Александр Фомин - 100 знаменитых ученых

Бор не представил четкого объяснения устойчивости электронных орбит. Хотя было понятно, что электроны не могут упасть на ядро по спирали, но совсем не ясно, почему это невозможно в результате скачкообразного перехода с одной разрешенной орбиты на другую.

В 1924 году Паули ввел в квантовую механику понятие «новой степени свободы». В следующем году Г. Уленбек и С. Гудсмит определили ее как спин электрона.

Паули предложил принцип запрета, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином (их собственным моментом количества движения) не могут одновременно находиться в одном состоянии. Сформулированный для электронов в атоме, позже принцип Паули был распространен на любые частицы с полуцелым спином (фермионы). Электроны обладают полуцелым спином. На другие частицы с целым спином запрет Паули не распространялся.

В соответствии с принципом Паули, в магнитном поле у спина имеются две возможные ориентации: ось спина может быть направлена в ту же сторону, что и поле, либо в противоположную. Само движение электрона по орбите в атоме определяет еще одну ось, ориентация которой зависит от приложенного внешнего поля. Поскольку имеются различные комбинации ориентаций (спиновой и орбитальной), то это объясняет существование большого числа атомных энергетических состояний.

В своих последующих работах Паули показал, что принцип запрета является следствием связи спина и статистики Ферми – Дирака, существующей в релятивистской квантовой механике, а также дал аналитическое обоснование, почему электроны не занимают в атоме самый низкий энергетический уровень. Для этого ему пришлось усовершенствовать модель Бора.

Ученый предположил, что орбиты электронов в атоме описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. С помощью этих чисел определяется основной энергетический уровень электрона, его орбитальный угловой момент, его магнитный момент и ориентация его спина. Любое из этих квантовых чисел может принимать одно из определенных значений, при этом существуют только некоторые комбинации данных значений. Исходя из принципа запрета Паули, никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел, а любая из оболочек атома содержит количество орбит, определяемых значениями квантовых чисел.

Принцип запрета, разработанный Паули, сыграл главную роль в понимании закономерностей строения и поведения электронных оболочек атомов, атомных ядер, молекулярных спектров.

Принцип запрета лежит и в основе статистики Ферми – Дирака, которая сыграла важную роль в понимании физики микромира. Благодаря ему была разработана квантовая теория твердого тела, а также определена статистика для электронного газа, легло в основу объяснения тепловых, магнитных и электрических свойств твердых тел.

Благодаря работе Паули была объяснена система расположения элементов в периодической системе и их химическое взаимодействие.

Вместе со Шрёдингером, Гейзенбергом, Бором и Дираком Паули разработал теоретический аппарат, используемый для описания атомных и субатомных систем. После того как в 1926 году Гейзенберг предложил матричное представление квантовой механики, Паули использовал его для описания наблюдаемого спектра водорода.

В результате исследований этих ученых была создана квантово-механическая модель атома. Благодаря усилиям Паули квантовая механика нашла свое применение в областях науки, изучающих физику частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Позже эти области физики стали называться релятивистской квантовой электродинамикой.

В 1927 году Паули предложил обобщение уравнения Шрёдингера, описывающее частицы с полуцелым спином и ввел спиноры для описания спина электрона.

Множество идей Паули так и остались неопубликованными – ученый мало заботился о славе. Паули предпочитал переписываться с коллегами, не заботясь о том, что его идеи могут иметь огромное значение для научного мира.

После того как в 1928 году ученый занял должность профессора федерального Политехнического института в Цюрихе, круг его научных интересов значительно расширился. Паули стал интересоваться физикой твердого тела, в частности проблемами диа– и парамагнетизма, квантовой теорией поля и физикой элементарных частиц.

На посту профессора Цюрихского института он оставался до самой смерти, за исключением двух периодов, проведенных ученым в Соединенных Штатах Америки.

В 1930 году Паули совершил еще одно гениальное открытие. Многочисленные исследования бета-распада, проводившиеся в 1930-х годах, привели многих ученых к выводу, что суммарная энергия продуктов распада нейтрона – электрона и протона – меньше энергии нейтрона до распада. Это означало, что в отдельные моменты в микромире не выполняются законы сохранения энергии и импульса. Паули решительно воспротивился этой идее. В своем письме участникам семинара в Тюбингене он предположил, что в число продуктов бета-распада входит еще одна неизвестная частица. Поскольку в то время экспериментально доказать существование частицы было невозможным, ученый выдвинул гипотезу что она имеет слабый заряд и поэтому ее нельзя зарегистрировать.

Невозможность регистрации частицы объясняла потерю энергии. К 1933 году Паули сформулировал основные свойства частицы, которую Энрико Ферми назвал нейтрино. Экспериментально доказать существование нейтрино удалось только двадцать лет спустя – в 1956 году.

В 1940 году ученый доказал теорему связи спина со статистикой.

Опасаясь того, что немецкие войска вторгнутся в Швейцарию, ученый принял в 1941 году приглашение Принстонского университета и переехал в США. Вплоть до 1946 года Паули работал в Принстоне профессором в Институте фундаментальных исследований, возглавляя кафедру теоретической физики.

В 1945 году «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули» ученый был награжден Нобелевской премией по физике. Паули не поехал в Стокгольм на церемонию вручения премии, и она была передана ему через сотрудника американского посольства. В следующем году ученый отправил в Стокгольм свою нобелевскую лекцию «Принцип запрета и квантовая механика», в которой подвел итоги своих работ в области квантовой механики, в том числе разработок принципа Паули.

В 1946 году нобелевский лауреат вернулся в Цюрих, где принял швейцарское подданство и продолжил преподавательскую работу в Политехническом институте в Цюрихе.

В последних своих работах гениальный ученый развивал физику частиц и проводил исследования взаимодействия частиц высокой энергии и сил взаимодействия.