и начинает со страшной скоростью писать уравнение за уравнением. Паули смотрит сначала с большой удовлетворённостью, но вскоре начинает сильно и решительно отрицательно качать головой.»

Другой анекдот повествует о том, как Гейзенберг представил Паули свою новую теорию. В качестве ответа он получил письмо, в котором был нарисован квадрат с пометкой «Я могу рисовать как Тициан.» Внизу мелким почерком было приписано: «Не хватает только деталей.»

Также Паули славился тем, что в его присутствии чувствительная экспериментальная аппаратура переставала работать или даже внезапно ломалась. Это явление известно под названием «эффекта Паули».

В Вене Паули учился в федеральной гимназии № 19 по адресу Гимназиумштрассе 83, 1190 Вена. Его одноклассником был будущий лауреат нобелевской премии Рихард Кун, получивший в 1938 году нобелевскую премию по химии. Рассказывают также, что однажды на уроке физики учитель сделал на доске ошибку, которую не смог найти даже после долгого поиска. К великой радости учеников он в отчаянии взывает: «Паули, ну скажите наконец-то, в чём ошибка. Вы наверняка давно уже её нашли.»

Диалог Паули - Юнг

Менее известная область его деятельности, которая пристально изучается только с 1990 г., возникла из сотрудничества с психологом Карлом Густавом Юнгом. Из их переписки, которую оба учёных вели с 1932 до 1958 г., становится ясным, что Паули принадлежит большая часть понятия синхроничности, которое ввёл К. Г. Юнг, и, кроме того, часть уточнения понятий коллективного бессознательного и архетипов, которые имеют первостепенное значение для работ Юнга.

Существенную часть этого диалога составляет и сегодня ещё не решённая психофизическая проблема, объединение коллективного психо с материей, глубинных корней внутреннего мира человека с внешним миром, что Юнг обозначал как unus mundus (единый мир) и Паули как психофизическую действительность единения.

Современное состояние анализа его записей показывает, что эти занятия Паули имели не только чисто академический интерес, а брали свои истоки из глубоколежащих собственных переживаний - экзистенциальных размышлений об архетипе «дух материи».

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!

Вольфганг Паули родился 25 апреля 1900 года в городе Вена, Австрия. Мальчик вырос в семье врача, профессора химии. Еще в средней школе проявил незаурядные математические способности и самостоятельно начал изучать высшую математику, поэтому сразу прочитал только что опубликованный труд Альберта Эйнштейна по теории относительности.

Первая работа Паули вышла в свет в 1918 году и посвящена математическим вопросам единой теории гравитации и электромагнетизма. В том же году поступил в Мюнхенский университет, где учился у известного физика Арнольда Зоммерфельда и по просьбе которого в 1920 году начал работать над 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 Геттингенский университет, где работал под руководством «учителя гениев» Макса 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 ученый 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. Объясняет химическое взаимодействие элементов и их прежде непонятное расположение в периодической системе. Ученый использовал этот принцип для понимания магнитных свойств простых металлов и газов.

В последующие годы Паули преподавал в Копенгагене и Гамбурге, а в 1928 году занял пост профессора Высшего технического училища в Цюрихе, на котором оставался до конца жизни, за исключением нескольких лет, проведенных в США, когда читал лекции в Институте фундаментальных исследований в Принстоне и возглавлял кафедру теоретической физики.

В 1945 году Вольфганг Паули награжден Нобелевской премией по физике «за открытие принципа запрета». Также с его именем связано такое фундаментальное понятие, как спин элементарной частицы, а еще предсказал существование нейтрино.

Награды и Память о Вольфганге Паули

1931 - награжден медалью Лоренца.
1945 - Нобелевская премия по физике.
1950 - избран членом Американской академии искусств и наук.
1958 - награжден медалью Макса Планка.

Памятный знак в Геттингене

Именем Паули названы аллея в 14-м округе Вены и улица в университетском городке Цюриха.

В честь ученого в Геттингене установлен памятный знак.

