1925. január: Wolfgang Pauli bejelenti a kizárás elvét

Az 1925-ös év fontos volt a kvantumfizika számára, kezdve Wolfgang Pauli januári bejelentése a kizárás elvéről. Ez a jól ismert elv, amely szerint két azonos fermion részecske sem lehet azonos kvantum állapotban, először szolgáltatott elméleti alapot az elemek periódusos rendszerének felépítésére.

Wolfgang Pauli Bécsben született 1900-ban, ugyanabban az évben, amikor Maga a kvantummechanika azzal született, hogy Planck bejelentette az energia kvantum ötletét. Pauli apja orvos és kémiaprofesszor volt a Bécsi Egyetemen, keresztapja pedig Ernest Mach volt. Fiatal csodagyerekként, amikor az órán unatkozni kezdett, Pauli elolvasta Einstein relativitáselméletét. 20 éves korára Pauli, aki akkor Arnold Sommerfeld hallgatója volt a müncheni egyetemen, publikációkat tett közzé a relativitásról, és a relativitásról írt egy enciklopédia cikket, amely nagy hatással volt a többi fizikusra, többek között Albert Einsteinre is. Miután megtanulta a klasszikus mechanikát és a relativitáselméletet, Paulit a kvantummechanika zavarba hozta, amikor Sommerfeld bemutatta neki, és eleinte meglehetősen zavarosnak találta a témát.
Lehetséges, hogy ragyogása miatt Pauli professzorai és munkatársai tolerálták néhány bosszantóbbat. szokásai, például az a szokása, hogy rendkívül későn alszik, és dél előtt ritkán jelenik meg az előadásokon. Rendkívül kritikus volt, és híres arról, hogy kollégáinak kevésbé koherens munkáját “nem is rossznak” tekinti. A kritikára való hajlam gyakran másokat is ösztönözte elképzeléseik tisztázására: Paulinak olyan elképesztő hajlandósága volt baleseteket okozni, hogy a tudósok kezdték hinni, hogy még az is, hogy a laboratóriumához közel került, végzetet jelentett a kísérlet számára.
A doktori cím megszerzése után 1921-ben és egy ideig Gottingenben, majd Koppenhágában töltötte Pauli álláspontját a hamburgi egyetemen foglalta el 1923-ban. Első előadását ott tartotta az elemek periódusos rendszeréről, amelyet nem talált kielégítőnek, mert az atomhéj szerkezetét nem értették. 1913-ban Bohr azt javasolta, hogy az elektronok csak bizonyos kvantált pályákat foglalhassanak el, de úgy tűnik, nincs oka annak, hogy az atomban lévő összes elektron ne egyszerűen az egyetlen legalacsonyabb energiaállapotba tömörüljön. Pauli a közelmúltban azon is dolgozott, hogy megpróbálja megmagyarázni a rendellenes Zeeman-hatást (az elektronpörgés következménye), és meg volt győződve arról, hogy a két probléma valahol tartoznak.

1924 végén Pauli nagy ugrást tett azzal, hogy felvetette egy ötödik negyedik kvantumszám hozzáadásának az ötletét, amelyet azután az elektron kvantumállapotának leírására használtak. Az első három kvantumszámnak fizikailag volt értelme, mivel összefüggésben voltak az elektron mozgásával a mag körül. Pauli az elektron új kvantumtulajdonságát “klasszikusan leírhatatlan kétértékűségnek” nevezte. Nem sokkal a javaslat elkészítése után Pauli rájött, hogy ez a zárt pályák problémájának megoldásához vezethet.
Majd 1925 januárjában bejelentette a kizárás elvét, kijelentve, hogy egy atomban nincs két elektron, amely képes ugyanazok az értékek a négy kvantumszámra. Minden elektronnak a saját egyedi állapotában kell lennie. Más lehetőségeket kizárunk.
Pauli által javasolt negyedik kvantumszám akkoriban zavarba hozta a fizikusokat, mert senki sem tudta megmagyarázni annak fizikai jelentőségét. Pauli maga Paulit az is zavarta, hogy nem tudott logikus magyarázatot adni a kirekesztés elvére, vagy levezetni a kvantummechanika más törvényeiből, és továbbra sem volt boldog ennek a problémának. elmagyarázta a periódusos rendszer felépítését, és elengedhetetlen az anyag egyéb tulajdonságainak megmagyarázásához.
Később, 1925-ben Samuel Goudsmit és George Uhlenbeck Pauli munkájának ihletésével értelmezték a fou rth kvantumszám, mint az elektron pörgése. Pauli eredetileg a kizárási elvet alkalmazta az atomok elektronjainak megmagyarázására, de később kiterjesztették a fermionok bármely rendszerére, amelyeknek a fele egész spin van, de nem a bozonokra, amelyeknek az egész spinje van.
A Pauli bejelentését követő két évben kizárási elve, az új kvantummechanika elindult Heisenberg mátrixmechanikájának megfogalmazásával, valamint Schrödinger hullámmechanikájával, amely de Broglie azon elképzelésén alapult, hogy az anyagnak hullámtulajdonságai lehetnek.
1928-ban Pauli Zürichbe költözött. A második világháború alatt töltött időt az Egyesült Államokban, a háború után visszatért Zürichbe. 1931-ben Pauli egy új részecske, a neutrino létezését javasolta megoldásként a béta-bomlás energiamegtakarításának nyilvánvaló hiányára.Számos kutatási eredménye után későbbi éveinek nagy részét a tudomány történetére és filozófiájára gondolt.
Pauli mindig is ragaszkodott ahhoz, hogy világos és koherens magyarázatot adjon a jelenségre, és mindig arra törekedett, hogy a kísérlet intuitív megértését és szigorú matematikai sémáját is megtalálja. Max Born egyszer ezt kommentálta: “Tudtam, hogy zseniális, csak Einsteinhez hasonlítható. De egy egészen más típusú ember volt, aki az én szememben nem érte el Einstein nagyságát.” 1945-ben Pauli Nobel-díjat kapott a kirekesztés elvének felfedezéséért. 1958-ban hunyt el.