Нильс Бор: «Прогресс физики в нашем столетии характеризуется не только расширением круга познания, но главным образом и построением новых теоретических основ для анализа и синтеза экспериментальных данных. Вольфганг Паули… внес в этот прогресс огромный вклад не только собственными выдающимися работами, но и тем вдохновением и воодушевлением, которые мы все от него получали».
Макс Борн: «Паули… общепризнан как наиболее критичный, логически и математически требовательный среди ученых, которые внесли вклад в квантовую механику».
Вольфганг Эрнест Паули родился 25 апреля 1900 года в Вене, в семье известного профессора фармакологии Вольфганга Йозефа Паули. Очень рано заметив исключительные математические способности сына, отец всячески стремился их развить. Мать, Берта Паули, журналистка по профессии, старалась воспитать у него любовь к музыке.
Они оба преуспели в своих стремлениях. Паули‑гимназист прекрасно разбирался в астрономии, любил находить ошибки в читаемых им научно‑фантастических романах, например у Жюля Верна. Исключительные математические способности у мальчика обнаружились рано. Быстро освоив школьный курс, он изучил высшую математику. Еще в школе он познакомился и с трудами Эйнштейна и проникся его идеями.
Восемнадцатилетний юноша, только что закончивший с отличием гимназию, отослал в немецкий журнал «Physikalische Zeitschrift» свою первую оригинальную статью об энергии гравитационного поля, которая и была опубликована в 1919 году.
В Мюнхенском университете он стал одним из любимых учеников Зоммерфельда, который поручил ему, студенту 2‑го курса, написать обзор по теории относительности для физического тома математической энциклопедии. Этот том увидел свет в 1921 году и сразу сделал имя Паули известным среди физиков.
Сам Эйнштейн дал восторженную оценку этой статьи Паули: «Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную работу, вряд ли поверит, что ее автору всего двадцать один год. Неизвестно, чему следует удивляться больше: глубокому психологическому пониманию хода развития идей, безупречности математических выводов, глубокому проникновению в физическую сущность явлений, способности ясно и систематически излагать предмет, эрудиции, полноте изложения, уверенности критика».
С 1921 по 1928 год Паули работал в Геттингене у Борна, в Гамбурге, Копенгагене у Бора и снова в Гамбурге. В школе Зоммерфельда Паули рано заинтересовался атомной физикой. Первая его статья относится к 1920 году и была посвящена исследованию диамагнетизма одноатомных газов. Для диамагнитной восприимчивости Паули получил формулу, сохранившуюся и в квантовой механике.
Но главной темой своего исследования Паули избрал аномальный эффект Зеемана – расщепление спектральных линий в магнитном поле. В те годы эта проблема стала средоточием всех трудностей старой квантовой теории. Это очень образно выразил как‑то сам Паули. Когда в Копенгагене его спросили, почему он выглядит таким удрученным, последовал ответ: «Как может выглядеть счастливым человек, если он думает об аномальном эффекте Зеемана?»
Именно Паули сделал решающий шаг, сформировав свой знаменитый «принцип запрета». Впервые принцип Паули был сформулирован в статье «О связи между заполнением групп электронов в атоме и сложной структурой спектров», опубликованной в 1925 году. Этот принцип Паули открыл на основании обобщения громадного эмпирического материала, накопившегося в атомной спектроскопии многоэлектронных элементов (щелочных металлов и инертных газов).
Согласно ему в атоме не может существовать более одного электрона с заданными значениями четырех квантовых чисел, характеризующих энергетический уровень.
Другими словами, если уровень занят одним электроном, то второй уже на этом уровне располагаться не может. Надежда Паули, что в будущем удастся вывести гениально угаданный им принцип из более фундаментальных положений, оправдалась. В квантовой механике принцип Паули можно вывести из принципа тождественности частиц для систем, описываемых антисимметричными волновыми функциями. Сам Паули показал в 1940 году, что эти системы состоят из частиц с полуцелым спином, т е. частиц, подчиняющихся статистике Ферми–Дирака.
Принцип Паули был последним выдающимся достижением доквантовомеханической теории атома. Он стимулировал создание квантовой статистики Ферми и сделал возможным объяснение периодической таблицы Менделеева.
В 1926 году, упростив выкладки Ферми, Паули установил связь между вырождением электронного газа и парамагнетизмом.
«Сразу же после появления матричной механики Гейзенберга возникла задача рассчитать с помощью нового математического аппарата спектр водородоподобных атомов, – пишет А.М. Франк. – Самому Гейзенбергу это не удавалось, и тогда этим занялся Паули. В период, когда техника матричного исчисления только осваивалась физиками, работа оказалась довольно трудной. Но Паули с ней быстро справился, и не только получил правильные значения для энергетических уровней, но и сумел учесть влияние на спектр электрических и магнитных полей. По словам Гейзенберга, его переписка с Паули, критические замечания и вопросы последнего сыграли огромную роль и в установлении принципа неопределенности. На V Сольвеевском конгрессе (Брюссель, 1927) Паули решительно поддержал ту интерпретацию квантовой механики, которая была предложена Бором, а в последующие годы был одним из основателей применения теоретико‑групповых методов в квантовой механике».
Начиная с 1928 года Паули занимал кафедру теоретической физики Высшей технической школы в Цюрихе, став преемником Минковского и Эйнштейна.
