Pauli Wolfgang

fot. Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN

Pauli Wolfgang , ur. 25 VIII 1900, Wiedeń, zm. 15 XII 1958, Zurych,

szwajcarski fizyk teoretyk, pochodzenia austriackiego.

Urodził się 25 VIII 1900 w Wiedniu. W szkole wykazywał ogromne zdolności i czynił szybkie postępy w nauce przedmiotów ścisłych. Studiował na uniwersytecie w Monachium pod kierunkiem znakomitego fizyka, autora prac o doniosłym znaczeniu dla teorii atomu, Arnolda Sommerfelda. Już jako dziewiętnastoletni student Pauli pisał istotne prace, m.in. w jednym z artykułów dał doskonały wykład z teorii względności. W 1922 uzyskał doktorat. Pracował w tym czasie na uniwersytecie w Getyndze jako asystent Maxa Borna. Wkrótce przeniósł się do Kopenhagi, by współpracować z Nielsem Bohrem. W 1923 rozpoczął pracę jako wykładowca (privatdozent) w uniwersytecie w Hamburgu. Od 1928 był profesorem fizyki w Związkowej Wyższej Szkole Technicznej w Zurychu; z tą uczelnią był związany całe życie. Czas II wojny światowej spędził w Stanach Zjednoczonych jako wykładowca w Princeton, wykładał także na uniwersytetach w Michigan i Purdue. Po powrocie z USA przyjął obywatelstwo szwajcarskie.

Pauli jest autorem prac o dużym znaczeniu dla rozwoju mechaniki kwantowej i kwantowej teorii pola. W 1945 otrzymał Nagrodę Nobla. Zmarł 15 XII 1958 w Zurychu.

Zakaz (zasada) Pauliego

W I 1925 podał jedną z najważniejszych zasad fizyki kwantowej, tzw. zakaz Pauliego, za co uhonorowano go Nagrodą Nobla. Pauli swą zasadę nazywał zasadą wykluczania. Opublikował ją w artykule zamieszczonym w „Zeitschrift fur Physik”. Wiąże się ona ściśle z zasadą nierozróżnialności jednakowych cząstek odgrywającą podstawową rolę w kwantowych teoriach układów złożonych. Według zakazu Pauliego w układzie złożonym z identycznych cząstek o spinie połówkowym (fermionów, np. elektronów) dwie cząstki nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym. Stan elektronu w atomie wodoru opisują cztery liczby kwantowe: główna, orbitalna, magnetyczna i spinowa, określające odpowiednio: energię, bezwzględną wartość orbitalnego momentu pędu, rzut orbitalnego momentu pędu i rzut własnego momentu pędu (czyli spin) elektronu na wyróżniony kierunek. W atomie nie może być więc dwóch elektronów scharakteryzowanych tymi samymi liczbami kwantowymi. Dlatego np. w najbliższej jądru powłoce mogą znajdować się tylko 2 elektrony o przeciwnie skierowanych spinach; w miarę zwiększania się liczby elektronów w atomie muszą one zajmować coraz wyższe poziomy energetyczne, zapełniając w ten sposób kolejne powłoki. Zakaz Pauliego tłumaczy prawidłowości w budowie powłok elektronowych w atomie i wyjaśnia strukturę subtelną i nadsubtelną widm atomowych. Jest też podstawą konstrukcji okresowego układu pierwiastków chemicznych. W 1927 Pauli podał formalizm opisu spinu elektronu (tzw. macierze Pauliego).

Hipoteza istnienia neutrin

W 1930 uczony wysunął hipotezę istnienia neutrina elektronowego. Hipoteza ta pozwalała wyjaśnić m.in. ciągłe widmo energii elektronów z rozpadu beta — problem, którego nie umiano rozwiązać. Pauli uznał, że podczas rozpadu beta — przy spełnieniu fundamentalnej w fizyce zasady zachowania energii — część energii musi być wynoszona przez hipotetyczną cząstkę o ładunku elektrycznym równym zeru i bardzo małej masie spoczynkowej, która jest emitowana łącznie z elektronem. Zaobserwowanie takiej cząstki jest niezwykle trudne (1934 H. Bethe i R. Peierls twierdzili, że jest to praktycznie niemożliwe). Neutrina elektronowe zostały odkryte dopiero 26 lat później przez F. Reinesa i C.L. Cowana. Uczeni po przeprowadzeniu eksperymentu, w którym wykryli poszukiwane cząstki, niezwłocznie poinformowali o tym telegraficznie Pauliego. Wydarzyło się to 14 VI 1956. Na telegram Pauli miał odpowiedzieć: „wszystko przychodzi do tego, kto umie czekać”.

Inne prace

W latach 1926–27 Pauli jako pierwszy wykorzystał mechanikę kwantową do badania metali. Sommerfeld przyjął założenie, że swobodne elektrony w metalach podlegają statystyce Fermiego-Diraca. Pauli — wykorzystując regułę zakazu i statystykę Fermiego–Diraca — opracował teorię paramagnetyzmu metali. Zapoczątkowała ona inne kwantowe teorie metali. Pauli zajmował się zagadnieniami natury sił jądrowych. W 1940 uczony podał twierdzenie o związku spinu ze statystyką. W 1941 wykazał, że zachowanie ładunku elektrycznego jest związane z niezmienniczością względem transformacji cechowania. W 1955 sformułował prawo zachowania parzystości CPT. Pauli jest również autorem koncepcji kosmologicznych i filozoficznych.