ianuarie 1925: Wolfgang Pauli anunță principiul excluderii

Anul 1925 a fost unul important pentru fizica cuantică, începând cu Anunțul lui Wolfgang Pauli din ianuarie cu privire la principiul excluderii. Acest bine-cunoscut principiu, care afirmă că nu există două particule de fermion identice în aceeași stare cuantică, a oferit pentru prima dată o bază teoretică pentru structura tabelului periodic al elementelor.

Wolfgang Pauli s-a născut la Viena în 1900, în același an în care mecanica cuantică însăși s-a născut odată cu anunțul lui Planck despre ideea cuantelor energetice. Tatăl lui Pauli era medic și profesor de chimie la Universitatea din Viena, iar nașul său era Ernest Mach. Când era un tânăr minune, când s-a trezit plictisit în timpul orelor, Pauli a citit lucrările lui Einstein despre relativitate. Până la vârsta de 20 de ani, Pauli, pe atunci student al lui Arnold Sommerfeld la Universitatea din München, a publicat lucrări despre relativitate și a scris un articol de enciclopedie despre relativitate care i-a impresionat foarte mult pe alți fizicieni, inclusiv pe Albert Einstein însuși. După ce a învățat mecanica și relativitatea clasică, Pauli a fost descumpănit de mecanica cuantică la introducerea ei de către Sommerfeld și la început a găsit subiectul destul de confuz. obiceiuri, precum obiceiul său de a dormi extrem de târziu și de a se prezenta rar la prelegeri înainte de prânz. El a fost, de asemenea, extrem de critic și renumit pentru că a ridiculizat munca mai puțin coerentă a colegilor săi ca „nici măcar greșită”. Tendința sa de a critica i-a încurajat adesea pe alții să-și clarifice ideile. Pauli a avut, de asemenea, o înclinație atât de uimitoare de a provoca accidente, încât oamenii de știință au început să creadă că chiar și să-l apropii de laboratorul cuiva însemna o pedeapsă pentru experiment.
în 1921 și petrecând ceva timp la Gottingen și apoi la Copenhaga, Pauli a luat o poziție la Universitatea din Hamburg în 1923. A ținut prima sa prelegere acolo pe tabelul periodic al elementelor, pe care le-a găsit nesatisfăcătoare, deoarece structura învelișului atomic nu a fost înțeleasă. În 1913, Bohr propusese că electronii ar putea ocupa doar anumiți orbitali cuantizați, dar nu părea să existe niciun motiv pentru care toți electronii dintr-un atom să nu se înghesuie pur și simplu în starea de energie cea mai mică. Nu a existat o explicație convingătoare a structurii Pauli a lucrat recent și la încercarea de a explica efectul anormal Zeeman (o consecință a spinului electronului) și a fost convins că cele două probleme erau care sunt legate.

La sfârșitul anului 1924, Pauli a făcut un mare salt sugerând ideea adăugării unui al patrulea număr cuantic la cele trei care au fost apoi utilizate pentru a descrie starea cuantică a unui electron. Primele trei numere cuantice aveau sens fizic, deoarece erau legate de mișcarea electronului în jurul nucleului. Pauli a numit noua sa proprietate cuantică a electronului o „două valori care nu pot fi descrise în mod clasic”. La scurt timp după ce a făcut această propunere, Pauli și-a dat seama că aceasta ar putea duce la soluționarea problemei orbitalelor închise.
Apoi, în ianuarie 1925, el a anunțat principiul excluderii, afirmând că nu există doi electroni dintr-un atom care pot ocupa un stat cu aceleași valori pentru cele patru numere cuantice. Fiecare electron trebuia să fie în propria sa stare unică. Alte posibilități sunt excluse.
Al patrulea număr cuantic propus de Pauli a nedumerit fizicienii de la acea vreme, pentru că nimeni nu i-a putut explica semnificația fizică. Pauli însuși Pauli a fost, de asemenea, deranjat de faptul că nu a putut oferi nicio explicație logică pentru principiul excluziunii sau să-l derive din alte legi ale mecanicii cuantice și a rămas nemulțumit de această problemă. Cu toate acestea, principiul a funcționat – a explicat structura tabelului periodic și este esențială pentru explicarea altor proprietăți ale materiei.
Mai târziu, în 1925, Samuel Goudsmit și George Uhlenbeck, inspirați de opera lui Pauli, au interpretat fo numărul cuantic al treilea ca spin al electronului. Pauli a aplicat inițial principiul excluderii pentru a explica electronii din atomi, dar mai târziu a fost extins la orice sistem de fermioni, care au jumătate de spin întreg, dar nu la bosoni, care au spin întreg.
În cei doi ani de la anunțarea lui Pauli despre principiul său de excludere, noua mecanică cuantică a decolat, cu formularea Heisenberg a mecanicii matriciale și mecanica undelor lui Schrödinger, care s-a bazat pe ideea lui de Broglie că materia poate avea proprietăți asemănătoare undelor.
În 1928 Pauli s-a mutat la Zurich. A petrecut timp în timpul celui de-al doilea război mondial în Statele Unite și s-a întors la Zurich după război. În 1931, Pauli a propus existența unei noi particule, neutrino, ca soluție la lipsa aparentă de conservare a energiei în dezintegrarea beta.După numeroasele sale realizări de cercetare, el și-a petrecut o mare parte din ultimii ani gândindu-se la istoria și filozofia științei.
Pauli a insistat întotdeauna să aibă o explicație clară și coerentă a unui fenomen și s-a străduit întotdeauna să găsească atât o înțelegere intuitivă a unui experiment, cât și o schemă matematică riguroasă. Max Born a comentat odată că „știam că este un geniu, comparabil doar cu Einstein însuși. Dar era un tip complet diferit de om, care, în ochii mei, nu a atins măreția lui Einstein”. În 1945, Pauli a primit Premiul Nobel pentru descoperirea principiului excluziunii și a murit în 1958.