Januari 1925: Wolfgang Pauli tillkännager uteslutningsprincipen

År 1925 var ett viktigt år för kvantfysik, som börjar med Wolfgang Paulis tillkännagivande i januari om principen om uteslutning. Denna välkända princip, som säger att inga två identiska fermionpartiklar kan vara i samma kvanttillstånd, gav för första gången en teoretisk grund för strukturen för elementens periodiska system.

Wolfgang Pauli föddes i Wien 1900, samma år som kvantmekaniken själv föddes med Plancks tillkännagivande av idén om energikvantan. Paulis far var läkare och kemiprofessor vid Wiens universitet, och hans gudfar var Ernest Mach. Som ett underbarn, när han blev uttråkad under lektionen, skulle Pauli läsa Einsteins artiklar om relativitet. Vid 20 års ålder hade Pauli, då en student av Arnold Sommerfeld vid universitetet i München, publicerat artiklar om relativitet och skrivit en uppslagsverkartikel om relativitet som mycket imponerade på andra fysiker, inklusive Albert Einstein själv. Efter att ha lärt sig klassisk mekanik och relativitet blev Pauli förvirrad av kvantmekanik när han introducerades till den av Sommerfeld, och till en början tyckte han att ämnet var ganska förvirrat.
Möjligen på grund av sin briljans tolererade Paulis professorer och kollegor några av hans mer irriterande. vanor, som hans vana att sova extremt sent och sällan dyka upp för föreläsningar före middagstid. Han var också extremt kritisk och känd för att hävda sina kollegors mindre än sammanhängande arbete som ”inte ens fel.” Hans tendens att kritisera uppmuntrade ofta andra att klargöra sina idéer. Pauli hade också en så fantastisk benägenhet att orsaka olyckor att forskare började tro att även att få honom att komma nära sitt laboratorium innebar döm för experimentet.
Efter att ha fått sin doktorsexamen 1921 och tillbringade en tid i Göttingen och sedan Köpenhamn tog Pauli en position vid universitetet i Hamburg 1923. Han höll sin första föreläsning där om det periodiska elementet, vilket han tyckte var otillfredsställande eftersom atomskalstrukturen inte förstods. År 1913 hade Bohr föreslagit att elektroner bara kunde ockupera vissa kvantiserade orbitaler, men det verkade inte finnas någon anledning till att alla elektroner i en atom inte bara trängdes in i det enda lägsta energitillståndet. Det fanns ingen övertygande förklaring till strukturen hos Det periodiska systemet. Pauli hade också nyligen arbetat med att försöka förklara den avvikande Zeeman-effekten, (en följd av elektronsnurr) och var övertygad om att de två problemen var något orelaterad.

I slutet av 1924 gjorde Pauli ett stort steg genom att föreslå idén att lägga till ett fjärde kvantnummer till de tre som sedan användes för att beskriva en elektronns kvanttillstånd. De tre första kvantnummerna var fysiska meningsfulla, eftersom de relaterade till elektronens rörelse runt kärnan. Pauli kallade sin nya kvantegenskap hos elektronen en ”tvåvärde som inte klassiskt kan beskrivas.” Strax efter att ha lagt fram detta förslag insåg Pauli att det kunde leda till lösningen på problemet med de stängda orbitalerna.
I januari 1925 tillkännagav han uteslutningsprincipen och uppgav att inga två elektroner i en atom kan ockupera en stat med samma värden för de fyra kvantnummer. Varje elektron måste vara i sitt eget unika tillstånd. Andra möjligheter är uteslutna.
Paulis föreslagna fjärde kvantantal förbryllade fysiker vid den tiden, för ingen kunde förklara dess fysiska betydelse. Pauli själv Pauli var också störd av det faktum att han inte kunde ge någon logisk förklaring till uteslutningsprincipen eller härleda den från andra kvantmekaniklagar, och han förblev olycklig över detta problem. Ändå fungerade principen – den förklarade strukturen i det periodiska systemet och är väsentlig för att förklara materiens andra egenskaper.
Senare 1925 tolkade Samuel Goudsmit och George Uhlenbeck, inspirerad av Paulis arbete, fou tredje kvantnummer som elektronens snurrning. Pauli tillämpade ursprungligen uteslutningsprincipen för att förklara elektroner i atomer, men senare utvidgades den till alla system av fermioner, som har halv heltalssnurr, men inte till bosoner, som har heltalssnurr.
Under de två åren efter Paulis tillkännagivande om hans uteslutningsprincip, den nya kvantmekaniken tog fart, med Heisenbergs formulering av matrismekanik och Schrödingers vågmekanik, som baserades på de Broglies idé att materia kan ha vågliknande egenskaper.
År 1928 flyttade Pauli till Zürich. Han tillbringade tid under andra världskriget i USA och återvände till Zürich efter kriget. År 1931 föreslog Pauli att det fanns en ny partikel, neutrino, som en lösning på den uppenbara bristen på energibesparing i betaförfall.Efter sina många forskningsresultat spenderade han mycket av sina senare år på att tänka på vetenskapens historia och filosofi.
Pauli insisterade alltid på att ha en tydlig och sammanhängande förklaring av ett fenomen och strävade alltid efter att hitta både en intuitiv förståelse för ett experiment och ett strikt matematiskt system. Max Born kommenterade en gång att ”jag visste att han var ett geni, som bara kunde jämföras med Einstein själv. Men han var en helt annan typ av människa, som i mina ögon inte uppnådde Einsteins storhet.” 1945 tilldelades Pauli Nobelpriset för upptäckten av uteslutningsprincipen. Han dog 1958.