Вольфганг паулі дослідження представлені на Нобелівську премію. Фізика та лірика вольфгангу паулі

(1900-1958) швейцарський фізик-теоретик, засновник квантової механіки

Вольфганг Паулі народився у Відні. Його батько Йозеф Паулі був відомим фізиком і біохіміком, професором Віденського університету. Мати майбутнього вченого, Берта Паулі, була відомою письменницею та театральним критиком. Хрещеним батьком майбутнього вченого був знаменитий фізик та філософ Ернст Мах.

У дитинстві Вольфганг Паулі мріяв стати актором і багато займався музикою разом із своєю молодшою сестрою, яка згодом справді обрала акторську ниву. Проте за порадою вчителів, які помітили математичні здібності хлопчика, він вступає до Мюнхенського університету, де займається в семінарі під керівництвом відомого фізика Арнольда Зоммерфельда. У 1921 році молодик закінчив університет.

Але серйозно займатися наукою Вольфганг Паулі почав завдяки нагоді. Знайомий Зоммерфельда професор математики Фелікс Клейн попросив того написати статтю, присвячену теорії відносності, для математичної енциклопедії, що видавалася в Німеччині. Через свою зайнятість Зоммерфельд доручив цю роботу Паулі.

Той написав «статтю» обсягом 250 сторінок, яку Зоммерфельд відправив на рецензію Альберту Ейнштейну. Після його позитивного відгуку Паулі захистив цю роботу як магістерську дисертацію. Усього через рік після цього він представив до захисту докторську дисертацію, після успішного захисту якої вирушив у Геттінген, де розпочав викладацьку та наукову діяльність.

Однак у Геттінгені Вольфганг Паулі пробув недовго. У 1922 році він переїжджає до Копенгагену і вступає асистентом до Нільса Бора. Там молодий фізик зайнявся вивченням атомних спектрів. Займаючись їх дослідженням, Паулі зробив важливі доповнення до теорії атома, запропонованої Н. Бором. Зокрема, він дійшов висновку, що правильніше говорити не про орбіти, якими обертаються електрони навколо атомного ядра, а про оболонки, які вони утворюють навколо нього.

Крім того, Вольфганг Паулі показав, що в кожній такій оболонці може бути суворо певна кількість електронів.

Після того як ця теоретична модель була підтверджена роботами Ервіна Шредінгера, Вернера Гейзенберга і Поля Дірака, стало зрозуміло, що роботи Вольфганга Паулі відкрили новий напрямок у фізиці, який був названий квантовою механікою, а найважливіший квантовомеханічний принцип отримав назву принципу Паулі. Свої відкриття молодий учений зробив доцентом Гамбурзького університету.

1928 року Вольфганг Паулі залишив Німеччину і переїхав до Швейцарії, де почав працювати в Цюріхському технологічному інституті. В 1930 він опублікував статтю, в якій довів, що при розпаді атомного ядра, крім електронів і нейтронів, повинна виникати ще одна незареєстрована частка. Це відкриття було підтверджено через роки після її відкриття Енріко Фермі, який назвав її нейтрино.

Роки Другої світової війни Вольфганг Паулі провів у США. Там він у 1945 році і дізнався, що став лауреатом Нобелівської премії з фізики. Отримавши її у 1946 році, Паулі знову повернувся до Швейцарії, де прожив до кінця життя.

Маючи великі заслуги в галузі фізики, він при цьому мав репутацію людини, яка приносить різні нещастя. Казали, що варто йому з'явитися в лабораторії, як там починалися всілякі поломки та аварії.

Дійсно, всі, хто знає Вольфганга Паулі, відзначали його рідкісну нездатність зробити щось своїми руками. Усіми справами його будинку заправляла його друга дружина, Франциска Бертран. Його найближчим другом і відпочинковим партнером був відомий німецький філософ Карл Юнг.

Вольфганг Паулі увійшов в історію науки не тільки як теоретик, але і як мислитель, який прагнув глибоко проникнути в історію та філософію наукової думки та опублікував низку найважливіших робіт з цієї проблематики.

Австрійсько-швейцарський фізик Вольфганг Ернст Паулі народився у Відні. Його батько, Вольфганг Йозеф Паулі, був відомим фізиком та біохіміком, професором колоїдної хімії у Віденському університеті. Його мати, Берта (у дівоцтві Шютц) Паулі, була письменницею, пов'язаною з віденськими театральними та журналістськими колами. Герта, молодша сестра Паулі, стала актрисою та письменницею. Ернст Мах, знаменитий фізик та філософ, був його хрещеним батьком. У середній школі у Відні Паулі виявив неабиякі математичні здібності, проте, знаходячи класні заняття нудними, він перейшов на самостійне вивчення вищої математики і тому відразу прочитав щойно опубліковану роботу Альберта Ейнштейна з загальної теорії відносності.

У 1918 р. Паулі вступив до Мюнхенського університету, де навчався під керівництвом відомого фізика Арнольда Зоммерфельда. У цей час німецький математик Фелікс Клейн займався виданням математичної енциклопедії. Клейн попросив Зоммерфельда написати огляд загальної та спеціальної теорії відносності Ейнштейна, а Зоммерфельд у свою чергу попросив написати цю статтю 20-річного Паулі. Той швидко написав статтю обсягом 250 сторінок, яку Зоммерфельд охарактеризував як «зроблену просто майстерно», а Ейнштейн похвалив.

У 1921 р., закінчивши докторську дисертацію з теорії молекули водню і отримавши докторський ступінь у найкоротші для університету терміни, Паулі вирушив у Геттінген, де зайнявся науковими дослідженнями разом із Максом Борном і Джеймсом Франком. Наприкінці 1922 р. він у Копенгагені працює як асистент у Нільса Бора. Робота під керівництвом Зоммерфельда, Борна, Франка та Бора пробудила у Паулі інтерес до нової галузі фізики – квантової теорії, яка займалася вивченням атома та субатомних частинок, і він повністю поринув у проблеми, що постали перед фізиками в цій галузі.

