Janvier 1925: Wolfgang Pauli annonce le principe d’exclusion

L’année 1925 fut une année importante pour la physique quantique, à commencer par Annonce de Wolfgang Pauli en janvier du principe d’exclusion. Ce principe bien connu, qui stipule qu’aucune particule de fermion identique ne peut être dans le même état quantique, a fourni pour la première fois une base théorique pour la structure du tableau périodique des éléments.

Wolfgang Pauli est né à Vienne en 1900, la même année que la mécanique quantique elle-même est née avec l’annonce par Planck de l’idée des quanta d’énergie. Le père de Pauli était médecin et professeur de chimie à l’Université de Vienne, et son parrain était Ernest Mach. En tant que jeune prodige, quand il s’ennuyait pendant les cours, Pauli lisait les articles d’Einstein sur la relativité. À 20 ans, Pauli, alors étudiant d’Arnold Sommerfeld à l’Université de Munich, avait publié des articles sur la relativité et rédigé un article d’encyclopédie sur la relativité qui impressionna grandement d’autres physiciens, dont Albert Einstein lui-même. Ayant appris la mécanique classique et la relativité, Pauli a été déconcerté par la mécanique quantique lors de son introduction par Sommerfeld, et au début il a trouvé le sujet plutôt confus.
Peut-être à cause de son brillant, les professeurs et collègues de Pauli ont toléré certains de ses plus ennuyeux des habitudes, comme sa coutume de dormir extrêmement tard et de se présenter rarement aux conférences avant midi. Il était également extrêmement critique et réputé pour avoir ridiculisé le travail peu cohérent de ses collègues comme « pas même faux ». Sa tendance à critiquer a souvent incité les autres à clarifier leurs idées. Pauli avait également une propension si étonnante à provoquer des accidents que les scientifiques ont commencé à croire que même le faire s’approcher de son laboratoire signifiait la fin de l’expérience.
Après avoir reçu son doctorat en 1921 et passant quelque temps à Göttingen puis à Copenhague, Pauli prit un poste à l’Université de Hambourg en 1923. Il y donna sa première conférence sur le tableau périodique des éléments, qu’il trouva insatisfaisant car la structure de la coque atomique n’était pas comprise. En 1913, Bohr avait proposé que les électrons ne puissent occuper que certaines orbitales quantifiées, mais il ne semblait y avoir aucune raison pour que tous les électrons d’un atome ne se rassemblent pas simplement dans le seul état d’énergie le plus bas. Il n’y avait pas d’explication convaincante de la structure de le tableau périodique. Pauli avait également récemment travaillé à essayer d’expliquer l’effet Zeeman anormal, (une conséquence du spin électronique) et était convaincu que les deux problèmes étaient ow liés.

Fin 1924, Pauli a fait un grand pas en avant en suggérant l’idée d’ajouter un quatrième nombre quantique aux trois qui étaient alors utilisés pour décrire l’état quantique d’un électron. Les trois premiers nombres quantiques avaient un sens physiquement, car ils étaient liés au mouvement de l’électron autour du noyau. Pauli a appelé sa nouvelle propriété quantique de l’électron une « valeur à deux valeurs non descriptible classiquement. » Peu de temps après avoir fait cette proposition, Pauli se rendit compte que cela pouvait conduire à la solution du problème des orbitales fermées.
Puis en janvier 1925, il annonça le principe d’exclusion, déclarant qu’aucun électrons dans un atome ne pouvait occuper un état avec les mêmes valeurs pour les quatre nombres quantiques. Chaque électron devait être dans son propre état unique. D’autres possibilités sont exclues.
Le quatrième nombre quantique proposé par Pauli a dérouté les physiciens à l’époque, car personne ne pouvait expliquer sa signification physique. Pauli lui-même était troublé par l’idée. Pauli était également gêné par le fait qu’il ne pouvait pas donner d’explication logique au principe d’exclusion ou le dériver d’autres lois de la mécanique quantique, et il restait mécontent de ce problème. Néanmoins, le principe fonctionnait – il a expliqué la structure du tableau périodique et est essentiel pour expliquer d’autres propriétés de la matière.
Plus tard en 1925, Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, inspirés par l’œuvre de Pauli, ont interprété le fou rième nombre quantique comme spin de l’électron. Pauli a appliqué à l’origine le principe d’exclusion pour expliquer les électrons dans les atomes, mais plus tard, il a été étendu à tout système de fermions, qui ont un demi-spin entier, mais pas aux bosons, qui ont un spin entier.
Dans les deux ans qui ont suivi l’annonce de Pauli de Son principe d’exclusion, la nouvelle mécanique quantique a décollé, avec la formulation de Heisenberg de la mécanique matricielle, et la mécanique des ondes de Schrödinger, qui était basée sur l’idée de de Broglie que la matière peut avoir des propriétés ondulatoires.
En 1928, Pauli s’installe à Zurich. Il a passé du temps pendant la Seconde Guerre mondiale aux États-Unis et est retourné à Zurich après la guerre. En 1931, Pauli proposa l’existence d’une nouvelle particule, le neutrino, comme solution au manque apparent de conservation d’énergie dans la désintégration bêta.Après ses nombreuses recherches, il a passé une grande partie de ses dernières années à réfléchir à l’histoire et à la philosophie des sciences.
Pauli a toujours insisté pour avoir une explication claire et cohérente d’un phénomène, et s’est toujours efforcé de trouver à la fois une compréhension intuitive d’une expérience et un schéma mathématique rigoureux. Max Born a dit un jour: « Je savais qu’il était un génie, comparable seulement à Einstein lui-même. Mais c’était un type d’homme complètement différent, qui à mes yeux, n’a pas atteint la grandeur d’Einstein. » En 1945, Pauli reçoit le prix Nobel pour la découverte du principe d’exclusion et décède en 1958.