ВОЛЬФГАНГ ПАУЛИ
ВОЛЬФГАНГ ПАУЛИ
(1900- 1958)
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…»
Зимой 1958 года великий физик заболел, и 15 декабря его не стало.