К 1929 году построение основ квантовой механики и разработка ее математического толкования были закончены. И Паули с Гейзенбергом взялись за совершенно новую задачу – приложение новых методов квантования к электромагнитному полю. Их пионерская работа положила начало новой по существу науке, а разработанный ими метод широко применялся на протяжении всех последующих лет. Паули и дальше живо интересовался развитием квантовой электродинамики и стимулировал работы в этом направлении.
В начале тридцатых годов Паули, занявшись ядерной физикой и физикой элементарных частиц, сразу же высказал две фундаментальные идеи. Первая относилась к хорошо ему известной области спектроскопии. В докладе на VI Сольвеевском конгрессе (1930) он высказал мысль, что подобно тому как наличие спина электрона объясняет тонкую структуру спектральных линий, так вновь тогда открытая сверхтонкая структура обусловлена взаимодействием орбитального момента электронов с магнитным моментом ядра. В качестве примера Паули детально рассчитал сверхтонкую структуру линий гелия.
Вторая идея еще больше прославила имя Паули. Еще в 1931 году в письме к друзьям, а затем во время дискуссии на VII Сольвеевском конгрессе в 1933 году Паули высказал предположение, что помимо электрона при бета‑распаде испускается еще одна частица, которая уносит часть энергии. Эта частица (хотя она и электрически нейтральна) – не гамма‑квант и обладает очень высокой проникающей способностью. После открытия в 1932 году Дж. Чедвиком нейтрона эту гипотетическую частицу стали называть нейтрино.
В последующие годы Паули занимался главным образом квантовой теорией поля, едиными теориями поля, мезонной теорией ядерных сил, теорией элементарных частиц, опубликовал по этим вопросам около 30 статей и несколько книг.
Во время Второй мировой войны он работает в Принстоне, в Институте высших исследований, где в то время трудились Эйнштейн и Бор. В 1945 году «за открытие принципа запрета, который называют также принципом Паули» теоретику была присуждена Нобелевская премия по физике.
После войны Паули снова работает в Цюрихе на посту профессора Федерального технологического института. В 1946 году ученый принял швейцарское гражданство.
В последний период своей деятельности Паули интересовался физикой высоких энергий. Он близко сходится с великим психоаналитиком К. Юнгом.
Пытливый ум Паули охватывал очень разные области деятельности. Его многосторонность, широчайшая эрудиция проявились в целом ряде исследований по истории физики, философским вопросам современного естествознания, психологии научного творчества.
Барбара Клайн в своей книге «В поисках» пишет: «Внешне он очень напоминал Будду, но Будду, в глазах которого светился ум. В научных спорах Паули был бесподобен. Для него никакого значения не имело правильное решение проблем, если доказательство не получалось лаконичным, полным и логически безупречным. Его научные труды… являлись продуктом энергичного длительного процесса мышления, во время которого доказательство оттачивалось снова и снова, пока не начинало удовлетворять его придирчивым требованиям… Он подвергал сомнению абсолютно все. Он был безжалостен, бесчувствен, язвителен, но очень часто – полезен. Бор и Гейзенберг очень ценили критические замечания Паули, хотя они часто бывали весьма болезненными для самолюбия. Их восхищала неистовая честность ученого. Бор сравнивал Паули со скалой в разбушевавшемся море…»
Возможно, в истории создания ядерного оружия случился бы непредвиденный поворот, окажись этот удивительный человек в центре Манхэттенского проекта.
Вольфганг Эрнст Паули вошёл в историю не только как блестящий немецкий физик-теоретик, пионер в области квантовой механики и лауреат Нобелевской премии по физике 1945 года, но и как человек, чьим именем названо загадочное и малопонятное явление – «эффект Паули», суть которого состоит в том, что присутствие некоторых людей негативно влияет на ход экспериментов и работу точных приборов.
С Вольфгангом Паули такое случалось постоянно. Стала легендарной его неспособность заставить работать даже самые элементарные экспериментальные приборы, а также то, что вещи и техника при его появлении ломались или входили в нештатный режим работы.
Физик Отто Штерн, тоже лауреат Нобелевской премии и коллега Паули, отказывался пускать его в свою лабораторию, утверждая, что «количество отмечавшихся «гарантированных эффектов Паули» было велико до такой степени, когда игнорировать это было просто невозможно».
Источник несчастий
На самом деле не только Штерн, с которым, кстати, Паули регулярно обедал, опасался присутствия ходячего бедствия Паули в своей лаборатории. Другие коллеги тоже боялись «эффектного» появления Паули и каждый раз молились, чтобы тот, не дай бог, не заглянул к ним, когда в лаборатории шёл эксперимент и требовалась безукоризненная работа высокоточных приборов.
Для опасений у коллег имелись серьёзные причины. Если Паули заходил в лабораторию, то механизмы внезапно останавливались или сгорали, стеклянные приборы ни с того ни с сего разлетались вдребезги, в вакууме вдруг появлялись утечки, взрывались лампочки, перегорали реле, случалось короткое замыкание…
Однажды Паули решил навестить своего приятеля, известного астронома Вальтера Бааде и впервые появился в Гамбургской обсерватории. Этот «эффектный» визит Паули все запомнили надолго, поскольку при его появлении в обсерватории немедленно произошла жуткая авария, в результате которой чуть было не разрушился бесценный телескоп-рефрактор.
Впрочем, «эффект Паули» был настолько силён, что «срабатывал» даже на расстоянии. Так, большую известность получил случай, когда во время эксперимента дорогая измерительная техника в лаборатории физика Джеймса Франка в городе Гёттингене внезапно отказала и случился взрыв. Кто-то из коллег Франка сразу припомнил «эффект Паули», однако самого «источника несчастья» в данный момент рядом не было не только в лаборатории, но и в городе.