Хоча принципи класичної фізики дозволяли задовільно пояснювати поведінку макроскопічних фізичних систем, спроби застосувати самі принципи до явищ атомного масштабу зазнавали невдачі. Особливо складною уявлялася ядерна модель атома, за якою електрони оберталися по орбітах навколо центрального ядра. Відповідно до принципів класичної фізики, електрони, що обертаються по орбітах, повинні безперервно випускати електромагнітні випромінювання, втрачаючи при цьому енергію і наближаючись по спіралі до ядра. У 1913 р. Бор припустив, що електрони що неспроможні безперервно випромінювати випромінювання, оскільки вони повинні перебувати у своїх дозволених орбітах; усі проміжні орбіти заборонені. Електрон може випустити або поглинути випромінювання, тільки зробивши квантовий стрибок з однієї дозволеної орбіти на іншу.

Модель Бора частково ґрунтувалася на вивченні атомних спектрів. Коли елемент нагрівається і перетворюється на газо- чи пароподібний стан, він випромінює світло з характерним спектром. Цей спектр не є безперервною колірною ділянкою, подібною до спектру Сонця, а складається з послідовності яскравих ліній певних довжин хвиль, розділених ширшими темними ділянками. Атомна модель Бора пояснювала головну суть атомних спектрів: кожна лінія уявляла світло, яке випускає атом, коли електрони переходять з однієї дозволеної орбіти на іншу орбіту з нижчою енергією. Понад те, модель правильно передбачала більшість характерних рис найпростішого атомного спектра – спектру водню. У той самий час з допомогою цієї моделі менш успішно описувалися спектри складніших атомів.

Ще дві істотні недоліки моделі Бора допомогли Паулі надалі зробити свій значний внесок у квантову теорію. По-перше, ця модель не могла пояснити деякі тонкі деталі у спектрі водню. Наприклад, коли атомний газ поміщали в магнітне поле, деякі спектральні лінії розщеплювалися на кілька близьких ліній – ефект, вперше виявлений Пітером Зееманом в 1896 р. Більш важливим, проте, було те, що стійкість електронних орбіт не знаходила повного пояснення. Хоча вважалося очевидним, що електрони не могли падати по спіралі на ядро, безперервно випромінюючи випромінювання, не було видно явної причини, чому б їм не опускатися стрибками, переходячи з однієї дозволеної орбіти на іншу і збираючись разом у нижчому енергетичному стані.

У 1923 році Паулі став асистент-професором теоретичної фізики в Гамбурзькому університеті. Тут він на початку 1925 р. займався теоретичними дослідженнями будови атомів та їхньої поведінки в магнітних полях, розробляючи теорію ефекту Зеемана та інших видів спектрального розщеплення. Він висунув припущення, що електрони мають якусь властивість, яку пізніше Семюел Гаудсміт і Джордж Уленбек назвали спином, або власним кутовим моментом. У магнітному полі спина електрона є дві можливі орієнтації: вісь спина може бути спрямована в ту ж сторону, що і поле, або в протилежну сторону. Орбітальний рух електрона в атомі визначає ще одну вісь, яка може бути орієнтована по-різному, залежно від прикладеного зовнішнього поля. Різні можливі комбінації спінової та орбітальної орієнтації злегка відрізняються енергетично, що призводить до збільшення кількості атомних енергетичних станів. Переходи електрона з кожного з цих підрівнів на деяку іншу орбіту відповідають довжинам світлових хвиль, що злегка відрізняються, чим і пояснюється тонке розщеплення спектральних ліній.

Незабаром після того, як Паулі ввів таку властивість «двозначності» електрона, він аналітично пояснив, чому всі електрони в атомі не займають найнижчий енергетичний рівень. У вдосконаленій їм моделі Бора допустимі енергетичні стани, або орбіти, електронів в атомі описуються чотирма квантовими числами кожного електрона. Ці числа визначають основний енергетичний рівень електрона, його орбітальний кутовий момент, його магнітний момент і (у цьому був вклад Паулі) орієнтацію його спина. Кожне з цих квантових чисел може набувати лише певних значень, більш того, допустимі лише деякі комбінації даних значень. Він сформулював закон, який став відомим як принцип заборони Паулі і згідно з яким жодні два електрони в системі не можуть мати однакові набори квантових чисел. Так, кожна оболонка в атомі може містити лише обмежену кількість електронних орбіт, що визначаються допустимими значеннями квантових чисел.

Принцип заборони Паулі відіграє фундаментальну роль розуміння будови та поведінки атомів, атомних ядер, властивостей металів та інших фізичних явищ. Він пояснює хімічну взаємодію елементів та їх насамперед незрозуміле розташування у періодичній системі. Сам Паулі використав принцип заборони для того, щоб зрозуміти магнітні властивості простих металів та деяких газів.

Незабаром після того, як Паулі сформулював свій принцип заборони, квантова теорія отримала солідне теоретичне обґрунтування завдяки роботам Ервіна Шредінгера, Вернера Гейзенберга та П. А. М. Дірака. Теоретичний апарат, використаний ними для опису атомних та субатомних систем, став називатися квантовою механікою. Атомна модель Бора була замінена квантовомеханічною моделлю, яка успішніше передбачала спектри та інші атомні явища. Щодо досягнень Паулі, то вони дозволили поширити квантову механіку на такі галузі, як фізика частинок високої енергії та взаємодія частинок зі світлом та іншими формами електромагнітних полів. Ці області стали відомі як релятивістська квантова електродинаміка.

У 1928 р. Паулі змінив Пітера Дебая посаді професора Федерального технологічного інституту у Цюріху, у якому він залишався остаточно життя, крім двох періодів, проведених Сполучених Штатах; він провів академічний 1935/36 р. як запрошений лектор в Інституті фундаментальних досліджень у Прінстоні (штат Нью-Джерсі) і під час Другої світової війни, коли, побоюючись, що Німеччина вторгнеться до Швейцарії, він повернувся до цього ж інституту, де очолював кафедру теоретичної фізики з 1940 до 1946 р.

