Enero de 1925: Wolfgang Pauli anuncia el principio de exclusión

El año 1925 fue importante para la física cuántica, comenzando con El anuncio de Wolfgang Pauli sobre el principio de exclusión en enero. Este conocido principio, que establece que dos partículas de fermiones idénticas no pueden estar en el mismo estado cuántico, proporcionó por primera vez una base teórica para la estructura de la tabla periódica de los elementos.

Wolfgang Pauli nació en Viena en 1900, el mismo año en que La propia mecánica cuántica nació con el anuncio de Planck de la idea de los cuantos de energía. El padre de Pauli era médico y profesor de química en la Universidad de Viena, y su padrino fue Ernest Mach. Cuando era un joven prodigio, cuando se aburría durante la clase, Pauli leía los artículos de Einstein sobre la relatividad. A los 20 años Pauli, entonces estudiante de Arnold Sommerfeld en la Universidad de Munich, había publicado artículos sobre la relatividad y escrito un artículo de enciclopedia sobre la relatividad que impresionó mucho a otros físicos, incluido el propio Albert Einstein. Habiendo aprendido la mecánica clásica y la relatividad, Pauli estaba desconcertado por la mecánica cuántica cuando Sommerfeld le presentó, y al principio encontró el tema bastante confuso.
Posiblemente debido a su brillantez, los profesores y colegas de Pauli toleraron algunos de sus problemas más molestos. hábitos, como su costumbre de dormir hasta muy tarde y rara vez se presenta a las conferencias antes del mediodía. También fue extremadamente crítico y famoso por ridiculizar el trabajo poco coherente de sus colegas como «ni siquiera incorrecto». Su tendencia a criticar a menudo incitaba a otros a aclarar sus ideas. Pauli también tenía una propensión tan asombrosa a provocar accidentes que los científicos empezaron a creer que incluso tenerlo cerca del laboratorio significaba la perdición del experimento.
Después de recibir su doctorado en 1921 y pasando algún tiempo en Göttingen y luego en Copenhague, Pauli ocupó un puesto en la Universidad de Hamburgo en 1923. Allí dio su primera conferencia sobre la tabla periódica de elementos, que encontró insatisfactoria porque no se entendía la estructura de la capa atómica. En 1913, Bohr había propuesto que los electrones solo podían ocupar ciertos orbitales cuantificados, pero no parecía haber ninguna razón por la que todos los electrones de un átomo no se agruparan simplemente en el estado de energía más bajo. No había una explicación convincente de la estructura de Pauli también había trabajado recientemente para tratar de explicar el efecto Zeeman anómalo, (una consecuencia del espín del electrón) y estaba convencido de que los dos problemas eran algo uy relacionado.

A fines de 1924, Pauli dio un gran salto al sugerir la idea de agregar un cuarto número cuántico a los tres que luego se usaron para describir el estado cuántico de un electrón. Los primeros tres números cuánticos tenían sentido físicamente, ya que se relacionaban con el movimiento del electrón alrededor del núcleo. Pauli llamó a su nueva propiedad cuántica del electrón una «dos valores no describible clásicamente». Poco después de hacer esta propuesta, Pauli se dio cuenta de que podría conducir a la solución del problema de los orbitales cerrados.
Luego, en enero de 1925, anunció el principio de exclusión, afirmando que dos electrones en un átomo no pueden ocupar un estado con los mismos valores para los cuatro números cuánticos. Cada electrón tenía que estar en su propio estado único. Se excluyen otras posibilidades.
El cuarto número cuántico propuesto por Pauli desconcertó a los físicos en ese momento, porque nadie podía explicar su significado físico. Pauli mismo Estaba preocupado por la idea. Pauli también estaba molesto por el hecho de que no podía dar ninguna explicación lógica para el principio de exclusión o derivarlo de otras leyes de la mecánica cuántica, y seguía descontento con este problema. No obstante, el principio funcionó: explicaba la estructura de la tabla periódica y es esencial para explicar otras propiedades de la materia.
Más tarde, en 1925, Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck, inspirados en la obra de Pauli, interpretaron las cuatro ª número cuántico como el espín del electrón. Pauli aplicó originalmente el principio de exclusión para explicar los electrones en los átomos, pero luego se extendió a cualquier sistema de fermiones, que tienen espín medio entero, pero no a bosones, que tienen espín entero.
En los dos años posteriores al anuncio de Pauli de Su principio de exclusión, la nueva mecánica cuántica despegó, con la formulación de la mecánica matricial de Heisenberg, y la mecánica ondulatoria de Schrödinger, que se basaba en la idea de De Broglie de que la materia puede tener propiedades onduladas.
En 1928 Pauli se trasladó a Zurich. Pasó un tiempo durante la Segunda Guerra Mundial en los Estados Unidos y regresó a Zurich después de la guerra. En 1931, Pauli propuso la existencia de una nueva partícula, el neutrino, como solución a la aparente falta de conservación de energía en la desintegración beta.Después de sus muchos logros de investigación, pasó gran parte de sus últimos años pensando en la historia y la filosofía de la ciencia.
Pauli siempre insistió en tener una explicación clara y coherente de un fenómeno, y siempre se esforzó por encontrar tanto una comprensión intuitiva de un experimento como un esquema matemático riguroso. Max Born comentó una vez que, «Sabía que era un genio, comparable solo con el mismo Einstein. Pero era un tipo de hombre completamente diferente, que en mi opinión, no alcanzó la grandeza de Einstein». En 1945, Pauli recibió el premio Nobel por el descubrimiento del principio de exclusión y murió en 1958.