Будучи другом Паули, Франк отправил ему письмо в Цюрих, где тот в то время проживал, и в шутливых тонах описал случившуюся неприятность. Каково же было изумление Франка, когда от Паули пришло ответное письмо, в котором тот сообщил, что в Цюрихе его нет – он поехал навестить Нильса Бора и во время таинственного случая в лаборатории Франка как раз возвращался обратно поездом и совершал остановку в Гёттингене…
В другой раз, когда Паули в 1950 году приехал в Принстон, там немедленно сгорел новёхонький, только-только купленный и абсолютно исправный дорогущий циклотрон. Сгорел совершенно необъяснимо, если не считать «эффекта Паули».
И шутить с Паули на тему его «эффекта» тоже никак не получалось. Один раз коллеги-шутники решили продемонстрировать искусственный «эффект Паули»: в аудитории, где он читал лекции, они подсоединили часы с помощью реле к двери. По замыслу, часы должны были остановиться, как только Паули откроет дверь и войдёт. Паули вошёл, но часы продолжали идти, потому что отказало реле.
Похожий случай был и с люстрой, которую другие шутники подвесили на верёвку и которая должна была эффектно упасть при появлении Паули (но не на голову, разумеется). Люстра осталась висеть на месте, так как намертво заклинило верёвку…
Неясные механизмы
С Паули и вокруг Паули происходили и другие загадочные вещи. Например, однажды он сидел за столиком в кафе и смотрел в окно, думая о красном цвете и особенностях его восприятия. Глаза учёного отстранённо смотрели на пустую машину, которая находилась на стоянке напротив кафе. Под его взглядом машина внезапно вспыхнула, и красный цвет стал реальностью.
В другом случае, опять же в кафе, все оказались перемазаны сливками. Все, кроме Паули.
На торжественной церемонии открытия в Цюрихе в 1948 году института Юнга, на официальном приёме при появлении Паули со своего места совершенно неожиданно упала большая китайская ваза с цветами. Вода из вазы забрызгала элегантные костюмы многих высокопоставленных гостей. На одежде Паули не оказалось ни одной капли.
Вообще было замечено, что «деструктив», который исходил от Паули, при всей своей «эффектности» не причинял тому ни малейшего вреда. Об этом написал один из его близких друзей, немецкий физик Рудольф Пайерлс, неоднократно становившийся свидетелем разрушительного воздействия приятеля на окружающую обстановку: «Казалось, что он произносил какой-то заговор, который оказывал влияние на людей или предметы в его окружении, особенно в физических лабораториях, приводя к различным авариям и несчастным случаям… но ни одна из этих аварий не причиняла вреда или беспокойства ему самому».
И хотя, как утверждал Штерн, количество «гарантированных эффектов Паули» было велико, тем не менее коллеги не рассматривали их с научной точки зрения. Рассказы об «эффекте Паули» вошли в учёный фольклор в качестве шутки, анекдота и вообще чего-то несерьёзного.
Но сам Паули так не считал. Он был убеждён, что его «эффект» – это не простые случайности, а чёткая закономерность с пока неясными для науки механизмами.
Техника и мистика
Подобная убеждённость основывалась на весьма конкретных и довольно неприятных физических ощущениях, которые Паули испытывал всякий раз перед тем, как что-то должно было случиться.
По его словам, у него заранее возникало предчувствие грядущей неприятности. Это было некое внутреннее напряжение, длившееся до тех пор, пока неприятность не случалась. После этого Паули чувствовал в себе странное и особенное освобождение и великое облегчение.
В наши дни учёные попытались разобраться в «эффекте Паули» и дать объяснение этому феномену с чисто научной точки зрения. В группе испытуемых возрастом от 20 до 55 лет проводили измерения электрического потенциала на их ладонях.
Дело в том, что каждый из нас обладает постоянным электрическим полем, а на поверхности кожи в результате различных биохимических процессов, происходящих внутри организма, имеется электрический потенциал. Как правило, он не превышает 0,05В. Однако в определённых обстоятельствах может «подскакивать» почти до 10В.
И учёные принялись измерять этот кожный потенциал при различных состояниях испытуемых: они сравнивали потенциал весёлых и грустных людей, голодных и сытых, спокойных и нервозных, уверенных и неуверенных, расслабленных и сосредоточенных…
Полученные результаты со всей убедительностью показали, что электрический потенциал при разных состояниях человека меняется весьма существенно, а техника на эти изменения реагирует очень чутко и может начать «чудить».
Особенно это касается индивидуальной техники, которая мгновенно распознаёт эмоциональное состояние своего хозяина. И если у того в эмоциональной сфере на данный момент присутствует негатив, то техника может выдать весьма специфическую реакцию. Также она «вредничает» с людьми, погружёнными в собственные мысли, находящимися в стрессе, расстроенных чувствах, и особенно – с «чужаками».
А вот техника в общественных местах на эмоциональную сферу реагирует гораздо спокойнее, так как быстро «привыкает» к большому количеству людей и не разделяет пользователей на «своих» и «чужих».
Все эти эксперименты, конечно, интересны и дают пищу для размышлений; однако внятно объяснить «эффект Паули» они не смогли. Почему именно он среди многих учёных того времени был для техники «чужаком», причём настолько «страшным», что техника при его появлении начинала ломаться? Может, виновато огромное электрическое поле, которое учёный на себе «носил»? Но даже если это так, то как объяснить разрушительное воздействие Паули даже на расстоянии?
