Паули Вольфганг

* * *

ПА́УЛИ (Pauli) Вольфганг (25 апреля 1900, Вена — 1958, Цюрих), один из крупнейших физиков-теоретиков 20 века, лауреат Нобелевской премии, член Лондонского королевского общества, автор ряда фундаменетальных работ по квантовой теории, теории относительности и физике элементарных частиц.

Вольфганг Паули родился в семье химика, профессора медицинской школы Венского университета. 18-ти лет Вольфганг окончил гимназию. К этому времени он уже направил в печать свою первую статью. Она была посвящена проблеме энергии гравитационного поля и свидетельствовала о высокой квалификации ее автора. Для дальнейшего обучения Паули выбрал Мюнхен. Там в это время работал Арнольд Зоммерфельд, основатель мюнхенской школы теоретической физики. Первые две работы, которые Паули выполнил в 1919 у Зоммерфельда, были посвящены некоторым попыткам обобщения общей теории относительности. В 1920 Паули по поручению Зоммерфельда начал работать над большой статьей по теории относительности для «Энциклопедии математических наук». Впоследствии эта статья многократно издавалась в виде книги и ее переводы вышли во многих странах. Нельзя не привести отзыв о ней Эйнштейна: «Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную книгу, вряд ли поверит, что ее автору всего 21 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 критики». Паули вновь обратился к теории относительности только через много лет.

В 1921 он переходит в Геттинген, где включается в работу под руководством «учителя гениев» Макса Борна. Такой громкий титул звучит чуть иронично, но, главное, он неточен. Действительно, и Паули, и Гейзенберг, и Иордан, да и другие исключительно талантливые молодые теоретики, окружавшие Борна, быстро миновав стадию ученичества, становились равноправными (а то и лидирующими) его сотрудниками. Именно в эти годы в Геттингене родилась матричная формулировка квантовой механики и новая — статистическая — ее интерпретация.

Паули уже с 1920 начал уделять все большее внимание проблеме атомов и спектров, и в 1924 эти исследования привели его к формулировке одного из важнейших законов физики микромира — к принципу, носящему его имя. Геттингентская группа работала в тесном научном сотрудничестве с Нильсом Бором, в Институт теоретической физики которого в Копенгагене после непродолжительной работы в Гамбурге и перешел Паули. Он проработал у Бора до 1923, когда ему было предоставлено место доцента в Гамбургском университете.

Уже после появления первой — полуклассической — модели атома Бора—Резерфрда возникла проблема объяснения периодической системы элементов Менделеева. Приняв, что электроны располагаются вокруг ядра атома на орбитах, нужно было объяснить, почему они, подчиняясь притяжению ядра, не перемещаются все на первую, ближайшую к нему орбиту. Для решения этой проблемы (потребовавшего от Паули таких усилий, что, как он писал, ему порой казалось, что он сойдет с ума) ему пришлось сделать еще один шаг в сторону от привычных классических представлений. В классической механике рассматриваются только «силовые» взаимодействия между частицами. Паули же ввел предположение, что два электрона не могут находиться в одном и том же состоянии, и это не имеет «силовой» природы, т. е. не является следствием какого-то отталкивания между ними. Дальнейшие исследования показали, что здесь существенную роль играет спин частиц, т. е. их собственный момент количества движения. У электронов он полуцелый, т.е. равен ђ/2 где ђ— Постоянная Планка. На частицы же с целым спином запрет Паули не распространяется — в любом состоянии их может быть сколько угодно. Примером таких частиц могут быть фотоны — их спин равен ђ. Именно Принцип Паули определяет распределение электронов в атомах. В состоянии с минимальной энергией может находиться максимум 2 электрона (у них противоположные направления спинов); такова ситуация в атоме гелия. Но у лития уже 3 электрона, два из которых могут находиться в состоянии с минимальной энергией («на основном уровне»), а третий должен занять следующий уровень; поэтому литий по химическим свойствам похож на водород — ведь эти свойства, во многом, определяются числом внешних электронов в атомах. (Для ряда атомов приходится учитывать еще и энергетические соображения).

Принцип Паули приобрел исключительное значение далеко не только в физике атомов где связь между химическими свойствами и расположением электронов была уже понята — хотя и не так глубоко — самим Бором. Этот принцип, лежащий в основе так называемой статистики Ферми—Дирака, играет принципиально важную роль в физике микромира. За открытие этого принципа Паули был удостоен в 1945 Нобелевской премии.

В 1923 Паули начал работать доцентом в Гамбургском университете, а в 1928 занял должность профессора Политехникума в Цюрихе. Круг его научных интересов продолжал расширяться, захватывая физику твердого тела, в частности, проблемы диа- и парамагнетизма, квантовую теорию поля, физику элементарных частиц. В 1927 он предложил обобщение Уравнения Шредингера, описывающее частицы с полуцелым спином. В 1930 г. он выступил с еще одной важнейшей идеей. К тому времени экспериментальные исследования бета-распада породили мнение, что энергия продуктов распада нейтрона—протона и электрона меньше начальной энергии. Высказывалось даже предположение, что в микромире закон сохранения энергии выполняется лишь в среднем, а в отдельных актах он может и нарушаться. Паули первым высказался против этой идеи. В письме участникам семинара в Тюбингене он сообщил о своей «отчаянной попытке» спасти закон сохранения энергии, выдвинув предположение, что в числе продуктов бета-распада есть и легкая незаряженная (и потому ускользающая от регистрации) частица, которая и уносит «недостающую» энергию. И здесь прозорливость Паули оправдывалась. Выяснилось вскоре, что он «спас» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике. Уже к 1933 ему удалось сформулировать основные свойства нейтрино, как впоследствии была названа гипотетическая частица. Но до прямого экспериментального доказательства ее существования понадобилось еще 20 лет.

В 1940 Паули выполнил много новых важных работ, в частности, доказал важную теорему о связи спина со статистикой. В 1941 он переехал в Америку, где получил в Принстоне должность приглашенного професора в Институте высших исследований. В 1945 Паули была присуждена Нобелевская премия. Паули оставался в Принстоне до 1946 г. Он занимался в это время преимущественно не конкретными задачами, а общими вопросами принципиального значения. В 1946 Паули вернулся в Цюрих, где проработал профессором Высшей технической школы до конца своих дней.

Автор: В.И. Григорьев