В 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Паули кратеру на обратной стороне Луны.

Ежегодно в Высшей технической школе Цюриха проходит мемориальная лекция в память о Паули. В гамбургском университете имя Паули носит самый большой зал физического института.

Основные труды Вольфганга Паули

Релятивистская теория элементарных частиц. - М.: Иностранная литература, 1947. - 80 с.
Общие принципы волновой механики. - М.-Л.: Гостехиздат, 1947. - 332 с.
Мезонная теория ядерных сил. - М.: Иностранная литература, 1947. - 79 с.
Инвариантная регуляризация в релятивистской квантовой теории (совместно с Вилларсом) // Сдвиг уровней атомных электронов. - М.: Иностранная литература, 1950.
О математической структуре модели Ли (совместно с Челленом). Русский перевод // УФН. - 60. - 425 (1956).
Физические очерки: Сборник статей. - М.: Наука, 1975. - 256 с.
Труды по квантовой теории в двух томах.
Том 1. Квантовая теория. Общие принципы волновой механики. Статьи 1920-1928 / Под ред. Я. А. Смородинского. - М.: Наука, 1975. - (Серия «Классики науки»)
Том 2. Статьи 1928-1958 / Под ред. Я. А. Смородинского. - М.: Наука, 1977. - (Серия «Классики науки»)
Теория относительности. - 3-е изд., испр. - М.: Наука, 1991. - 328 с.

Австрийско-швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули родился в Вене. Его отец, Вольфганг Йозеф Паули, был известным физиком и биохимиком, профессором коллоидной химии в Венском университете. Его мать, Берта (в девичестве Шютц) Паули, была писательницей, связанной с венскими театральными и журналистскими кругами. Герта, младшая сестра Паули, стала актрисой и писательницей. Эрнст Мах, знаменитый физик и философ, был его крестным отцом. В средней школе в Вене Паули проявил незаурядные математические способности, однако, находя классные занятия скучными, он переключился на самостоятельное изучение высшей математики и поэтому сразу прочитал только что опубликованную работу Альберта Эйнштейна по общей теории относительности.

В 1918 г. Паули поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством известного физика Арнольда Зоммерфельда . В это время немецкий математик Феликс Клейн был занят изданием математической энциклопедии. Клейн попросил Зоммерфельда написать обзор общей и специальной теории относительности Эйнштейна, а Зоммерфельд в свою очередь попросил написать эту статью 20-летнего Паули. Тот быстро написал статью объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд охарактеризовал как «сделанную просто мастерски», а Эйнштейн похвалил.

В 1921 г., закончив докторскую диссертацию по теории молекулы водорода и получив докторскую степень в кратчайшие для университета сроки, Паули отправился в Гёттинген, где занялся научными исследованиями совместно с Максом Борном и Джеймсом Франком. В конце 1922 г. он в Копенгагене работает в качестве ассистента у Нильса Бора . Работа под руководством Зоммерфельда, Борна, Франка и Бора пробудила у Паули интерес к новой области физики – квантовой теории, которая занималась изучением атома и субатомных частиц, и он полностью погрузился в проблемы, встававшие перед физиками в этой области.

Хотя принципы классической физики позволяли удовлетворительно объяснять поведение макроскопических физических систем, попытки применить те же принципы к явлениям атомного масштаба терпели неудачу. Особенно сложной представлялась ядерная модель атома , по которой электроны вращались по орбитам вокруг центрального ядра. Согласно принципам классической физики, вращающиеся по орбитам электроны должны непрерывно испускать электромагнитные излучения, теряя при этом энергию и приближаясь по спирали к ядру. В 1913 г. Бор предположил, что электроны не могут непрерывно испускать излучение, поскольку они обязаны находиться на своих разрешенных орбитах; все промежуточные орбиты запрещены. Электрон может испустить или поглотить излучение, только сделав квантовый скачок с одной разрешенной орбиты на другую.