Техника явно «чувствовала» исходящую от Паули иную силу, нежели просто электрическое поле, пусть даже оно и было велико.
Шведский теоретик Оскар Клейн, всю жизнь бывший суперскептиком и Фомой неверующим, будучи знакомым с Паули и видевший, что творилось вокруг того, с одной стороны, утверждал, что «эффект Паули» – это отличный пример того, как на основе достоверных фактов можно делать очевидно неверные выводы. Однако при этом Клейн не мог не признать, что данный эффект уж слишком странный и что «этот случай был бы весьма убедительной демонстрацией «сверхъестественного» – когда определённые демонические личности могут влиять на окружающие их предметы, вызывая к действию некие загадочные силы».
Незнакомцы из снов
Мистика в жизни Паули, действительно, была. Точнее, мистика была в его снах. Начиная с 1946 года к нему в сновидениях стали являться два незнакомца – молодой блондин и более старший по возрасту бородатый брюнет восточной наружности, которого Паули условно назвал «Перс». Эти два загадочных человека принялись учить Паули «новой физике».
«Курс обучения» Паули описал в приватных письмах к своему другу Карлу Юнгу. Однако «ночная тайна» Паули до конца 1980-х годов была за «семью печатями», так как жена Паули почему-то крайне отрицательно относилась к увлечению мужа идеями Юнга и постаралась, чтобы эта часть биографии её знаменитого супруга была надолго скрыта от исследователей. И очень жаль, потому что «юнговский штрих» в жизни Паули даже, наверное, интереснее его «официального канона» и уж точно куда более таинственней.
Так, «Блондин» объяснял учёному особую важность принципа вращения, но главное, что в людскую науку необходимо привнести женское начало или душу, чего, к слову, до сих пор не сделано.
«Перс» был более суров и часто говорил странные вещи, малопонятные или совсем непонятные Паули. Среди многих загадочных фраз «Перса» Паули запомнилась одна, которую произнёс бородач, когда Паули спросил, не является ли тот всего лишь его собственной тенью. Этот вопрос очень рассердил «Перса», и он ответил: «Я нахожусь между тобой и светом, так что это ты моя тень, а никак не наоборот».
Паули, будучи приверженцем учения Карла Юнга, действительно считал, что оба его ночных визави – не что иное, как ипостаси его собственного бессознательного. Однако учёного смущало то, что слова и поведение этих двух весьма различных персонажей из его снов постоянно вступали в явное противоречие с той ролью, которая им была «прописана» в юнговской теории о бессознательном, и частенько выходили за её рамки.
Может быть, на связь с Паули и в самом деле вышли представители иных миров? «Перс», кстати, прямо говорил, что Паули не понял бы физику на его родном языке. Что это был за язык и что это был за мир – для учёного (и для нас) так и осталось тайной.
Зато известно, что Паули не допустили к разработке атомной бомбы. Не потому, что он был плохим учёным – как раз наоборот, учёным он был гениальным. Но вот его «эффект»…
И хотя к данному «эффекту» коллеги относились как к анекдоту, тем не менее в Америке, где шла разработка бомбы и куда Паули был вынужден уехать во время Второй мировой войны, спасаясь от нацистов, решили, что рисковать не стоит.
Разумеется, почтенному и уважаемому Паули прямо об этом никто не сказал. Роберт Оппенгеймер, научный руководитель Манхэттенского проекта, занимавшегося разработкой ядерного оружия, лично написал Паули письмо, в котором подробно объяснил, почему именно его, Вольфганга Паули, более целесообразно оставить вне этой жутко засекреченной работы и чем он должен заниматься вместо изобретения бомбы…
В общем, когда остальные коллеги Паули трудились в секретной лаборатории, сам Паули… писал статьи дома. Качественные, чисто научные труды, зачастую под разными именами, которые публиковал в различных журналах, стремясь создать у немцев впечатление, будто учёные-физики в Америке не занимаются ничем таким подозрительным и никаких разработок не ведут.
Позже Паули был несказанно рад, что счастливо сумел избежать участия в создании этого поистине адского оружия. А уж как мы рады…
Марина Ситникова
(1900-1958) швейцарский физик-теоретик, основатель квантовой механики
Вольфганг Паули родился в Вене. Его отец, Йозеф Паули, был известным физиком и биохимиком, профессором Венского университета. Мать будущего ученого, Берта Паули, была известной писательницей и театральным критиком. Крестным отцом будущего ученого был знаменитый физик и философ Эрнст Мах.
В детстве Вольфганг Паули мечтал стать актером и много занимался музыкой вместе со своей младшей сестрой, которая впоследствии действительно избрала актерское поприще. Однако по совету учителей, заметивших математические способности мальчика, он поступает в Мюнхенский университет, где занимается в семинаре под руководством известного физика Арнольда Зоммерфельда. В 1921 году молодой человек закончил университет.
Но серьезно заниматься наукой Вольфганг Паули начал благодаря случаю. Знакомый Зоммерфельда профессор математики Феликс Клейн попросил того написать статью, посвященную теории относительности, для издававшейся в Германии математической энциклопедии. Из-за своей занятости Зоммерфельд поручил эту работу Паули.
Тот написал «статью» объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд отправил на рецензию Альберту Эйнштейну. После его положительного отзыва Паули защитил эту работу в качестве магистерской диссертации. Всего через год после этого он представил к защите докторскую диссертацию, после успешной защиты которой отправился в Гёттинген, где начал преподавательскую и научную деятельность.
