Нобелови лауреати – 1945 година

Волфганг Паули (Wolfgang Pauli)

25 април 1890 г. – 15 декември 1958 г.

Нобелова награда за физика, 1945 г.

(За откритието на принципа за забраната, наречен още принцип на Паули.)

Австрийско-швейцарският физик Волфганг Ернст Паули е роден във Виена. Баща му, Волфганг Йозеф Паули, е известен физик и биохимик, професор по колоидна химия във Виенския университет. Майка му, Берта (Шутц) Паули, е писателка, която има връзки с виенските театрални и журналистически кръгове. Герта, по-малката сестра на Паули, става актриса и писателка. Ернст Мах, знаменит физик и философ, е негов кръстник. В средното училище във Виена Паули проявява изключителни математически способности, но като намира училищните занимания за скучни, започва да изучава самостоятелно висша математика и така прочита току-що публикуваната от Алберт Айнщайн обща теория за относителността.

През 1918 г. Паули се записва в Мюнхенския университет, където учи под ръководството на известния физик Арнолд Зомерфелд. По това време немският математик Феликс Клайн работи върху издаването на математическа енциклопедия. Клайн моли Зомерфелд да напише обзор за общата и специалната теория за относителността на Айнщайн, а Зомерфелд на свой ред моли да напише статията 20-годишния Паули. Той написва бързо статия от 250 страници, която Зомерфелд характеризира като "майсторски текст", а Айнщайн я похвалва.

През 1921 г., като завършва своята докторска дисертация за молекулите на водорода и получава докторска степен в най-кратък за университета срок, Паули заминава за Гьотинген, където започва научни изследвания заедно с Макс Борн и Джеймс Франк. В края на 1922 г. работи в Копенхаген като асистент на Нилс Бор. Работата под ръководството на Зомерфелд, Борн, Франк и Бор пробужда у Паули интерес към новата област във физиката - квантовата теория, която изследва атома и субатомните частици, и той се отдава изцяло на проблемите, които се изправят пред физиците в тази област.

Макар че принципите на класическата физика позволяват да се обясни удовлетворително поведението на микроскопичните физически системи, опитите да се приложат същите принципи към явленията от атомен мащаб търпят неуспех. Особено сложен изглежда ядреният модел на атома, според който около централно ядро обикалят по орбити електрони. Според принципите на класическата физика, обикалящите по орбити електрони трябва непрекъснато да излъчват електромагнитни вълни, като при това губят от енергията си и се приближават по спирала до ядрото. През 1913 г. Бор предполага, че електроните не могат да излъчват непрекъснато, защото трябва да се намират на своите разрешени орбити; всички междинни орбити са забранени. Електронът може да излъчва или да поглъща радиация, само когато направи квантов скок от една разрешена орбита на друга.

Моделът на Бор се основава частично на изучаването на атомните спектри. Когато даден елемент се нагрява и преминава в газообразно или парообразно състояние, той излъчва светлина с характерен спектър. Този спектър не е непрекъсната цветна област, какъвто е спектърът на Слънцето, а се състои от последователни ярки линии с определена дължина на вълната, разделени от по-широки тъмни участъци. Атомният модел на Бор обяснява основната същност на атомните спектри: всяка линия представлява светлина, излъчвана от атома, когато електроните преминават от една разрешена орбита на друга орбита с по-ниска енергия. Нещо повече, моделът предсказва правилно по-голямата част от характерните черти на най-елементарния атомен спектър - спектъра на водорода. Едновременно с това с помощта на този модел по-малко успешно се описват спектрите на по-сложните атоми.

Още два съществени недостатъка на модела на Бор помагат на Паули да допринесе по-нататък значително за развитието на квантовата теория. Първо, този модел не може да обясни някои прецизни детайли в спектъра на водорода. Например, когато атомният газ се намира в магнитно поле, някои спектрални линии се разделят на няколко близко разположени линии - ефект, открит за първи път от Питер Зееман през 1896 г. Но по-съществено е това, че устойчивостта на електронните орбити не намира пълно обяснение. Макар да се смята за очевидно, че електроните не могат да паднат по спирала върху ядрото, като излъчват непрекъснато, не се вижда явната причина защо не се спускат със скокове, преминавайки от една разрешена орбита на друга, при което биха се събрали заедно на най-ниското енергетично равнище.

През 1923 г. Паули става асистент професор по теоретична физика в Хамбургския университет. Там в началото на 1925 г. се занимава с теоретични изследвания на строежа на атомите и с тяхното поведение в магнитни полета, като разработва теорията за ефекта на Зееман и за други видове спектрални деления. Той изказва предположението, че електроните имат някакво свойство, което по-късно Самуел Гаудсмит и Джордж Уленбек наричат спин, или собствен ъглов момент. В магнитно поле спинът на електрона има две възможни ориентации: оста на спина може да бъде насочена в посока на полето или в противоположна посока. Орбиталното движение на електрона в атома определя още една ос, която може да бъде ориентирана различно в зависимост от приложеното външно поле. Различните възможни комбинации на спиновата и орбиталната ориентация се различават леко в енергетично отношение, което води до увеличаването на броя на атомните енергетични състояния. Преходите на електрона от всяко от тези подравнища на някоя друга орбита съответстват на леко различаващите се дължини на светлинните вълни, с което се обяснява и прецизното разделяне на спектралните линии.

