januar 1925: Wolfgang Pauli kunngjør ekskluderingsprinsippet

Året 1925 var viktig for kvantefysikken, og begynte med Wolfgang Paulis kunngjøring fra januar om eksklusjonsprinsippet. Dette velkjente prinsippet, som sier at ingen to identiske fermionpartikler kan være i samme kvantetilstand, ga for første gang et teoretisk grunnlag for strukturen til elementets periodiske system.

Wolfgang Pauli ble født i Wien i 1900, samme år som kvantemekanikken i seg selv ble født med Plancks kunngjøring av ideen om energikvanta. Paulis far var lege og professor i kjemi ved Universitetet i Wien, og hans gudfar var Ernest Mach. Som et ungt vidunder, da han kjedet seg i løpet av timen, ville Pauli lese Einsteins artikler om relativitet. I en alder av 20 hadde Pauli, den gang student av Arnold Sommerfeld ved Universitetet i München, publisert artikler om relativitet og skrevet en leksikonartikkel om relativitet, som imponerte andre fysikere, inkludert Albert Einstein selv. Etter å ha lært klassisk mekanikk og relativitet, ble Pauli forvirret av kvantemekanikk da han ble introdusert for det av Sommerfeld, og først fant han emnet ganske forvirret.
Muligens på grunn av sin glans tolererte Paulis professorer og kolleger noen av hans mer irriterende. vaner, for eksempel hans skikk med å sove ekstremt sent og sjelden møte opp til forelesninger før middagstid. Han var også ekstremt kritisk, og kjent for å hevde sine kollegers mindre enn sammenhengende arbeid som «ikke engang galt.» Hans tendens til å kritisere spurte ofte andre om å avklare ideene sine. Pauli hadde også en så utrolig tilbøyelighet til å forårsake ulykker at forskere begynte å tro at selv det å få ham til å komme nær laboratoriet betydde død for eksperimentet.
Etter å ha mottatt doktorgraden. i 1921 og tilbrakte litt tid i Göttingen og deretter København, tok Pauli en stilling ved Universitetet i Hamburg i 1923. Han holdt sitt første foredrag der om det periodiske elementet, som han syntes var utilfredsstillende fordi atomskallstrukturen ikke ble forstått. I 1913 hadde Bohr foreslått at elektroner bare kunne okkupere visse kvantiserte orbitaler, men det syntes ikke å være noen grunn til at alle elektronene i et atom ikke bare trengte seg sammen i den laveste energitilstanden. Det var ingen overbevisende forklaring på strukturen til Det periodiske systemet. Pauli hadde også nylig jobbet med å prøve å forklare den avvikende Zeeman-effekten, (en konsekvens av elektronspinn) og var overbevist om at de to problemene var noe ow relatert.

På slutten av 1924 gjorde Pauli et stort sprang ved å foreslå ideen om å legge til et fjerde kvantetall til de tre som deretter ble brukt til å beskrive en elektrones kvantetilstand. De tre første kvantetallene ga mening fysisk, siden de relaterte seg til elektronens bevegelse rundt kjernen. Pauli kalte sin nye kvanteegenskap av elektronet for en «toverdighet som ikke kan beskrives klassisk.» Rett etter at dette forslaget kom, skjønte Pauli at det kunne føre til løsningen på problemet med de lukkede orbitalene.
Så i januar 1925 kunngjorde han utelukkelsesprinsippet og sa at ingen to elektroner i et atom kan okkupere en stat med de samme verdiene for de fire kvantetallene. Hvert elektron måtte være i sin unike tilstand. Andre muligheter er ekskludert.
Paulis foreslåtte fjerde kvantetall forundret fysikere på den tiden, fordi ingen kunne forklare dens fysiske betydning. Pauli selv ble plaget av ideen. Pauli ble også plaget av det faktum at han ikke kunne gi noen logisk forklaring på utelukkelsesprinsippet eller utlede det fra andre kvantemekaniske lover, og han var fortsatt misfornøyd med dette problemet. Likevel fungerte prinsippet – den forklarte strukturen i det periodiske systemet og er viktig for å forklare materiens egenskaper.
Senere i 1925 tolket Samuel Goudsmit og George Uhlenbeck, inspirert av Paulis verk, fouen femte kvantetall som elektronens spinn. Pauli brukte opprinnelig ekskluderingsprinsippet for å forklare elektroner i atomer, men senere ble det utvidet til ethvert system av fermioner, som har et halvt helt spinn, men ikke til bosoner, som har et helt spinn.
I de to årene etter Paulis kunngjøring om hans ekskluderingsprinsipp, tok den nye kvantemekanikken av, med Heisenbergs formulering av matriksmekanikk, og Schrödingers bølgemekanikk, som var basert på de Broglies ide om at materie kan ha bølgelignende egenskaper.
I 1928 flyttet Pauli til Zürich. Han tilbrakte tid under andre verdenskrig i USA, og kom tilbake til Zürich etter krigen. I 1931 foreslo Pauli eksistensen av en ny partikkel, nøytrino, som en løsning på den tilsynelatende mangelen på energibesparelse i beta-forfall.Etter mange forskningsresultater brukte han mye av sine senere år på å tenke på vitenskapens historie og filosofi.
Pauli insisterte alltid på å ha en tydelig og sammenhengende forklaring på et fenomen, og forsøkte alltid å finne både en intuitiv forståelse av et eksperiment og et grundig matematisk opplegg. Max Born sa en gang at «Jeg visste at han var et geni, bare sammenlignbart med Einstein selv. Men han var en helt annen type mann, som i mine øyne ikke oppnådde Einsteins storhet.» I 1945 ble Pauli tildelt Nobelprisen for oppdagelsen av eksklusjonsprinsippet. Han døde i 1958.