Модель Бора частично основывалась на изучении атомных спектров. Когда некий элемент нагревается и переходит в газо- или парообразное состояние, он излучает свет с характерным спектром. Этот спектр не представляет собой непрерывной цветовой области, подобной спектру Солнца, а состоит из последовательности ярких линий определенных длин волн, разделенных более широкими темными участками. Атомная модель Бора объясняла главную суть атомных спектров: каждая линия представляла свет, испускаемый атомом, когда электроны переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Более того, модель правильно предсказывала большую часть характерных черт простейшего атомного спектра – спектра водорода. В то же время с помощью этой модели менее успешно описывались спектры более сложных атомов.

Еще два существенных недостатка модели Бора помогли Паули в дальнейшем внести свой значительный вклад в квантовую теорию. Во-первых, эта модель не могла объяснить некоторые тонкие детали в спектре водорода. Например, когда атомный газ помещали в магнитное поле, некоторые спектральные линии расщеплялись на несколько близко расположенных линий – эффект, впервые обнаруженный Питером Зееманом в 1896 г. Более важным, однако, было то, что устойчивость электронных орбит не находила полного объяснения. Хотя считалось очевидным, что электроны не могли падать по спирали на ядро, непрерывно испуская излучение, не было видно явной причины, почему бы им не опускаться скачками, переходя с одной разрешенной орбиты на другую и собираясь вместе в наинизшем энергетическом состоянии.

В 1923 г. Паули стал ассистент-профессором теоретической физики в Гамбургском университете. Здесь он в начале 1925 г. занимался теоретическими исследованиями строения атомов и их поведения в магнитных полях, разрабатывая теорию эффекта Зеемана и других видов спектрального расщепления. Он выдвинул предположение, что электроны обладают неким свойством, которое позже Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек назвали спином, или собственным угловым моментом. В магнитном поле у спина электрона имеются две возможные ориентации: ось спина может быть направлена в ту же сторону, что и поле, или в противоположную сторону. Орбитальное движение электрона в атоме определяет еще одну ось, которая может быть ориентирована по-разному в зависимости от приложенного внешнего поля. Различные возможные комбинации спиновой и орбитальной ориентации слегка отличаются энергетически, что приводит к увеличению числа атомных энергетических состояний. Переходы электрона с каждого из этих подуровней на некоторую другую орбиту соответствуют слегка отличающимся длинам световых волн, чем и объясняется тонкое расщепление спектральных линий.

Вскоре после того, как Паули ввел такое свойство «двузначности» электрона, он аналитически объяснил, почему все электроны в атоме не занимают наинизший энергетический уровень. В усовершенствованной им модели Бора допустимые энергетические состояния, или орбиты, электронов в атоме описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. Эти числа определяют основной энергетический уровень электрона, его орбитальный угловой момент, его магнитный момент и (в этом состоял вклад Паули) ориентацию его спина. Каждое из этих квантовых чисел может принимать только определенные значения, более того, допустимы лишь некоторые комбинации данных значений. Он сформулировал закон, который стал известен как принцип запрета Паули и согласно которому никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Так, каждая оболочка в атоме может содержать лишь ограниченное число электронных орбит, определяемых допустимыми значениями квантовых чисел.

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 Паули использовал принцип запрета для того, чтобы понять магнитные свойства простых металлов и некоторых газов.

Вскоре после того, как Паули сформулировал свой принцип запрета, квантовая теория получила солидное теоретическое обоснование благодаря работам Эрвина Шрёдингера , Вернера Гейзенберга и П. А. М. Дирака . Теоретический аппарат, использованный ими для описания атомных и субатомных систем, стал называться квантовой механикой. Атомная модель Бора была заменена квантовомеханической моделью, которая успешнее предсказывала спектры и другие атомные явления. Что касается достижений Паули, то они позволили распространить квантовую механику на такие области, как физика частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Эти области стали известны как релятивистская квантовая электродинамика.

