Leden 1925: Wolfgang Pauli oznamuje princip vyloučení

Rok 1925 byl pro kvantovou fyziku důležitým rokem, počínaje Lednové oznámení Wolfganga Pauliho o zásadě vyloučení. Tento známý princip, který uvádí, že žádné dvě identické částice fermionu nemohou být ve stejném kvantovém stavu, poskytl poprvé teoretický základ pro strukturu periodické tabulky prvků.

Wolfgang Pauli se narodil ve Vídni v roce 1900, téhož roku samotná kvantová mechanika se zrodila s Planckovým oznámením myšlenky energetických kvant. Pauliho otec byl lékař a profesor chemie na vídeňské univerzitě a jeho kmotrem byl Ernest Mach. Jako mladý zázrak, když se Pauli během vyučování nudil, četl Einsteinovy noviny o relativitě. Ve věku 20 let Pauli, tehdy student Arnolda Sommerfelda na univerzitě v Mnichově, publikoval příspěvky o relativitě a napsal encyklopedický článek o relativitě, který velmi zapůsobil na další fyziky, včetně samotného Alberta Einsteina. Poté, co se Pauli naučil klasickou mechaniku a relativitu, byl vyrušen kvantovou mechanikou, když ji představil Sommerfeld, a zpočátku považoval předmět za poněkud zmatený.
Pauliho profesoři a kolegové možná kvůli jeho brilantnosti tolerovali některé z jeho otravnějších návyky, jako je jeho zvyk spát extrémně pozdě a zřídka se objevovat na přednáškách před polednem. Byl také nesmírně kritický a proslul tím, že posmíval se méně koherentní práci svých kolegů jako „ani špatně“. Jeho tendence kritizovat často pobídla ostatní, aby objasnili své myšlenky. Pauli měl také tak úžasný sklon způsobit nehody, že vědci začali věřit, že i to, že se přiblížil k laboratoři někoho, znamenalo pro experiment zkázu.
Po obdržení doktorátu v roce 1921 a poté, co strávil nějaký čas v Gottingenu a poté v Kodani, nastoupil Pauli na univerzitu v Hamburku v roce 1923. Přednesl tam svou první přednášku o periodické tabulce prvků, kterou shledal neuspokojivou, protože struktura atomové skořápky nebyla pochopena. V roce 1913 navrhl Bohr, že elektrony mohou zabírat pouze určité kvantované orbitaly, ale zdálo se, že neexistuje žádný důvod, proč by se všechny elektrony v atomu jednoduše nedostaly do stavu s nejnižší energií. Neexistovalo žádné přesvědčivé vysvětlení struktury periodická tabulka. Pauli také nedávno pracoval na pokusu vysvětlit anomální Zeemanův efekt (důsledek elektronového spinu) a byl přesvědčen, že tyto dva problémy byly nějaké o související.
Na konci roku 1924 udělal Pauli velký skok tím, že navrhl myšlenku přidání čtvrtého kvantového čísla ke třem, které byly poté použity k popisu kvantového stavu elektronu. První tři kvantová čísla měla fyzicky smysl, protože souvisejí s pohybem elektronů kolem jádra. Pauli nazval svou novou kvantovou vlastnost elektronu „dvěma hodnotami, které nelze klasicky popsat.“ Pauli si krátce po provedení tohoto návrhu uvědomil, že by to mohlo vést k vyřešení problému uzavřených orbitalů.
V lednu 1925 oznámil princip vyloučení a uvedl, že žádné dva elektrony v atomu nemohou obsadit stát s stejné hodnoty pro čtyři kvantová čísla. Každý elektron musel být ve svém vlastním jedinečném stavu. Jiné možnosti jsou vyloučeny.
Pauliho navrhované čtvrté kvantové číslo v té době zmátlo fyziky, protože nikdo nemohl vysvětlit jeho fyzikální význam. Pauliho tato myšlenka znepokojila. Pauliho trápila také skutečnost, že nemohl poskytnout žádné logické vysvětlení pro princip vyloučení ani jej odvodit z jiných zákonů kvantové mechaniky, a z tohoto problému zůstal nešťastný. Princip však fungoval – vysvětlil strukturu periodické tabulky a je nezbytný pro vysvětlení dalších vlastností hmoty.
Později v roce 1925 Samuel Goudsmit a George Uhlenbeck, inspirovaní Pauliho prací, interpretovali faul druhé kvantové číslo jako rotace elektronu. Pauli původně použil princip vyloučení k vysvětlení elektronů v atomech, ale později byl rozšířen na jakýkoli systém fermionů, které mají poloviční celočíselný spin, ale ne na bosony, které mají celočíselný spin.
Během dvou let po Pauliho oznámení jeho principu vyloučení začala nová kvantová mechanika s Heisenbergovou formulací maticové mechaniky a Schrödingerova vlnová mechanika, která byla založena na de Broglieho myšlence, že hmota může mít vlnové vlastnosti.
V roce 1928 se Pauli přestěhoval do Curychu. Během druhé světové války strávil nějaký čas ve Spojených státech a po válce se vrátil do Curychu. V roce 1931 navrhl Pauli existenci nové částice, neutrina, jako řešení zjevného nedostatku zachování energie při rozpadu beta.Po mnoha výzkumných úspěších strávil většinu svých pozdějších let přemýšlením o historii a filozofii vědy.
Pauli vždy trval na jasném a uceleném vysvětlení jevu a vždy se snažil najít jak intuitivní porozumění experimentu, tak přesné matematické schéma. Max Born jednou poznamenal, že: „Věděl jsem, že je génius srovnatelný pouze se samotným Einsteinem. Byl to však úplně jiný typ člověka, který v mých očích nedosáhl Einsteinovy velikosti.“ V roce 1945 získal Pauli Nobelovu cenu za objev zásady vyloučení. Zemřel v roce 1958.