У 30-ті роки. він зробив ще один важливий внесок у фізику. Спостереження над бета-розпадом атомних ядер, при якому нейтрон в ядрі випускає електрон, перетворюючись при цьому на протон, виявили очевидне порушення закону збереження енергії: після врахування всіх зареєстрованих продуктів розпаду енергія після розпаду виявлялася меншою за своє значення до розпаду. У 1930 р. Паулі висунув гіпотезу, згідно з якою передбачалося, що при такому розпаді випускається якась незареєстрована частка (яку Енріко Фермі назвав нейтрино), яка забирає втрачену енергію, і при цьому закон збереження моменту імпульсу залишався чинним. Зрештою нейтрино вдалося зареєструвати у 1956 р.

У 1945 р. Паулі було нагороджено Нобелівською премією з фізики «за відкриття принципу заборони, який називають також принципом заборони Паулі». Він не був присутній на церемонії вручення премії, і її від його імені отримав співробітник американського посольства в Стокгольмі. У Нобелівській лекції, надісланій до Стокгольма наступного року, Паулі підбив підсумки своїх робіт щодо принципу заборони і квантової механіки.

Паулі став швейцарським громадянином 1946 р. У подальшій роботі він прагнув пролити світло проблеми взаємодії частинок високої енергії та сил, з допомогою яких вони взаємодіють, тобто. займався тією областю фізики, яку зараз називають фізикою високих енергій, чи фізикою частинок. Він також провів глибоке дослідження тієї ролі, що у фізиці частинок грає симетрія. Володіючи воістину фантастичними здібностями та вмінням глибоко проникати у суть фізичних проблем, він був нетерпимий до туманних аргументів та поверхневих міркувань. Він піддав власні роботи такому жорстокому критичному аналізу, що його публікації фактично вільні від помилок. Колеги називали його «совістю фізики».

Після розлучення, що пішов за недовгим і нещасливим першим шлюбом, Паулі в 1934 одружився на Франциску Бертрам. Випробовуючи глибокий інтерес до філософії та психології, він отримував велике задоволення від розмов зі своїм другом К. Г. Юнгом. Він також високо цінував мистецтво, музику та театр. Під час відпустки любив плавати, блукати горами та лісами Швейцарії. Інтелектуальні здібності Паулі перебували у різкому дисонансі з його «умінням» працювати руками. Його колеги зазвичай жартували з приводу таємничого «ефекту Паулі», коли одна лише присутність невисокого і повненького вченого в лабораторії, здавалося, викликала всілякі поломки та аварії. На початку грудня 1958 р. Паулі захворів і невдовзі, 15 грудня, помер.

Крім Нобелівської премії, Паулі був нагороджений медаллю Франкліна Франкліновського інституту (1952) та медаллю Макса Планка Німецького фізичного товариства (1958). Він був членом Швейцарського фізичного товариства, Американського фізичного товариства, Американської асоціації фундаментальних наук, а також іноземним членом

(58 років) Місце роботи

Гамбурзький університет
Геттінгенський університет
Швейцарська вища технічна школа Цюріха

Відомі учні Маркус Фірц[d], Sigurd Zienau[d]і Hans Frauenfelder[d] Нагороди і премії Медаль Лоренца (1931)
Нобелівська премія з фізики ()
Медаль Франкліна (1952)
Медаль Маттеуччі (1956)
Медаль імені Макса Планка (1958)

Волфганг Ернст Паулі(Нім. Wolfgang Ernst Pauli; 25 квітня, Відень - 15 грудня, Цюріх) - швейцарський фізик-теоретик, який працював в галузі фізики елементарних частинок і квантової механіки. Лауреат Нобелівської премії з фізики за 1945 рік.

Біографія

Сім'я та ранні роки

Вольфганг Паулі народився у Відні в сім'ї лікаря та професора хімії Вольфганга Йозефа Паулі (1869-1955), родом із видної празької єврейської родини Пасхелес ( Pascheles). У 1898 році батько змінив прізвище на Паулі, а наступного року, незадовго до одруження, прийняв католицьку віру. Мати Вольфганга Паулі - журналістка Берта Камілла Паулі (уроджена Шютц, 1878-1927), дочка журналіста та драматурга Фрідріха Шютца. У сім'ї була ще молодша сестра Герта Паулі (1909–1973). Друге ім'я Паулі отримав на честь свого хрещеного батька, фізика та філософа Ернста Маха, який був у Празі вчителем Паулі-батька.

У 1910-1918 роках навчався у престижній віденській федеральній гімназії Деблінгер, де заслужив репутацію вундеркінда. Розповідають, що одного разу на уроці фізики вчитель зробив на дошці помилку, яку не зміг відшукати, і в розпачі вигукнув: «Паулі, ну, скажіть нарешті, в чому помилка! Ви, напевно, вже давно її знайшли». Серед однокласників Паулі був майбутній лауреат нобелівської премії з хімії 1938 Ріхард Кун .

Навчання та початок наукової діяльності

Восени 1918 року Вольфганг вступив до Мюнхенського університету, його наставником став відомий фізик Арнольд Зоммерфельд. На прохання Зоммерфельда 20-річний Паулі написав великий огляд для «Фізичної енциклопедії», присвячений спільній теорії відносності, і ця монографія досі залишається класичною. З цієї роботи розпочинається загальноєвропейська популярність Паулі. Далі, проте, тематика його робіт стосувалася переважно квантової механіки, що бурхливо розвивалася, і суміжних проблем атомної фізики. Серед учнів Зоммерфельда був Вернер Гейзенберг, який став близьким другом Паулі.