В 1928 г. Паули сменил Питера Дебая на посту профессора Федерального технологического института в Цюрихе, на котором он оставался до конца жизни, за исключением двух периодов, проведенных в Соединенных Штатах; он провел академический 1935/36 г. в качестве приглашенного лектора в Институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и во время второй мировой войны, когда, опасаясь, что Германия вторгнется в Швейцарию, он вернулся в этот же институт, где возглавлял кафедру теоретической физики с 1940 по 1946 г.

В 30-е гг. он сделал еще один важный вклад в физику. Наблюдения над бета-распадом атомных ядер, при котором нейтрон в ядре испускает электрон, превращаясь при этом в протон, выявили очевидное нарушение закона сохранения энергии: после учета всех зарегистрированных продуктов распада энергия после распада оказывалась меньше своего значения до распада. В 1930 г. Паули выдвинул гипотезу, согласно которой предполагалось, что при таком распаде испускается какая-то незарегистрированная частица (которую Энрико Ферми назвал нейтрино), уносящая потерянную энергию, и при этом закон сохранения момента импульса оставался в силе. В конце концов нейтрино удалось зарегистрировать в 1956 г.

В 1945 г. Паули был награжден Нобелевской премией по физике «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули». Он не присутствовал на церемонии вручения премии, и ее от его имени получил сотрудник американского посольства в Стокгольме, В Нобелевской лекции, посланной в Стокгольм в следующем году, Паули подвел итоги своих работ, касавшихся принципа запрета и квантовой механики.

Паули стал швейцарским гражданином в 1946 г. В дальнейшей работе он стремился пролить свет на проблемы взаимодействия частиц высокой энергии и сил, с помощью которых они взаимодействуют, т.е. занимался той областью физики, которую сейчас называют физикой высоких энергий, или физикой частиц. Он также провел глубокое исследование той роли, которую в физике частиц играет симметрия. Обладая поистине фантастическими способностями и умением глубоко проникать в существо физических проблем, он был нетерпим к туманным аргументам и поверхностным суждениям. Он подвергал собственные работы такому беспощадному критическому анализу, что его публикации фактически свободны от ошибок. Коллеги называли его «совестью физики».

После развода, последовавшего за недолгим и несчастливым первым браком, Паули в 1934 г. женился на Франциске Бертрам. Испытывая глубокий интерес к философии и психологии, он получал большое удовольствие от бесед со своим другом К. Г. Юнгом. Он также высоко ценил искусство, музыку и театр. Во время отпуска любил плавать, бродить по горам и лесам Швейцарии. Интеллектуальные способности Паули находились в резком диссонансе с его «умением» работать руками. Его коллеги обычно шутили по поводу таинственного «эффекта Паули», когда одно только присутствие невысокого и полноватого ученого в лаборатории, казалось, вызывало всевозможные поломки и аварии. В начале декабря 1958 г. Паули заболел и вскоре, 15 декабря, умер.

Кроме Нобелевской премии, Паули был награжден медалью Франклина Франклиновского института (1952) и медалью Макса Планка Германского физического общества (1958). Он был членом Швейцарского физического общества, Американского физического общества, Американской ассоциации фундаментальных наук, а также иностранным членом

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.

В 1918 г. П. поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством известного физика Арнольда Зоммерфельда. В это время немецкий математик Феликс Клейн был занят изданием математической энциклопедии. Клейн попросил Зоммерфельда написать обзор общей и специальной теории относительности Эйнштейна, а Зоммерфельд в свою очередь попросил написать эту статью 20-летнего П. Тот быстро написал статью объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд охарактеризовал как «сделанную просто мастерски», а Эйнштейн похвалил.

В 1921 г., закончив докторскую диссертацию по теории молекулы водорода и получив докторскую степень в кратчайшие для университета сроки, П. отправился в Гёттинген, где занялся научными исследованиями совместно с Максом Борном и Джеймсом Франком. В конце 1922 г. он в Копенгагене работает в качестве ассистента у Нильса Бора. Работа под руководством Зоммерфельда, Борна, Франка и Бора пробудила у П. интерес к новой области физики – квантовой теории, которая занималась изучением атома и субатомных частиц, и он полностью погрузился в проблемы, встававшие перед физиками в этой области.