Скоро след като въвежда свойството "двузначност" на електрона, Паули обяснява аналитично защо всички електрони в атома не заемат най-ниското енергетично равнище. В усъвършенствания от него модел на Бор допустимите енергетични състояния, или орбити, на електроните в атома се описват с четири квантови числа за всеки електрон. Тези числа определят основното енергетично равнище на електрона, неговия орбитален ъглов момент, неговия магнитен момент (тук е приносът на Паули) и ориентацията на неговия спин. Всяко от тези квантови числа може да приема само определени значения, нещо повече - допустими са само някои комбинации на тези значения. Той формулира закон, който става известен като принцип за забраната на Паули, според който два електрона в системата не могат да имат еднакви комплекти от квантови числа. Така всяка атомна обвивка може да съдържа само ограничен брой електронни орбити, определяни от допустимите значения на квантовите числа.

Принципът за забраната на Паули изиграва фундаментална роля за разбирането на строежа и на поведението на атомите, на атомните ядра, на свойствата на металите и на други физични явления. Той обяснява химическото взаимодействие между елементите и неразбираемото им преди това разположение в периодичната система. Самият Паули използва принципа за забраната, за да разбере магнитните свойства на простите метали и на някои газове.

Скоро след като Паули формулира своя принцип за забраната, квантовата теория получава солидна теоретична обосновка благодарение на изследванията на Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг и Пол Дирак. Теоретичните постановки, които те използват за описване на атомните и субатомните системи, започват да се наричат квантова механика. Атомният модел на Бор е заменен с квантовомеханичен модел, който предсказва успешно спектрите и други атомни явления. Що се отнася до постиженията на Паули, те позволяват да се разпространи квантовата теория върху области като физиката на частиците с висока енергия и взаимодействието на частиците със светлината и други форми на електромагнитните полета. Тези области стават известни като релативистична квантова електромеханика.

През 1928 г. Паули сменя Питър Дебай на поста професор във Федералния технологичен институт в Цюрих, на който пост остава до края на живота си, като се изключат двата периода, прекарани в Съединените щати; той прекарва академичната 1935/36 г. като гостуващ лектор в Института за фундаментални изследвания в Принстън (щат Ню Джърси), а по време на Втората световна война, когато се опасява, че Германия ще нахлуе в Швейцария, Паули се връща в същия институт, където оглавява катедрата по теоретична физика от 1940 до 1946 година.

През 30-те години Паули има още един важен принос за физиката. Наблюдението на бета-разпадането на атомните ядра, при което един неутрон от ядрото излъчва електрон, като се превръща в протон, разкрива очевидно нарушение на закона за запазването на енергията: след отчитане на всички регистрирани продукти енергията след разпадането се оказва по-малка от своето значение преди разпадането. През 1930 г. Паули предлага хипотеза, според която при бета-разпадането се излъчва нерегистрирана частица (Енрико Ферми я нарича неутрино), която съдържа изгубената енергия, и така законът за запазването на момента на импулса остава в сила. В крайна сметка неутриното е регистрирано през 1956 г.

Паули става швейцарски гражданин през 1946 г. В по-нататъшната си работа той се стреми да осветли проблемите на взаимодействието между частиците с висока енергия и силите, с помощта на които те взаимодействат, иначе казано - занимава се с тази област на физиката, която днес наричат физика на високите енергии, или физика на частиците. Той също изследва задълбочено ролята, която играе симетрията във физиката на частиците. Притежавайки наистина фантастични способности и умения за фундаментално проникване в същността на физическите проблеми, той е нетърпим към неясните аргументи и повърхностните съждения. Паули подлага на такъв безпощаден критичен анализ собствената си работа, че в публикациите му фактически не се срещат никакви грешки. Колегите му го наричат "съвестта на физиката".

След развод, който бележи края на един кратък и нещастен първи брак, през 1934 г. Паули се жени за Франциска Бертрам. Тъй като се интересува много от философия и психология, разговорите с неговия приятел Карл Густав Юнг му доставят истинско удоволствие. Той също така цени високо изкуството, музиката и театъра. По време на отпуските си обича да плува, да броди по планините и горите на Швейцария. Интелектуалните способности на Паули се намират в рязък дисонанс с "уменията" му да работи с ръцете си. Неговите колеги обикновено се шегуват за тайнствения "ефект на Паули", когато само присъствието на ниския и дебеличък учен в лабораторията като че ли предизвиква всевъзможни повреди и аварии. В началото на 1958 г. Паули се разболява и скоро умира.

Освен с Нобелова награда Паули е удостоен с медала Франклин на Франклиновия институт (1952 г.) и с медала Макс Планк на Германското физическо дружество (1958 г.). Той е член на Швейцарското физическо дружество, на Американското физическо дружество, на Американската асоциация за фундаментални науки, а също така е чуждестранен член на Лондонското кралско дружество.

Превод от руски: Павел Б. Николов