У 1921 році Паулі захистив дисертацію, після чого отримав запрошення стати асистентом Макса Борна і переїхав до Геттінгена. Через рік (1922) Паулі недовго викладав у Гамбурзі, далі на запрошення Нільса Бора відвідав його в Копенгагені і напружено обговорював з Бором можливі пояснення аномального ефекту Зеемана. У 1923 році повернувся до Гамбурга,

Визнання та останні роки

Вольфганг Паулі на рік вручення Нобелівської премії (1945)

Зоряна година Паулі настала в 1925 році, коли він відкрив нове квантове число (пізніше назване спином) і сформулював фундаментальний принцип заборони Паулі, який пояснив будову електронних оболонок атомів.

Наприкінці 1920-х років настала важка криза в особистому житті Паулі. У 1927 році його мати наклала на себе руки. Батько повторно одружився, і його стосунки із сином помітно погіршилися. У 1929 році Паулі одружився з балериною Кете Деппнер ( Käthe Margarethe Deppner), Незабаром дружина пішла до свого старого приятеля, і в 1930 році подружжя розійшлося. У Паулі почалася депресія, саме тоді він почав спілкування з психоаналітиком Карлом Густавом Юнгом, різко порвав із католицькою релігією та став зловживати алкоголем.

1928 року Паулі поїхав до Швейцарії, де був призначений професором цюріхської Вищої технічної школи. У 1930 році Паулі висунув припущення про існування елементарної частки нейтрино, яке стало другим за значимістю його внеском до атомної фізики. Ця всепроникна частка була експериментально виявлена лише через 26 років, ще за життя Паулі. Влітку 1931 року Паулі вперше відвідав США, потім вирушив на міжнародний конгрес з ядерної фізики в Римі; там, як він з огидою згадував, йому довелося потиснути руку Муссоліні.

У 1933 році Паулі вдруге одружився - на Франку Бертрам ( Franziska „Franca“ Bertram, 1901-1987), цей союз виявився успішнішим, ніж перший, хоча дітей у подружжя не було.

12 років життя Паулі, що залишилися, були присвячені розвитку квантової теорії поля і викладанню. Послухати його лекції приїжджали студенти багатьох країн, і сам Паулі багато їздив Європою з доповідями та лекціями. У 1945 році вчений був удостоєний Нобелівської премії з фізики, після чого (1949) швейцарська влада визнала його громадянином Швейцарії (громадянство США він отримав лише перед виїздом, у січні 1946 року). Кілька разів (1949, 1953 та 1958 роки) знову побував у Прінстоні (жартував «я повернувся, щоб схуднути»), там він обговорював фізичні проблеми з тими колегами, які не наважилися повернутися до Європи після війни.

У 1958 році Паулі був нагороджений медаллю імені Макса Планка, у грудні того ж року помер від раку в Цюріху.

Наукові досягнення

Паулі зробив істотний внесок у сучасну фізику, особливо у фізику мікросвіту. Кількість опублікованих ним робіт відносно невелика, він завжди віддавав перевагу інтенсивному обміну листами зі своїми колегами, особливо з близькими друзями Нільсом Бором і Вернером Гейзенбергом. З цієї причини багато його ідей зустрічаються тільки в цих листах, які часто передавалися далі. Все ж таки головні його досягнення здобули широку популярність:

У 1921 році Паулі першим запропонував як одиницю вимірювання магнітного моменту «магнетон Бора».

У 1926 році, незабаром після опублікування Гейзенбергом матричного подання квантової механіки, Паулі успішно застосував цю теорію для опису спостережуваного спектру водню, включаючи ефект Штарка. Це стало вагомим аргументом для визнання теорії Гейзенберга. Роботи Паулі і Гейзенберга кінця 1920-х років заклали основу нових наук, що з'явилися, - квантової теорії поля і фізики твердого тіла.

У 1930 році Паулі опублікував припущення про існування нейтрино. Він усвідомив, що при бета-розпаді нейтрону на протон і електрон закони збереження енергії та імпульсу можуть виконуватися тільки якщо при цьому випускається ще одна, доти невідома частка. Оскільки на той час довести існування цієї частки було неможливо, Паулі постулював існування невідомої частки. Італійський фізик Енріко Фермі назвав пізніше цю частинку "нейтрончик": нейтрино. Експериментальний доказ існування нейтрино з'явився лише 1956 року.

Особисті якості

В галузі фізики Паулі був відомий як перфекціоніст. При цьому він не обмежувався лише своїми роботами, але й безжально критикував помилки своїх колег. Він став "совістю фізики", часто відгукувався про роботи як про "зовсім невірних", або коментував приблизно так: "Це не тільки неправильно, це навіть не дотягує до помилкового!" У колах його колег ходив із цього приводу такий жарт: «Після смерті Паулі удостоюється аудієнції у Бога. Паулі запитує Бога, чому постійна тонка структура дорівнює 1/137. Бог киває, йде до дошки та починає зі страшною швидкістю писати рівняння за рівнянням. Паулі дивиться спочатку з великою задоволеністю, але незабаром починає сильно і рішуче заперечливо хитати головою».

Також Паулі славився тим, що у його присутності чутлива експериментальна апаратура часто раптово виходила з ладу. Це явище відоме під назвою «ефекту Паулі».

Діалог Паулі - Юнг

Менш відома сфера його діяльності, яка уважно вивчається лише з 1990 року, виникла зі співпраці з психологом Карлом Густавом Юнгом. З їхнього листування, яке обидва вчені вели з 1932 до 1958 року, стає зрозумілим, що Паулі належить більша частина поняття синхронічності, яке ввів К. Г. Юнг, і, крім того, частина уточнення понять колективного несвідомого та архетипів, які мають першорядне значення. для робіт Юнг.

Істотну частину цього діалогу становить і сьогодні ще не вирішена психофізична проблема, об'єднання колективного психо з матерією, глибинного коріння внутрішнього світу людини із зовнішнім світом, що Юнг позначав як unus mundus(єдиний світ) та Паулі як психофізичну дійсність єднання.