Хотя принципы классической физики позволяли удовлетворительно объяснять поведение макроскопических физических систем, попытки применить те же принципы к явлениям атомного масштаба терпели неудачу. Особенно сложной представлялась ядерная модель атома, по которой электроны вращались по орбитам вокруг центрального ядра. Согласно принципам классической физики, вращающиеся по орбитам электроны должны непрерывно испускать электромагнитные излучения, теряя при этом энергию и приближаясь по спирали к ядру. В 1913 г. Бор предположил, что электроны не могут непрерывно испускать излучение, поскольку они обязаны находиться на своих разрешенных орбитах; все промежуточные орбиты запрещены. Электрон может испустить или поглотить излучение, только сделав квантовый скачок с одной разрешенной орбиты на другую.

Модель Бора частично основывалась на изучении атомных спектров. Когда некий элемент нагревается и переходит в газо- или парообразное состояние, он излучает свет с характерным спектром. Этот спектр не представляет собой непрерывной цветовой области, подобной спектру Солнца, а состоит из последовательности ярких линий определенных длин волн, разделенных более широкими темными участками. Атомная модель Бора объясняла главную суть атомных спектров: каждая линия представляла свет, испускаемый атомом, когда электроны переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Более того, модель правильно предсказывала большую часть характерных черт простейшего атомного спектра – спектра водорода. В то же время с помощью этой модели менее успешно описывались спектры более сложных атомов.

Еще два существенных недостатка модели Бора помогли П. в дальнейшем внести свой значительный вклад в квантовую теорию. Во-первых, эта модель не могла объяснить некоторые тонкие детали в спектре водорода. Например, когда атомный газ помещали в магнитное поле, некоторые спектральные линии расщеплялись на несколько близко расположенных линий – эффект, впервые обнаруженный Питером Зееманом в 1896 г. Более важным, однако, было то, что устойчивость электронных орбит не находила полного объяснения. Хотя считалось очевидным, что электроны не могли падать по спирали на ядро, непрерывно испуская излучение, не было видно явной причины, почему бы им не опускаться скачками, переходя с одной разрешенной орбиты на другую и собираясь вместе в наинизшем энергетическом состоянии.

В 1923 г. П. стал ассистент-профессором теоретической физики в Гамбургском университете. Здесь он в начале 1925 г. занимался теоретическими исследованиями строения атомов и их поведения в магнитных полях, разрабатывая теорию эффекта Зеемана и других видов спектрального расщепления. Он выдвинул предположение, что электроны обладают неким свойством, которое позже Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек назвали спином, или собственным угловым моментом. В магнитном поле у спина электрона имеются две возможные ориентации: ось спина может быть направлена в ту же сторону, что и поле, или в противоположную сторону. Орбитальное движение электрона в атоме определяет еще одну ось, которая может быть ориентирована по-разному в зависимости от приложенного внешнего поля. Различные возможные комбинации спиновой и орбитальной ориентации слегка отличаются энергетически, что приводит к увеличению числа атомных энергетических состояний. Переходы электрона с каждого из этих подуровней на некоторую другую орбиту соответствуют слегка отличающимся длинам световых волн, чем и объясняется тонкое расщепление спектральных линий.

Вскоре после того, как П. ввел такое свойство «двузначности» электрона, он аналитически объяснил, почему все электроны в атоме не занимают наинизший энергетический уровень. В усовершенствованной им модели Бора допустимые энергетические состояния, или орбиты, электронов в атоме описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. Эти числа определяют основной энергетический уровень электрона, его орбитальный угловой момент, его магнитный момент и (в этом состоял вклад П.) ориентацию его спина. Каждое из этих квантовых чисел может принимать только определенные значения, более того, допустимы лишь некоторые комбинации данных значений. Он сформулировал закон, который стал известен как принцип запрета Паули и согласно которому никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Так, каждая оболочка в атоме может содержать лишь ограниченное число электронных орбит, определяемых допустимыми значениями квантовых чисел.