Однако в Гёттингене Вольфганг Паули пробыл недолго. В 1922 году он переезжает в Копенгаген и поступает ассистентом к Нильсу Бору . Там молодой физик занялся изучением атомных спектров. Занимаясь их исследованием, Паули внес важные дополнения к теории атома, предложенной Н. Бором. В частности, он пришел к выводу, что правильнее говорить не об орбитах, по которым вращаются электроны вокруг атомного ядра, а об оболочках, которые они образуют вокруг него.
Кроме того, Вольфганг Паули показал, что в каждой такой оболочке может находиться строго определенное количество электронов.
После того как эта теоретическая модель была подтверждена работами Эрвина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и Поля Дирака, стало ясно, что работы Вольфганга Паули открыли новое направление в физике, которое было названо квантовой механикой, а важнейший квантовомеханический принцип получил название принципа Паули. Свои открытия молодой ученый сделал, будучи доцентом Гамбургского университета.
В 1928 году Вольфганг Паули покинул Германию и переехал в Швейцарию, где начал работать в Цюрихском технологическом институте. В 1930 году он опубликовал статью, в которой доказал, что при распаде атомного ядра, кроме электронов и нейтронов, должна возникать еще одна незарегистрированная частица. Данное открытие было подтверждено спустя годы, после ее открытия Энрико Ферми, который назвал ее нейтрино.
Годы Второй мировой войны Вольфганг Паули провел в США. Там он в 1945 году и узнал, что стал лауреатом Нобелевской премии по физике. Получив ее в 1946 году, Паули вновь вернулся в Швейцарию, где прожил до конца жизни.
Имея большие заслуги в области физики, он при этом пользовался репутацией человека, который приносит различные несчастья. Говорили, что стоило ему появиться в лаборатории, как там начинались всевозможные поломки и аварии.
Действительно, все знавшие Вольфганга Паули отмечали его редкостную неспособность сделать что-либо своими руками. Всеми делами в его доме заправляла его вторая жена, Франциска Бертран. Его ближайшим другом и партнером по отдыху был известный немецкий философ Карл Юнг.
Вольфганг Паули вошел в историю науки не только как теоретик, но и как мыслитель, стремившийся глубоко проникнуть в историю и философию научной мысли и опубликовавший ряд важнейших работ по этой проблематике.
Австрийско-швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули родился в Вене. Его отец, Вольфганг Йозеф Паули, был известным физиком и биохимиком, профессором коллоидной химии в Венском университете. Его мать, Берта (в девичестве Шютц) Паули, была писательницей, связанной с венскими театральными и журналистскими кругами. Герта, младшая сестра П., стала актрисой и писательницей. Эрнст Мах, знаменитый физик и философ, был его крестным отцом. В средней школе в Вене П. проявил незаурядные математические способности, однако, находя классные занятия скучными, он переключился на самостоятельное изучение высшей математики и поэтому сразу прочитал только что опубликованную работу Альберта Эйнштейна по общей теории относительности.
В 1918 г. П. поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством известного физика Арнольда Зоммерфельда. В это время немецкий математик Феликс Клейн был занят изданием математической энциклопедии. Клейн попросил Зоммерфельда написать обзор общей и специальной теории относительности Эйнштейна, а Зоммерфельд в свою очередь попросил написать эту статью 20-летнего П. Тот быстро написал статью объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд охарактеризовал как «сделанную просто мастерски», а Эйнштейн похвалил.
В 1921 г., закончив докторскую диссертацию по теории молекулы водорода и получив докторскую степень в кратчайшие для университета сроки, П. отправился в Гёттинген, где занялся научными исследованиями совместно с Максом Борном и Джеймсом Франком. В конце 1922 г. он в Копенгагене работает в качестве ассистента у Нильса Бора. Работа под руководством Зоммерфельда, Борна, Франка и Бора пробудила у П. интерес к новой области физики – квантовой теории, которая занималась изучением атома и субатомных частиц, и он полностью погрузился в проблемы, встававшие перед физиками в этой области.
Хотя принципы классической физики позволяли удовлетворительно объяснять поведение макроскопических физических систем, попытки применить те же принципы к явлениям атомного масштаба терпели неудачу. Особенно сложной представлялась ядерная модель атома, по которой электроны вращались по орбитам вокруг центрального ядра. Согласно принципам классической физики, вращающиеся по орбитам электроны должны непрерывно испускать электромагнитные излучения, теряя при этом энергию и приближаясь по спирали к ядру. В 1913 г. Бор предположил, что электроны не могут непрерывно испускать излучение, поскольку они обязаны находиться на своих разрешенных орбитах; все промежуточные орбиты запрещены. Электрон может испустить или поглотить излучение, только сделав квантовый скачок с одной разрешенной орбиты на другую.
Модель Бора частично основывалась на изучении атомных спектров. Когда некий элемент нагревается и переходит в газо- или парообразное состояние, он излучает свет с характерным спектром. Этот спектр не представляет собой непрерывной цветовой области, подобной спектру Солнца, а состоит из последовательности ярких линий определенных длин волн, разделенных более широкими темными участками. Атомная модель Бора объясняла главную суть атомных спектров: каждая линия представляла свет, испускаемый атомом, когда электроны переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Более того, модель правильно предсказывала большую часть характерных черт простейшего атомного спектра – спектра водорода. В то же время с помощью этой модели менее успешно описывались спектры более сложных атомов.
Еще два существенных недостатка модели Бора помогли П. в дальнейшем внести свой значительный вклад в квантовую теорию. Во-первых, эта модель не могла объяснить некоторые тонкие детали в спектре водорода. Например, когда атомный газ помещали в магнитное поле, некоторые спектральные линии расщеплялись на несколько близко расположенных линий – эффект, впервые обнаруженный Питером Зееманом в 1896 г. Более важным, однако, было то, что устойчивость электронных орбит не находила полного объяснения. Хотя считалось очевидным, что электроны не могли падать по спирали на ядро, непрерывно испуская излучение, не было видно явной причины, почему бы им не опускаться скачками, переходя с одной разрешенной орбиты на другую и собираясь вместе в наинизшем энергетическом состоянии.
В 1923 г. П. стал ассистент-профессором теоретической физики в Гамбургском университете. Здесь он в начале 1925 г. занимался теоретическими исследованиями строения атомов и их поведения в магнитных полях, разрабатывая теорию эффекта Зеемана и других видов спектрального расщепления. Он выдвинул предположение, что электроны обладают неким свойством, которое позже Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек назвали спином, или собственным угловым моментом. В магнитном поле у спина электрона имеются две возможные ориентации: ось спина может быть направлена в ту же сторону, что и поле, или в противоположную сторону. Орбитальное движение электрона в атоме определяет еще одну ось, которая может быть ориентирована по-разному в зависимости от приложенного внешнего поля. Различные возможные комбинации спиновой и орбитальной ориентации слегка отличаются энергетически, что приводит к увеличению числа атомных энергетических состояний. Переходы электрона с каждого из этих подуровней на некоторую другую орбиту соответствуют слегка отличающимся длинам световых волн, чем и объясняется тонкое расщепление спектральных линий.
Вскоре после того, как П. ввел такое свойство «двузначности» электрона, он аналитически объяснил, почему все электроны в атоме не занимают наинизший энергетический уровень. В усовершенствованной им модели Бора допустимые энергетические состояния, или орбиты, электронов в атоме описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. Эти числа определяют основной энергетический уровень электрона, его орбитальный угловой момент, его магнитный момент и (в этом состоял вклад П.) ориентацию его спина. Каждое из этих квантовых чисел может принимать только определенные значения, более того, допустимы лишь некоторые комбинации данных значений. Он сформулировал закон, который стал известен как принцип запрета Паули и согласно которому никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Так, каждая оболочка в атоме может содержать лишь ограниченное число электронных орбит, определяемых допустимыми значениями квантовых чисел.
Принцип запрета Паули играет фундаментальную роль для понимания строения и поведения атомов, атомных ядер, свойств металлов и других физических явлений. Он объясняет химическое взаимодействие элементов и их прежде непонятное расположение в периодической системе. Сам П. использовал принцип запрета для того, чтобы понять магнитные свойства простых металлов и некоторых газов.
Вскоре после того, как П. сформулировал свой принцип запрета, квантовая теория получила солидное теоретическое обоснование благодаря работам Эр-вина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и П.А.М. Дирака. Теоретический аппарат, использованный ими для описания атомных и субатомных систем, стал называться квантовой механикой. Атомная модель Бора была заменена квантовомеханической моделью, которая успешнее предсказывала спектры и другие атомные явления. Что касается достижений П., то они позволили распространить квантовую механику на такие области, как физика частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Эти области стали известны как релятивистская квантовая электродинамика.
В 1928 г. П. сменил Питера Дебая на посту профессора Федерального технологического института в Цюрихе, на котором он оставался до конца жизни, за исключением двух периодов, проведенных в Соединенных Штатах; он провел академический 1935/36 г. в качестве приглашенного лектора в Институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и во время второй мировой войны, когда, опасаясь, что Германия вторгнется в Швейцарию, он вернулся в этот же институт, где возглавлял кафедру теоретической физики с 1940 по 1946 г.
В 30-е гг. он сделал еще один важный вклад в физику. Наблюдения над бета-распадом атомных ядер, при котором нейтрон в ядре испускает электрон, превращаясь при этом в протон, выявили очевидное нарушение закона сохранения энергии: после учета всех зарегистрированных продуктов распада энергия после распада оказывалась меньше своего значения до распада. В 1930 г. П. выдвинул гипотезу, согласно которой предполагалось, что при таком распаде испускается какая-то незарегистрированная частица (которую Энрико Ферми назвал нейтрино), уносящая потерянную энергию, и при этом закон сохранения момента импульса оставался в силе. В конце концов нейтрино удалось зарегистрировать в 1956 г.
В 1945 г. П. был награжден Нобелевской премией по физике «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули». Он не присутствовал на церемонии вручения премии, и ее от его имени получил сотрудник американского посольства в Стокгольме, В Нобелевской лекции, посланной в Стокгольм в следующем году, П. подвел итоги своих работ, касавшихся принципа запрета и квантовой механики.
П. стал швейцарским гражданином в 1946 г. В дальнейшей работе он стремился пролить свет на проблемы взаимодействия частиц высокой энергии и сил, с помощью которых они взаимодействуют, т.е. занимался той областью физики, которую сейчас называют физикой высоких энергий, или физикой частиц. Он также провел глубокое исследование той роли, которую в физике частиц играет симметрия. Обладая поистине фантастическими способностями и умением глубоко проникать в существо физических проблем, он был нетерпим к туманным аргументам и поверхностным суждениям. Он подвергал собственные работы такому беспощадному критическому анализу, что его публикации фактически свободны от ошибок. Коллеги называли его «совестью физики».