Сучасний стан аналізу його записів показує, що це заняття Паулі мали як суто академічний інтерес, а брали свої витоки з глибоколежачих власних переживань - екзистенційних роздумів про архетипі «дух матерії».

Нагороди та пам'ять

1931: нагороджений медаллю Лоренца.
1945: з фізики.
1950: обраний членом Американської академії мистецтв та наук.
1958: нагороджений медаллю Макса Планка.

Пам'ятний знак у Геттінгені

Ім'ям Паулі названо алею в 14-му окрузі Відня ( Wolfgang-Pauli-Gasse) та вулиця в університетському містечку Цюріха ( Wolfgang-Pauli-Strasse). На честь вченого в Геттінгені встановлено пам'ятний знак ( Wolfgang-Pauli-Weg).

ПАУЛІ ВОЛЬФГАНГ

(1900 р. - 1958 р.)

Знаменитий швейцарсько-австрійський фізик Вольфганг Ернст Паулі народився 25 квітня 1900 року у Відні у родині Вольфганга Йозефа Паулі та Берти Паулі (уродженої Шютц).

Батько майбутнього вченого був відомим фізиком та біохіміком, професором колоїдної хімії медичної школи Віденського університету. Він був вихідцем із празької єврейської родини, але пізніше прийняв католицьку віру. Мати Вольфганга була пов'язана з віденським богемним світом, дружила з багатьма театралами та журналістами, сама майстерно володіла пером. Своє друге ім'я Вольфганг Ернст Паулі отримав на честь хрещеного дядька, фізика та філософа Ернста Маха.

Діти у сім'ї Паулі виявилися дуже талановиті: молодша сестра Вольфганга стала актрисою, а Вольфганг – вченим зі світовим ім'ям.

Батьки віддали Вольфганга на навчання до федеральної Віденської гімназії. Однокласником Паулі у гімназії був майбутній лауреат Нобелівської премії – Ріхард Кун, який отримав цю премію з хімії у 1938 році. Вже ранні роки навчання проявилися таланти Паулі у сфері математики. Незабаром, самостійно вивчивши гімназичну програму, він перейшов вивчення вищої математики.

У гімназії Вольфганг зацікавився роботою Альберта Ейнштейна із загальної теорії відносності. У віці 18 років майбутній вчений закінчив гімназію. На цей момент він уже мав опубліковану статтю, присвячену проблемі енергії гравітаційного поля.

У 1918 році молодий Паулі вступив до Мюнхенського університету, де навчався під керівництвом знаменитого фізика Арнольда Зоммерфельда. Зоммерфельд вважався фундатором мюнхенської школи теоретичної фізики. Дізнавшись про інтерес Паулі до теорії відносності, він порекомендував своєму студенту продовжити дослідження у цій галузі. Вже наступного року світ побачив дві роботи Паулі, присвячені можливостям узагальнення загальної теорії відносності.

1920 року друг Зоммерфельда, німецький математик Фелікс Клейн готував видання «Енциклопедії математичних наук». Клейн попросив Зоммерфельда зробити огляд теорії відносності Ейнштейна, а той у свою чергу дав завдання 20-річному Паулі підготувати статтю. Через деякий час стаття лежала на столі Зоммерфельда. У ній автор аналізував загальну та спеціальну теорію відносності Ейнштейна на 250 сторінках! Прочитавши статтю, Зоммерфельд охарактеризував її як «зроблену просто майстерно». Згодом ця стаття-монографія стала класичною. Вона багаторазово була видана окремою книгою у різних країнах.

Коли стаття потрапила на очі Ейнштейну, той, похваливши Паулі, не знав, чого більше дивуватися - тому, що автор написав таку зрілу книгу в 21 рік, або тому, як глибоко йому вдалося зрозуміти перебіг ідеї та проникнення у фізичну сутність явищ.

З 1920 року молодий вчений почав цікавитися мікросвітом атомів та спектрів. У 1921 році під керівництвом Зоммерфельда він успішно захистив докторську дисертацію, присвячену дослідженню молекули водню, та отримав докторський ступінь.

Цього ж року Паулі вирішив продовжити свої наукові дослідження та повчитися у геніальних людей того часу. Він вирушив до Геттінгена, де став асистентом Макса Борна на кафедрі теоретичної фізики Геттінгенського університету. Також Паулі працював разом із Джеймсом Франком у його лабораторії в Геттінгені.

Наприкінці 1922 року після роботи у Швейцарії Паулі переїжджає до Копенгагена, де вступає до асистентів до «генію епохи» Нільса Бора до Інституту теоретичної фізики. Крім наукових досліджень, Паулі допомагав Бору перекладати його роботи німецькою мовою. Помічником у Бора Паулі працював до 1923 року, коли йому запропонували посаду помічника-професора теоретичної фізики в Гамбурзькому університеті.

Співпраця із Зоммерфельдом, Борном, Франком та Бором викликала у молодого вченого ще більший інтерес до мікросвіту атомів та субатомних частинок – до квантової теорії.

У 1924 році Паулі сформулював один із найважливіших законів фізики мікросвіту, який носить його ім'я. Цьому передував низку видатних відкриттів на той час.

Після того як геніальний фізик Резерфорд в 1911 розробив планетарну модель атома, виникли нові питання, що стосуються явищ атомної проблематики. Згідно з постулатами класичної фізики, електрони, що розташовуються на орбітах навколо центрального ядра, повинні безперервно випромінювати електромагнітні випромінювання. При цьому вони повинні втрачати енергію і, підкоряючись тяжінню ядра, наближатися до нього по спіралі.

У 1913 році Бор представив світові свою теорію, яка свідчила, що електрони можуть бути лише на певних орбітах. Внаслідок цього вони не можуть безперервно випромінювати випромінювання. Переміститися з однією з орбіт на іншу електрон може лише у разі квантового стрибка.