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 П. использовал принцип запрета для того, чтобы понять магнитные свойства простых металлов и некоторых газов.

Лучшие дня

Вскоре после того, как П. сформулировал свой принцип запрета, квантовая теория получила солидное теоретическое обоснование благодаря работам Эр-вина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и П.А.М. Дирака. Теоретический аппарат, использованный ими для описания атомных и субатомных систем, стал называться квантовой механикой. Атомная модель Бора была заменена квантовомеханической моделью, которая успешнее предсказывала спектры и другие атомные явления. Что касается достижений П., то они позволили распространить квантовую механику на такие области, как физика частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Эти области стали известны как релятивистская квантовая электродинамика.

В 1928 г. П. сменил Питера Дебая на посту профессора Федерального технологического института в Цюрихе, на котором он оставался до конца жизни, за исключением двух периодов, проведенных в Соединенных Штатах; он провел академический 1935/36 г. в качестве приглашенного лектора в Институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и во время второй мировой войны, когда, опасаясь, что Германия вторгнется в Швейцарию, он вернулся в этот же институт, где возглавлял кафедру теоретической физики с 1940 по 1946 г.

В 30-е гг. он сделал еще один важный вклад в физику. Наблюдения над бета-распадом атомных ядер, при котором нейтрон в ядре испускает электрон, превращаясь при этом в протон, выявили очевидное нарушение закона сохранения энергии: после учета всех зарегистрированных продуктов распада энергия после распада оказывалась меньше своего значения до распада. В 1930 г. П. выдвинул гипотезу, согласно которой предполагалось, что при таком распаде испускается какая-то незарегистрированная частица (которую Энрико Ферми назвал нейтрино), уносящая потерянную энергию, и при этом закон сохранения момента импульса оставался в силе. В конце концов нейтрино удалось зарегистрировать в 1956 г.

В 1945 г. П. был награжден Нобелевской премией по физике «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули». Он не присутствовал на церемонии вручения премии, и ее от его имени получил сотрудник американского посольства в Стокгольме, В Нобелевской лекции, посланной в Стокгольм в следующем году, П. подвел итоги своих работ, касавшихся принципа запрета и квантовой механики.

П. стал швейцарским гражданином в 1946 г. В дальнейшей работе он стремился пролить свет на проблемы взаимодействия частиц высокой энергии и сил, с помощью которых они взаимодействуют, т.е. занимался той областью физики, которую сейчас называют физикой высоких энергий, или физикой частиц. Он также провел глубокое исследование той роли, которую в физике частиц играет симметрия. Обладая поистине фантастическими способностями и умением глубоко проникать в существо физических проблем, он был нетерпим к туманным аргументам и поверхностным суждениям. Он подвергал собственные работы такому беспощадному критическому анализу, что его публикации фактически свободны от ошибок. Коллеги называли его «совестью физики».

После развода, последовавшего за недолгим и несчастливым первым браком, П. в 1934 г. женился на Франциске Бертрам. Испытывая глубокий интерес к философии и психологии, он получал большое удовольствие от бесед со своим другом К.Г. Юнгом. Он также высоко ценил искусство, музыку и театр. Во время отпуска любил плавать, бродить по горам и лесам Швейцарии. Интеллектуальные способности П. находились в резком диссонансе с его «умением» работать руками. Его коллеги обычно шутили по поводу таинственного «эффекта Паули», когда одно только присутствие невысокого и полноватого ученого в лаборатории, казалось, вызывало всевозможные поломки и аварии. В начале декабря 1958 г. П. заболел и вскоре, 15 декабря, умер.

Кроме Нобелевской премии, П. был награжден медалью Франклина Франклиновского института (1952) и медалью Макса Планка Германского физического общества (1958). Он был членом Швейцарского физического общества, Американского физического общества, Американской ассоциации фундаментальных наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества.