Styczeń 1925: Wolfgang Pauli ogłasza zasadę wykluczenia

Rok 1925 był ważny dla fizyki kwantowej, począwszy od Styczniowe ogłoszenie Wolfganga Pauliego o zasadzie wykluczenia. Ta dobrze znana zasada, która głosi, że żadne dwie identyczne cząstki fermionu nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym, po raz pierwszy dała teoretyczną podstawę budowy układu okresowego pierwiastków.

Wolfgang Pauli urodził się w Wiedniu w 1900 roku, w tym samym roku Sama mechanika kwantowa narodziła się wraz z ogłoszeniem przez Plancka idei kwantów energii. Ojciec Pauliego był lekarzem i profesorem chemii na Uniwersytecie Wiedeńskim, a jego ojcem chrzestnym był Ernest Mach. Jako młody cud, kiedy na zajęciach znudził się, Pauli czytał artykuły Einsteina na temat teorii względności. W wieku 20 lat Pauli, wówczas student Arnolda Sommerfelda na Uniwersytecie w Monachium, opublikował prace z teorii względności i napisał artykuł encyklopedyczny o teorii względności, który wywarł wielkie wrażenie na innych fizykach, w tym na samym Albercie Einsteinie. Nauczywszy się mechaniki klasycznej i teorii względności, Pauli był zdezorientowany mechaniką kwantową, gdy został do niej wprowadzony przez Sommerfelda i na początku uznał ten temat za raczej zagmatwany.
Prawdopodobnie z powodu jego błyskotliwości profesorowie i współpracownicy Pauliego tolerowali niektóre z jego bardziej irytujących nawyki, takie jak zwyczaj spania bardzo późno i rzadko przychodzenia na wykłady przed południem. Był również niezwykle krytyczny i słynął z wyśmiewania niezbyt spójnej pracy swoich kolegów jako „nawet nie zła”. Jego skłonność do krytykowania często pobudzała innych do wyjaśniania swoich pomysłów. Pauli miał również tak niesamowitą skłonność do powodowania wypadków, że naukowcy zaczęli wierzyć, że nawet zbliżenie się do laboratorium oznaczało koniec eksperymentu. Po otrzymaniu doktoratu w 1921 i spędzając trochę czasu w Getyndze, a potem w Kopenhadze, Pauli objął posadę na Uniwersytecie w Hamburgu w 1923. Tam wygłosił swój pierwszy wykład na temat układu okresowego pierwiastków, co uznał za niezadowalające, ponieważ nie rozumiano struktury powłoki atomowej. W 1913 roku Bohr zaproponował, że elektrony mogą zajmować tylko określone skwantowane orbitale, ale wydawało się, że nie ma powodu, dla którego wszystkie elektrony w atomie nie stłoczyły się po prostu w jeden najniższy stan energetyczny. Nie było przekonującego wyjaśnienia struktury tego atomu. układu okresowego. Pauli ostatnio pracował również nad próbą wyjaśnienia anomalnego efektu Zeemana (konsekwencja spinu elektronu) i był przekonany, że te dwa problemy były w pewnym stopniu związane.

Pod koniec 1924 roku Pauli dokonał wielkiego skoku, sugerując pomysł dodania czwartej liczby kwantowej do trzech, które były następnie używane do opisania stanu kwantowego elektronu. Pierwsze trzy liczby kwantowe miały sens fizyczny, ponieważ były związane z ruchem elektronu wokół jądra. Pauli nazwał swoją nową kwantową właściwość elektronu „podwójną wartością, której klasycznie nie da się opisać”. Wkrótce po przedstawieniu tej propozycji Pauli zdał sobie sprawę, że może to doprowadzić do rozwiązania problemu zamkniętych orbitali.
Następnie w styczniu 1925 r. Ogłosił zasadę wykluczenia, stwierdzając, że żadne dwa elektrony w atomie nie mogą zajmować stanu z te same wartości dla czterech liczb kwantowych. Każdy elektron musiał znajdować się w swoim własnym, niepowtarzalnym stanie. Inne możliwości są wykluczone.
Zaproponowana przez Pauliego czwarta liczba kwantowa była wówczas zagadką dla fizyków, ponieważ nikt nie potrafił wyjaśnić jej fizycznego znaczenia. Sam Pauli był zmartwiony tym pomysłem. Pauli był również zaniepokojony faktem, że nie mógł podać żadnego logicznego wyjaśnienia zasady wykluczenia ani wyprowadzić jej z innych praw mechaniki kwantowej, i pozostał niezadowolony z tego problemu. Niemniej jednak zasada zadziałała– wyjaśniał strukturę układu okresowego i jest niezbędny do wyjaśnienia innych właściwości materii.
Później w 1925 roku Samuel Goudsmit i George Uhlenbeck, zainspirowani pracą Pauliego, zinterpretowali fou r-ta liczba kwantowa jako spin elektronu. Pauli początkowo zastosował zasadę wykluczania do wyjaśnienia elektronów w atomach, ale później została rozszerzona na dowolny system fermionów, które mają spin w połowie liczby całkowitej, ale nie na bozony, które mają spin liczbowy.
W ciągu dwóch lat po ogłoszeniu przez Pauliego Jego zasada wykluczenia, nowa mechanika kwantowa wystartowała wraz z sformułowaniem mechaniki macierzy przez Heisenberga i mechaniką falową Schrödingera, opartą na idei de Broglie, że materia może mieć właściwości podobne do fal.
W 1928 roku Pauli przeniósł się do Zurychu. Podczas II wojny światowej przebywał w Stanach Zjednoczonych, a po wojnie wrócił do Zurychu. W 1931 roku Pauli zaproponował istnienie nowej cząstki, neutrino, jako rozwiązanie problemu widocznego braku zachowania energii podczas rozpadu beta.Po wielu osiągnięciach badawczych większość późniejszych lat spędził na myśleniu o historii i filozofii nauki.
Pauli zawsze nalegał na jasne i spójne wyjaśnienie zjawiska i zawsze starał się znaleźć zarówno intuicyjne zrozumienie eksperymentu, jak i rygorystyczny schemat matematyczny. Max Born powiedział kiedyś, że „Wiedziałem, że jest geniuszem, porównywalnym tylko z samym Einsteinem. Ale był to zupełnie inny typ człowieka, który w moich oczach nie osiągnął wielkości Einsteina”. W 1945 roku Pauli otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie zasady wykluczenia, zmarł w 1958 roku.