За допомогою моделі Бора можна було передбачити характерні риси найпростіших атомних спектрів, наприклад спектру водню. Але застосувати модель до опису складних атомів не вдавалося.

Бор не надав чіткого пояснення стійкості електронних орбіт. Хоча було зрозуміло, що електрони не можуть впасти на ядро по спіралі, але зовсім не ясно, чому це неможливо в результаті стрибкоподібного переходу з дозволеної однієї орбіти на іншу.

1924 року Паулі ввів у квантову механіку поняття «нового ступеня свободи». Наступного року Г. Уленбек та С. Гудсміт визначили її як спин електрона.

Паулі запропонував принцип заборони, згідно з яким дві тотожні частки з напівцілим спином (їхнім власним моментом кількості руху) не можуть одночасно перебувати в одному стані. Сформульований для електронів в атомі, пізніше принцип Паулі був поширений на будь-які частинки з напівцілим спином (ферміони). Електрони мають напівцілий спин. На інші частки з цілим спином заборона Паулі не поширювалася.

Відповідно до принципу Паулі, в магнітному полі у спина є дві можливі орієнтації: вісь спина може бути спрямована в ту ж сторону, що й поле, або протилежну. Сам рух електрона орбітою в атомі визначає ще одну вісь, орієнтація якої залежить від прикладеного зовнішнього поля. Оскільки є різні комбінації орієнтацій (спінової та орбітальної), це пояснює існування великої кількості атомних енергетичних станів.

У своїх подальших роботах Паулі показав, що принцип заборони є наслідком зв'язку спина та статистики Фермі – Дірака, яка існує в релятивістській квантовій механіці, а також дав аналітичне обґрунтування, чому електрони не займають в атомі найнижчий енергетичний рівень. І тому йому довелося вдосконалити модель Бора.

Вчений припустив, що орбіти електронів в атомі описуються чотирма квантовими числами кожного електрона. За допомогою цих чисел визначається основний енергетичний рівень електрона, його орбітальний кутовий момент, магнітний момент і орієнтація його спина. Будь-яке з цих квантових чисел може набувати одного з певних значень, при цьому існують лише деякі комбінації даних значень. Виходячи з принципу заборони Паулі, жодні два електрони в системі не можуть мати однакові набори квантових чисел, а кожна з оболонок атома містить кількість орбіт, що визначаються значеннями квантових чисел.

Принцип заборони, розроблений Паулі, зіграв головну роль розумінні закономірностей будови та поведінки електронних оболонок атомів, атомних ядер, молекулярних спектрів.

Принцип заборони лежить і в основі статистики Фермі - Дірака, яка відіграла важливу роль у розумінні фізики мікросвіту. Завдяки йому було розроблено квантову теорію твердого тіла, а також визначено статистику для електронного газу, лягло в основу пояснення теплових, магнітних та електричних властивостей твердих тіл.

Завдяки роботі Паулі була пояснена система розташування елементів у періодичній системі та їх хімічна взаємодія.

Разом зі Шредінгером, Гейзенбергом, Бором і Діраком Паулі розробив теоретичний апарат, який використовується для опису атомних та субатомних систем. Після того як у 1926 році Гейзенберг запропонував матричну виставу квантової механіки, Паулі використав його для опису спостережуваного спектру водню.

В результаті досліджень цих учених було створено квантово-механічну модель атома. Завдяки зусиллям Паулі квантова механіка знайшла своє застосування в галузях науки, що вивчають фізику частинок високої енергії та взаємодію частинок зі світлом та іншими формами електромагнітних полів. Пізніше ці галузі фізики стали називатися релятивістською квантовою електродинамікою.

У 1927 році Паулі запропонував узагальнення рівняння Шредінгера, що описує частинки з напівцілим спином і ввів спинори для опису спина електрона.

Після того, як в 1928 році вчений обійняв посаду професора федерального Політехнічного інституту в Цюріху, коло його наукових інтересів значно розширилося. Паулі став цікавитися фізикою твердого тіла, зокрема проблемами діа- і парамагнетизму, квантовою теорією поля та фізикою елементарних частинок.

На посаді професора Цюріхського інституту він залишався до смерті, крім двох періодів, проведених ученим у Сполучених Штатах Америки.

1930 року Паулі зробив ще одне геніальне відкриття. Численні дослідження бета-розпаду, що проводилися в 1930-х роках, привели багатьох учених до висновку, що сумарна енергія продуктів розпаду нейтрону – електрона та протона – менше енергії нейтрону до розпаду. Це означало, що в окремі моменти в мікросвіті не виконуються закони збереження енергії та імпульсу. Паулі рішуче чинив опір цій ідеї. У своєму листі учасникам семінару в Тюбінгені він припустив, що до продуктів бета-розпаду входить ще одна невідома частка. Оскільки в той час експериментально довести існування частки було неможливим, учений висунув гіпотезу, що вона має слабкий заряд і тому її не можна зареєструвати.

Неможливість реєстрації частки пояснювала втрату енергії. До 1933 Паулі сформулював основні властивості частки, яку Енріко Фермі назвав нейтрино. Експериментально довести існування нейтрино вдалося лише через двадцять років – у 1956 році.

У 1940 році вчений довів теорему зв'язку спина зі статистикою.

Побоюючись того, що німецькі війська вторгнуться до Швейцарії, вчений прийняв у 1941 році запрошення Прінстонського університету та переїхав до США. Аж до 1946 року Паулі працював у Прінстоні професором в Інституті фундаментальних досліджень, очолюючи кафедру теоретичної фізики.

У 1945 році «за відкриття принципу заборони, який називають також принципом заборони Паулі», вчений був нагороджений Нобелівською премією з фізики. Паулі не поїхав до Стокгольма на церемонію вручення премії, і вона була передана йому через співробітника американського посольства. Наступного року вчений відправив до Стокгольма свою нобелівську лекцію «Принцип заборони та квантова механіка», в якій підбив підсумки своїх робіт у галузі квантової механіки, у тому числі розробок принципу Паулі.

