januar 1925: Wolfgang Pauli annoncerer udelukkelsesprincippet

År 1925 var et vigtigt år for kvantefysik, begyndende med Wolfgang Paulis januar-meddelelse om udelukkelsesprincippet. Dette velkendte princip, som siger, at ingen to identiske fermionpartikler kan være i samme kvantetilstand, gav for første gang et teoretisk grundlag for strukturen i elementernes periodiske system.

Wolfgang Pauli blev født i Wien i 1900, samme år som kvantemekanikken i sig selv blev født med Plancks meddelelse om ideen om energikvanta. Paulis far var læge og kemi-professor ved universitetet i Wien, og hans gudfar var Ernest Mach. Da han var en ung vidunderbarn, kede han sig i løbet af klassen, læste Pauli Einsteins artikler om relativitet. I en alder af 20 havde Pauli, dengang studerende ved Arnold Sommerfeld ved universitetet i München, offentliggjort artikler om relativitet og skrevet en encyklopædiartikel om relativitet, som meget imponerede andre fysikere, herunder Albert Einstein selv. Efter at have lært klassisk mekanik og relativitet blev Pauli forstyrret af kvantemekanik, da han blev introduceret til den af Sommerfeld, og i første omgang fandt han emnet ret forvirret.
Muligvis på grund af hans glans tolererede Paulis professorer og kolleger nogle af hans mere irriterende. vaner, såsom hans skik med at sove ekstremt sent og sjældent dukke op til foredrag inden middagstid. Han var også yderst kritisk og berømt for at hævde sine kollegers mindre end sammenhængende arbejde som “ikke engang forkert.” Hans tendens til at kritisere ansporede ofte andre til at afklare deres ideer. Pauli havde også en så forbløffende tilbøjelighed til at forårsage ulykker, at forskere begyndte at tro, at selv at få ham til at komme tæt på ens laboratorium betød død for eksperimentet.
Efter at have modtaget sin doktorgrad i 1921 og tilbragte nogen tid i Göttingen og derefter København, tog Pauli en stilling ved universitetet i Hamborg i 1923. Han holdt sit første foredrag der om det periodiske system af elementer, som han fandt utilfredsstillende, fordi atomskallens struktur ikke blev forstået. I 1913 havde Bohr foreslået, at elektroner kun kunne besætte bestemte kvantiserede orbitaler, men der syntes ikke at være nogen grund til, at alle elektronerne i et atom ikke bare trængte sig sammen i den laveste energitilstand. Der var ingen overbevisende forklaring på strukturen af det periodiske system. Pauli havde også for nylig arbejdet med at forsøge at forklare den uregelmæssige Zeeman-effekt (en konsekvens af elektronspin) og var overbevist om, at de to problemer var noget ow relateret.

I slutningen af 1924 tog Pauli et stort spring ved at foreslå ideen om at tilføje et fjerde kvantetal til de tre, som derefter blev brugt til at beskrive en elektrones kvantetilstand. De første tre kvantetal gav mening fysisk, da de relaterede sig til elektronens bevægelse omkring kernen. Pauli kaldte sin nye kvanteegenskab for elektronen en “toværdighed, der ikke er klassisk beskrevet.” Kort efter at have fremsat dette forslag indså Pauli, at det kunne føre til løsningen på problemet med de lukkede orbitaler.
Derefter meddelte han i januar 1925 udelukkelsesprincippet og sagde, at ingen to elektroner i et atom kan besætte en stat med de samme værdier for de fire kvantetal. Hver elektron måtte være i sin egen unikke tilstand. Andre muligheder er udelukket.
Paulis foreslåede fjerde kvantetal forvirrede fysikere på det tidspunkt, fordi ingen kunne forklare dets fysiske betydning. Pauli selv blev plaget af ideen. Pauli blev også generet af det faktum, at han ikke kunne give nogen logisk forklaring på udelukkelsesprincippet eller udlede det af andre kvantemekaniske love, og han forblev utilfreds med dette problem. Ikke desto mindre fungerede princippet – det forklarede strukturen i det periodiske system og er vigtigt for at forklare materiens andre egenskaber.
Senere i 1925 fortolkede Samuel Goudsmit og George Uhlenbeck, inspireret af Paulis arbejde, fou femte kvantetal som elektronens spin. Pauli anvendte oprindeligt udelukkelsesprincippet til at forklare elektroner i atomer, men senere blev det udvidet til ethvert system af fermioner, der har et halvt helt spin, men ikke til bosoner, som har et helt spin.
I de to år efter Paulis meddelelse om hans udelukkelsesprincip startede den nye kvantemekanik med Heisenbergs formulering af matrixmekanik og Schrödingers bølgemekanik, som var baseret på de Broglie’s idé om, at materie kan have bølgelignende egenskaber.
I 1928 flyttede Pauli til Zürich. Han tilbragte tid under Anden Verdenskrig i USA og vendte tilbage til Zürich efter krigen. I 1931 foreslog Pauli eksistensen af en ny partikel, neutrinoen, som en løsning på den tilsyneladende mangel på energibesparelse i beta-henfald.Efter sine mange forskningsresultater brugte han meget af sine senere år på at tænke på videnskabens historie og filosofi.
Pauli insisterede altid på at have en klar og sammenhængende forklaring på et fænomen og stræbte altid efter at finde både en intuitiv forståelse af et eksperiment og et strengt matematisk skema. Max Born kommenterede engang, at “Jeg vidste, at han var et geni, der kun kunne sammenlignes med Einstein selv. Men han var en helt anden type mand, der i mine øjne ikke opnåede Einsteins storhed.” I 1945 blev Pauli tildelt Nobelprisen for opdagelsen af udelukkelsesprincippet. Han døde i 1958.