После развода, последовавшего за недолгим и несчастливым первым браком, П. в 1934 г. женился на Франциске Бертрам. Испытывая глубокий интерес к философии и психологии, он получал большое удовольствие от бесед со своим другом К.Г. Юнгом. Он также высоко ценил искусство, музыку и театр. Во время отпуска любил плавать, бродить по горам и лесам Швейцарии. Интеллектуальные способности П. находились в резком диссонансе с его «умением» работать руками. Его коллеги обычно шутили по поводу таинственного «эффекта Паули», когда одно только присутствие невысокого и полноватого ученого в лаборатории, казалось, вызывало всевозможные поломки и аварии. В начале декабря 1958 г. П. заболел и вскоре, 15 декабря, умер.
Кроме Нобелевской премии, П. был награжден медалью Франклина Франклиновского института (1952) и медалью Макса Планка Германского физического общества (1958). Он был членом Швейцарского физического общества, Американского физического общества, Американской ассоциации фундаментальных наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества.
Австрийско-швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули родился в Вене. Его отец, Вольфганг Йозеф Паули, был известным физиком и биохимиком, профессором коллоидной химии в Венском университете. Его мать, Берта (в девичестве Шютц) Паули, была писательницей, связанной с венскими театральными и журналистскими кругами. Герта, младшая сестра Паули, стала актрисой и писательницей. Эрнст Мах, знаменитый физик и философ, был его крестным отцом. В средней школе в Вене Паули проявил незаурядные математические способности, однако, находя классные занятия скучными, он переключился на самостоятельное изучение высшей математики и поэтому сразу прочитал только что опубликованную работу Альберта Эйнштейна по общей теории относительности.
В 1918 г. Паули поступил в Мюнхенский университет, где учился под руководством известного физика Арнольда Зоммерфельда . В это время немецкий математик Феликс Клейн был занят изданием математической энциклопедии. Клейн попросил Зоммерфельда написать обзор общей и специальной теории относительности Эйнштейна, а Зоммерфельд в свою очередь попросил написать эту статью 20-летнего Паули. Тот быстро написал статью объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд охарактеризовал как «сделанную просто мастерски», а Эйнштейн похвалил.
В 1921 г., закончив докторскую диссертацию по теории молекулы водорода и получив докторскую степень в кратчайшие для университета сроки, Паули отправился в Гёттинген, где занялся научными исследованиями совместно с Максом Борном и Джеймсом Франком. В конце 1922 г. он в Копенгагене работает в качестве ассистента у Нильса Бора . Работа под руководством Зоммерфельда, Борна, Франка и Бора пробудила у Паули интерес к новой области физики – квантовой теории, которая занималась изучением атома и субатомных частиц, и он полностью погрузился в проблемы, встававшие перед физиками в этой области.
Хотя принципы классической физики позволяли удовлетворительно объяснять поведение макроскопических физических систем, попытки применить те же принципы к явлениям атомного масштаба терпели неудачу. Особенно сложной представлялась ядерная модель атома , по которой электроны вращались по орбитам вокруг центрального ядра. Согласно принципам классической физики, вращающиеся по орбитам электроны должны непрерывно испускать электромагнитные излучения, теряя при этом энергию и приближаясь по спирали к ядру. В 1913 г. Бор предположил, что электроны не могут непрерывно испускать излучение, поскольку они обязаны находиться на своих разрешенных орбитах; все промежуточные орбиты запрещены. Электрон может испустить или поглотить излучение, только сделав квантовый скачок с одной разрешенной орбиты на другую.
Модель Бора частично основывалась на изучении атомных спектров. Когда некий элемент нагревается и переходит в газо- или парообразное состояние, он излучает свет с характерным спектром. Этот спектр не представляет собой непрерывной цветовой области, подобной спектру Солнца, а состоит из последовательности ярких линий определенных длин волн, разделенных более широкими темными участками. Атомная модель Бора объясняла главную суть атомных спектров: каждая линия представляла свет, испускаемый атомом, когда электроны переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Более того, модель правильно предсказывала большую часть характерных черт простейшего атомного спектра – спектра водорода. В то же время с помощью этой модели менее успешно описывались спектры более сложных атомов.
Еще два существенных недостатка модели Бора помогли Паули в дальнейшем внести свой значительный вклад в квантовую теорию. Во-первых, эта модель не могла объяснить некоторые тонкие детали в спектре водорода. Например, когда атомный газ помещали в магнитное поле, некоторые спектральные линии расщеплялись на несколько близко расположенных линий – эффект, впервые обнаруженный Питером Зееманом в 1896 г. Более важным, однако, было то, что устойчивость электронных орбит не находила полного объяснения. Хотя считалось очевидным, что электроны не могли падать по спирали на ядро, непрерывно испуская излучение, не было видно явной причины, почему бы им не опускаться скачками, переходя с одной разрешенной орбиты на другую и собираясь вместе в наинизшем энергетическом состоянии.