1946 року нобелівський лауреат повернувся до Цюріха, де прийняв швейцарське підданство і продовжив викладацьку роботу в Політехнічному інституті в Цюріху.

В останніх своїх роботах геніальний вчений розвивав фізику частинок та проводив дослідження взаємодії частинок високої енергії та сил взаємодії.

Нільс Бор називав свого молодого колегу "чистою совістю фізики", оскільки Паулі нещадно і надто критично ставився як до своїх робіт, так і до робіт колег. Навіть роботи друзів отримували від нього характеристику як «зовсім невірні» або «не те, що неправильні, але навіть не дотягують до помилкових!» Він ще за життя став чинним героєм багатьох анекдотів. Подейкують, що після того, як Гейзенберг представив Паулі свою нову теорію, він через деякий час отримав листа від Паулі. У листі було намальовано квадрат із позначкою «Я можу малювати як Тіціан», а внизу листа дрібним почерком було приписано: «Не вистачає лише деталей».

Знаменитий вчений був стовідсотковим теоретиком. Подейкували, що варто було йому лише увійти до дослідницької лабораторії, як чутлива електронна апаратура одразу ж виходила з ладу. Цей «ефект Паулі», який також став всесвітньо відомим, увійшов до різних збірок з розряду «фізики жартують».

Серед багатьох випадків, пов'язаних з «ефектом Паулі», був і такий. Якось у лабораторії Джеймса Франка в Геттінгені від несподіваного нищівного вибуху було зруйновано дорогу установку. Як потім виявилося, вибух стався в той самий час, коли поїзд, в якому Паулі їхав із Цюріха до Копенгагена, зупинився на кілька хвилин у Геттінгені.

Перший шлюб знаменитого вченого виявився невдалим. У 1934 році він вдруге одружився - на Франциску Бертрам. Подружжя любило слухати музику, відвідувало театр.

Притчею в мовах стали самотні прогулянки Паулі на далекі відстані. Крім того, він любив рибалити і здійснювати походи до Альп.

Одним із найкращих друзів вченого був всесвітньо відомий психолог Карл Густав Юнг, з яким Паулі активно листувався з 1923 року і до самої смерті. З їхнього листування з'ясувалося, що левова частка пояснень поняття синхронності, введеного Юнгом, насправді належить Паулі. Крім того, вчений цікавився архетипами, поняттям колективного несвідомого, зіставленням внутрішнього світу людини із зовнішнім світом, піднятими у працях Юнга.

У 1918 р. П. вступив до Мюнхенського університету, де навчався під керівництвом відомого фізика Арнольда Зоммерфельда. У цей час німецький математик Фелікс Клейн займався виданням математичної енциклопедії. Клейн попросив Зоммерфельда написати огляд загальної та спеціальної теорії відносності Ейнштейна, а Зоммерфельд у свою чергу попросив написати цю статтю 20-річного П. Той швидко написав статтю обсягом у 250 сторінок, яку Зоммерфельд охарактеризував як «зроблену просто майстерно».

У 1921 р., закінчивши докторську дисертацію з теорії молекули водню і отримавши докторський ступінь у найкоротші для університету терміни, П. вирушив у Геттінген, де зайнявся науковими дослідженнями спільно з Максом Борном і Джеймсом Франком. Наприкінці 1922 р. він у Копенгагені працює як асистент у Нільса Бора. Робота під керівництвом Зоммерфельда, Борна, Франка та Бора пробудила у П. інтерес до нової галузі фізики – квантової теорії, яка займалася вивченням атома та субатомних частинок, і він повністю поринув у проблеми, що постали перед фізиками в цій галузі.

Хоча принципи класичної фізики дозволяли задовільно пояснювати поведінку макроскопічних фізичних систем, спроби застосувати самі принципи до явищ атомного масштабу зазнавали невдачі. Особливо складною була ядерна модель атома, за якою електрони оберталися по орбітах навколо центрального ядра. Згідно з принципами класичної фізики, електрони, що обертаються по орбітах, повинні безперервно випускати електромагнітні випромінювання, втрачаючи при цьому енергію і наближаючись по спіралі до ядра. У 1913 р. Бор припустив, що електрони що неспроможні безперервно випромінювати випромінювання, оскільки вони повинні перебувати у своїх дозволених орбітах; усі проміжні орбіти заборонені. Електрон може випустити або поглинути випромінювання, тільки зробивши квантовий стрибок з однієї дозволеної орбіти на іншу.

Ще дві істотні недоліки моделі Бора допомогли П. надалі зробити свій значний внесок у квантову теорію. По-перше, ця модель не могла пояснити деякі тонкі деталі у спектрі водню. Наприклад, коли атомний газ поміщали в магнітне поле, деякі спектральні лінії розщеплювалися на кілька близьких ліній – ефект, вперше виявлений Пітером Зееманом в 1896 р. Більш важливим, проте, було те, що стійкість електронних орбіт не знаходила повного пояснення. Хоча вважалося очевидним, що електрони не могли падати по спіралі на ядро, безперервно випромінюючи випромінювання, не було видно явної причини, чому б їм не опускатися стрибками, переходячи з однієї дозволеної орбіти на іншу і збираючись разом у нижчому енергетичному стані.

У 1923 П. став асистент-професором теоретичної фізики в Гамбурзькому університеті. Тут він на початку 1925 р. займався теоретичними дослідженнями будови атомів та їхньої поведінки в магнітних полях, розробляючи теорію ефекту Зеемана та інших видів спектрального розщеплення. Він висунув припущення, що електрони мають якусь властивість, яку пізніше Семюел Гаудсміт і Джордж Уленбек назвали спином, або власним кутовим моментом. У магнітному полі спина електрона є дві можливі орієнтації: вісь спина може бути спрямована в ту ж сторону, що і поле, або в протилежну сторону. Орбітальний рух електрона в атомі визначає ще одну вісь, яка може бути орієнтована по-різному, залежно від прикладеного зовнішнього поля. Різні можливі комбінації спінової та орбітальної орієнтації трохи відрізняються енергетично, що призводить до збільшення числа атомних енергетичних станів. Переходи електрона з кожного з цих підрівнів на деяку іншу орбіту відповідають довжинам світлових хвиль, що злегка відрізняються, чим і пояснюється тонке розщеплення спектральних ліній.

