Janeiro de 1925: Wolfgang Pauli anuncia o princípio de exclusão

O ano de 1925 foi importante para a física quântica, começando com O anúncio de janeiro de Wolfgang Pauli do princípio de exclusão. Este princípio bem conhecido, que afirma que duas partículas férmions idênticas não podem estar no mesmo estado quântico, forneceu pela primeira vez uma base teórica para a estrutura da tabela periódica dos elementos.

Wolfgang Pauli nasceu em Viena em 1900, no mesmo ano que a própria mecânica quântica nasceu com o anúncio de Planck da ideia dos quanta de energia. O pai de Pauli era médico e professor de química na Universidade de Viena, e seu padrinho era Ernest Mach. Como um jovem prodígio, quando ficava entediado durante as aulas, Pauli lia os artigos de Einstein sobre a relatividade. Aos 20 anos, Pauli, então aluno de Arnold Sommerfeld na Universidade de Munique, publicou artigos sobre relatividade e escreveu um artigo de enciclopédia sobre a relatividade que impressionou muito outros físicos, incluindo o próprio Albert Einstein. Tendo aprendido a mecânica clássica e a relatividade, Pauli ficou desconcertado com a mecânica quântica ao ser apresentado a ela por Sommerfeld, e a princípio achou o assunto um tanto confuso.
Possivelmente por causa de seu brilhantismo, os professores e colegas de Pauli toleraram alguns de seus aspectos mais irritantes hábitos, como o costume de dormir até tarde e raramente aparecer para palestras antes do meio-dia. Ele também foi extremamente crítico e famoso por ridicularizar o trabalho menos do que coerente de seus colegas como “nem mesmo errado”. Sua tendência de criticar frequentemente estimulava outras pessoas a esclarecer suas ideias. Pauli também tinha uma propensão tão incrível a causar acidentes que os cientistas começaram a acreditar que até mesmo tê-lo perto do laboratório significava a ruína do experimento.
Depois de receber seu doutorado em 1921 e passando algum tempo em Göttingen e depois em Copenhague, Pauli assumiu um cargo na Universidade de Hamburgo em 1923. Lá deu sua primeira palestra sobre a tabela periódica dos elementos, que considerou insatisfatória porque a estrutura da camada atômica não era compreendida. Em 1913, Bohr havia proposto que os elétrons poderiam ocupar apenas alguns orbitais quantizados, mas parecia não haver razão para que todos os elétrons em um átomo não se aglomerassem simplesmente em um estado de energia mais baixa. Não havia uma explicação convincente da estrutura de a tabela periódica. Pauli também havia trabalhado recentemente na tentativa de explicar o efeito Zeeman anômalo, (uma consequência do spin do elétron) e estava convencido de que os dois problemas eram alguns relacionado ow.

No final de 1924, Pauli deu um grande salto ao sugerir a ideia de adicionar um quarto número quântico aos três que foram então usados para descrever o estado quântico de um elétron. Os três primeiros números quânticos faziam sentido fisicamente, uma vez que se relacionavam com o movimento do elétron em torno do núcleo. Pauli chamou sua nova propriedade quântica do elétron de “dois valores não descritos classicamente”. Logo após fazer essa proposta, Pauli percebeu que ela poderia levar à solução do problema dos orbitais fechados.
Então, em janeiro de 1925, ele anunciou o princípio de exclusão, afirmando que dois elétrons em um átomo não podem ocupar um estado com os mesmos valores para os quatro números quânticos. Cada elétron tinha que estar em seu próprio estado único. Outras possibilidades são excluídas.
O quarto número quântico proposto por Pauli intrigou os físicos da época, porque ninguém conseguia explicar seu significado físico. O próprio Pauli estava incomodado com a ideia. Pauli também estava incomodado com o fato de não poder dar uma explicação lógica para o princípio de exclusão ou derivá-lo de outras leis da mecânica quântica, e ele permaneceu insatisfeito com o problema. No entanto, o princípio funcionou – explicava a estrutura da tabela periódica e é essencial para explicar outras propriedades da matéria.
Mais tarde, em 1925, Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck, inspirados na obra de Pauli, interpretaram o fou r é o número quântico como o spin do elétron. Pauli aplicou originalmente o princípio de exclusão para explicar os elétrons nos átomos, mas depois foi estendido a qualquer sistema de férmions, que têm meio spin inteiro, mas não aos bósons, que têm spin inteiro.
Nos dois anos após o anúncio de Pauli de Seu princípio de exclusão, a nova mecânica quântica decolou, com a formulação de Heisenberg da mecânica da matriz, e a mecânica ondulatória de Schrödinger, que foi baseada na ideia de de Broglie de que a matéria pode ter propriedades ondulatórias.
Em 1928, Pauli mudou-se para Zurique. Ele passou algum tempo durante a Segunda Guerra Mundial nos Estados Unidos e voltou para Zurique após a guerra. Em 1931, Pauli propôs a existência de uma nova partícula, o neutrino, como solução para a aparente falta de conservação de energia no decaimento beta.Depois de suas muitas realizações de pesquisa, ele passou grande parte de seus últimos anos pensando sobre a história e a filosofia da ciência. Pauli sempre insistiu em ter uma explicação clara e coerente de um fenômeno, e sempre se esforçou para encontrar uma compreensão intuitiva de um experimento e um esquema matemático rigoroso. Max Born comentou certa vez: “Eu sabia que ele era um gênio, comparável apenas ao próprio Einstein. Mas ele era um tipo de homem completamente diferente, que aos meus olhos não atingiu a grandeza de Einstein.” Em 1945, Pauli recebeu o Prêmio Nobel pela descoberta do princípio da exclusão. Ele morreu em 1958.