В 1923 г. Паули стал ассистент-профессором теоретической физики в Гамбургском университете. Здесь он в начале 1925 г. занимался теоретическими исследованиями строения атомов и их поведения в магнитных полях, разрабатывая теорию эффекта Зеемана и других видов спектрального расщепления. Он выдвинул предположение, что электроны обладают неким свойством, которое позже Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек назвали спином, или собственным угловым моментом. В магнитном поле у спина электрона имеются две возможные ориентации: ось спина может быть направлена в ту же сторону, что и поле, или в противоположную сторону. Орбитальное движение электрона в атоме определяет еще одну ось, которая может быть ориентирована по-разному в зависимости от приложенного внешнего поля. Различные возможные комбинации спиновой и орбитальной ориентации слегка отличаются энергетически, что приводит к увеличению числа атомных энергетических состояний. Переходы электрона с каждого из этих подуровней на некоторую другую орбиту соответствуют слегка отличающимся длинам световых волн, чем и объясняется тонкое расщепление спектральных линий.
Вскоре после того, как Паули ввел такое свойство «двузначности» электрона, он аналитически объяснил, почему все электроны в атоме не занимают наинизший энергетический уровень. В усовершенствованной им модели Бора допустимые энергетические состояния, или орбиты, электронов в атоме описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. Эти числа определяют основной энергетический уровень электрона, его орбитальный угловой момент, его магнитный момент и (в этом состоял вклад Паули) ориентацию его спина. Каждое из этих квантовых чисел может принимать только определенные значения, более того, допустимы лишь некоторые комбинации данных значений. Он сформулировал закон, который стал известен как принцип запрета Паули и согласно которому никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Так, каждая оболочка в атоме может содержать лишь ограниченное число электронных орбит, определяемых допустимыми значениями квантовых чисел.
Принцип запрета Паули играет фундаментальную роль для понимания строения и поведения атомов, атомных ядер, свойств металлов и других физических явлений. Он объясняет химическое взаимодействие элементов и их прежде непонятное расположение в периодической системе. Сам Паули использовал принцип запрета для того, чтобы понять магнитные свойства простых металлов и некоторых газов.
Вскоре после того, как Паули сформулировал свой принцип запрета, квантовая теория получила солидное теоретическое обоснование благодаря работам Эрвина Шрёдингера , Вернера Гейзенберга и П. А. М. Дирака . Теоретический аппарат, использованный ими для описания атомных и субатомных систем, стал называться квантовой механикой. Атомная модель Бора была заменена квантовомеханической моделью, которая успешнее предсказывала спектры и другие атомные явления. Что касается достижений Паули, то они позволили распространить квантовую механику на такие области, как физика частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Эти области стали известны как релятивистская квантовая электродинамика.
В 1928 г. Паули сменил Питера Дебая на посту профессора Федерального технологического института в Цюрихе, на котором он оставался до конца жизни, за исключением двух периодов, проведенных в Соединенных Штатах; он провел академический 1935/36 г. в качестве приглашенного лектора в Институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и во время второй мировой войны, когда, опасаясь, что Германия вторгнется в Швейцарию, он вернулся в этот же институт, где возглавлял кафедру теоретической физики с 1940 по 1946 г.
В 30-е гг. он сделал еще один важный вклад в физику. Наблюдения над бета-распадом атомных ядер, при котором нейтрон в ядре испускает электрон, превращаясь при этом в протон, выявили очевидное нарушение закона сохранения энергии: после учета всех зарегистрированных продуктов распада энергия после распада оказывалась меньше своего значения до распада. В 1930 г. Паули выдвинул гипотезу, согласно которой предполагалось, что при таком распаде испускается какая-то незарегистрированная частица (которую Энрико Ферми назвал нейтрино), уносящая потерянную энергию, и при этом закон сохранения момента импульса оставался в силе. В конце концов нейтрино удалось зарегистрировать в 1956 г.
В 1945 г. Паули был награжден Нобелевской премией по физике «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули». Он не присутствовал на церемонии вручения премии, и ее от его имени получил сотрудник американского посольства в Стокгольме, В Нобелевской лекции, посланной в Стокгольм в следующем году, Паули подвел итоги своих работ, касавшихся принципа запрета и квантовой механики.
Паули стал швейцарским гражданином в 1946 г. В дальнейшей работе он стремился пролить свет на проблемы взаимодействия частиц высокой энергии и сил, с помощью которых они взаимодействуют, т.е. занимался той областью физики, которую сейчас называют физикой высоких энергий, или физикой частиц. Он также провел глубокое исследование той роли, которую в физике частиц играет симметрия. Обладая поистине фантастическими способностями и умением глубоко проникать в существо физических проблем, он был нетерпим к туманным аргументам и поверхностным суждениям. Он подвергал собственные работы такому беспощадному критическому анализу, что его публикации фактически свободны от ошибок. Коллеги называли его «совестью физики».
После развода, последовавшего за недолгим и несчастливым первым браком, Паули в 1934 г. женился на Франциске Бертрам. Испытывая глубокий интерес к философии и психологии, он получал большое удовольствие от бесед со своим другом К. Г. Юнгом. Он также высоко ценил искусство, музыку и театр. Во время отпуска любил плавать, бродить по горам и лесам Швейцарии. Интеллектуальные способности Паули находились в резком диссонансе с его «умением» работать руками. Его коллеги обычно шутили по поводу таинственного «эффекта Паули», когда одно только присутствие невысокого и полноватого ученого в лаборатории, казалось, вызывало всевозможные поломки и аварии. В начале декабря 1958 г. Паули заболел и вскоре, 15 декабря, умер.
Кроме Нобелевской премии, Паули был награжден медалью Франклина Франклиновского института (1952) и медалью Макса Планка Германского физического общества (1958). Он был членом Швейцарского физического общества, Американского физического общества, Американской ассоциации фундаментальных наук, а также иностранным членом