Незабаром після того, як П. ввів таку властивість «двозначності» електрона, він аналітично пояснив, чому всі електрони в атомі не займають найнижчий енергетичний рівень. У вдосконаленій їм моделі Бора допустимі енергетичні стани, або орбіти, електронів в атомі описуються чотирма квантовими числами кожного електрона. Ці числа визначають основний енергетичний рівень електрона, його орбітальний кутовий момент, його магнітний момент і (у цьому полягав вклад П.) орієнтацію його спина. Кожне з цих квантових чисел може набувати лише певних значень, більш того, допустимі лише деякі комбінації даних значень. Він сформулював закон, який став відомим як принцип заборони Паулі і згідно з яким жодні два електрони в системі не можуть мати однакові набори квантових чисел. Так, кожна оболонка в атомі може містити лише обмежену кількість електронних орбіт, які визначаються допустимими значеннями квантових чисел.

Принцип заборони Паулі відіграє фундаментальну роль розуміння будови та поведінки атомів, атомних ядер, властивостей металів та інших фізичних явищ. Він пояснює хімічну взаємодію елементів та їх насамперед незрозуміле розташування у періодичній системі. Сам П. використав принцип заборони для того, щоб зрозуміти магнітні властивості простих металів та деяких газів.

Найкращі дні

Незабаром після того, як П. сформулював свій принцип заборони, квантова теорія отримала солідне теоретичне обґрунтування завдяки роботам Ер-Віна Шредінгера, Вернера Гейзенберга і П.А.М. Дірака. Теоретичний апарат, використаний ними для опису атомних та субатомних систем, став називатися квантовою механікою. Атомна модель Бора була замінена квантовомеханічною моделлю, яка успішніше передбачала спектри та інші атомні явища. Щодо досягнень П., то вони дозволили поширити квантову механіку на такі області, як фізика частинок високої енергії та взаємодія частинок зі світлом та іншими формами електромагнітних полів. Ці області стали відомі як релятивістська квантова електродинаміка.

У 1928 р. П. змінив Пітера Дебая на посаді професора Федерального технологічного інституту в Цюріху, на якому він залишався до кінця життя, за винятком двох періодів, проведених у Сполучених Штатах; він провів академічний 1935/36 р. як запрошений лектор в Інституті фундаментальних досліджень у Прінстоні (штат Нью-Джерсі) і під час Другої світової війни, коли, побоюючись, що Німеччина вторгнеться до Швейцарії, він повернувся до цього ж інституту, де очолював кафедру теоретичної фізики з 1940 до 1946 р.

У 30-ті роки. він зробив ще один важливий внесок у фізику. Спостереження над бета-розпадом атомних ядер, при якому нейтрон в ядрі випускає електрон, перетворюючись при цьому на протон, виявили очевидне порушення закону збереження енергії: після врахування всіх зареєстрованих продуктів розпаду енергія після розпаду виявлялася меншою за своє значення до розпаду. У 1930 р. П. висунув гіпотезу, згідно з якою передбачалося, що при такому розпаді випускається якась незареєстрована частка (яку Енріко Фермі назвав нейтрино), що забирає втрачену енергію, і при цьому закон збереження моменту імпульсу залишався чинним. Зрештою нейтрино вдалося зареєструвати у 1956 р.

У 1945 році П. був нагороджений Нобелівською премією з фізики «за відкриття принципу заборони, який називають також принципом заборони Паулі». Він не був присутній на церемонії вручення премії, і її від його імені отримав співробітник американського посольства в Стокгольмі. У Нобелівській лекції, надісланій до Стокгольма наступного року, П. підбив підсумки своїх робіт, що стосувалися принципу заборони та квантової механіки.

П. став швейцарським громадянином в 1946 р. У подальшій роботі він прагнув пролити світло проблеми взаємодії частинок високої енергії та сил, з допомогою яких вони взаємодіють, тобто. займався тією областю фізики, яку зараз називають фізикою високих енергій, чи фізикою частинок. Він також провів глибоке дослідження тієї ролі, що у фізиці частинок грає симетрія. Володіючи воістину фантастичними здібностями та вмінням глибоко проникати у суть фізичних проблем, він був нетерпимий до туманних аргументів та поверхневих міркувань. Він піддав власні роботи такому жорстокому критичному аналізу, що його публікації фактично вільні від помилок. Колеги називали його «совістю фізики».

Після розлучення, що послідував за недовгим і нещасливим першим шлюбом, П. в 1934 одружився на Франциску Бертрам. Випробовуючи глибокий інтерес до філософії та психології, він отримував велике задоволення від розмов зі своїм другом К.Г. Юнг. Він також високо цінував мистецтво, музику та театр. Під час відпустки любив плавати, блукати горами та лісами Швейцарії. Інтелектуальні здібності П. перебували у різкому дисонансі з його «умінням» працювати руками. Його колеги зазвичай жартували з приводу таємничого «ефекту Паулі», коли тільки присутність невисокого і повненького вченого в лабораторії, здавалося, викликало всілякі поломки і аварії. На початку грудня 1958 П. захворів і незабаром, 15 грудня, помер.

Крім Нобелівської премії, П. був нагороджений медаллю Франкліна Франкліновського інституту (1952) та медаллю Макса Планка Німецького фізичного товариства (1958). Він був членом Швейцарського фізичного товариства, Американського фізичного товариства, Американської асоціації фундаментальних наук, а також іноземним членом Лондонського королівського товариства.