Нобелевские лауреаты: Вольфганг Паули. Запрет и нейтрино

Наш нынешний герой рубрики «Как получить Нобелевку» прожил яркую, короткую и полную трагизма жизнь. Он был одним из величайших ученых своего времени — из тех, о ком слагают легенды и анекдоты. Был теоретиком, но предвосхитил множество открытий, объяснил, почему существуют химические элементы, и поучаствовал в создании психоаналитической теории.

Вольфганг Эрнст Паули

Родился 25 апреля 1900 года, Вена, Австро-Венгерская империя

Умер 15 декабря 1958 года, Цюрих, Швейцария

Нобелевская премия по физике 1945 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие принципа запрета, названного его именем» (for the discovery of the Exclusion Principle, also called the Pauli principle).

Наш герой родился перед самым наступлением XX века (как мы помним, это случилось 1 января 1901 года) в блистательной Вене, столице Австро-Венгерской империи, в семье выходца из известной пражской еврейской семьи Пасхелес, профессора химии Вольфганга Йозефа Паули и его супруги Берты Камиллы Шютц. Семья была известной (прадед Паули, Вольф Пасхелес, был известнейшим пражским издателем), и дети у них получились тоже на загляденье. Младшая сестра Вольфганга-младшего стала знаменитой актрисой и журналисткой, крестным отцом его стал известный физик и философ Эрнст Мах (в честь которого и поныне скорость звука называют Махом).

Ребенок рос вундеркиндом. Конечно, сыграла роль и школа, а точнее, пафосная венская гимназия Деблингер. Класс Паули особо отличился, дав сразу двух Нобелевских лауреатов: вместе с Вольфгангом учился и Рихард Кун, получивший своего «Нобеля» по химии семью годами раньше одноклассника. Но и в этой среде Вольфганг слыл гением. Говорили, что учитель физики, делая ошибку на доске, просил Паули ее найти, когда сам не мог.

Пока Вольфганг учился, началась и закончилась Первая мировая война, развалилась Австро-Венгерская империя. Он поступил в Мюнхенский университет, который в те времена был очень сильным. А еще там работал «делатель нобелевских лауреатов» Арнольд Зоммерфельд, который сразу же «выпихнул» гения в большую физику. Уже на втором курсе по его поручению Паули написал обзор по общей теории относительности (это в 1920 году). Говорят, он до сих пор считается классикой. Кроме этого, Зоммерфельд «подарил» Паули друга на долгие времена — Вернера Гейзенберга, который тоже учился у него. В 21 год Паули защитил диссертацию, тогда же стал ассистентом Макса Борна (Паули получил «Нобеля» быстрее своего босса).

В 25 лет (у нас обычно в это время еще диссертации не защищают) Паули сделал работу, которая принесла ему «Нобеля» в 45, обосновал «Нобеля» Отто Штерна (физика, 1943), ввел понятие спина и объяснил существование периодической системы.

Для начала давайте впомним опыт Штерна — Герлаха.

Он выглядел так: пучок атомов серебра проходил через сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом, и это поле вызывало отклонение атомов. Классическая теория предсказывала, что отклонение атомов с различными направлениями магнитного момента будет распределено непрерывно, что приведет к расширению узкого пучка. Квантовая теория предсказывала, что атомы будут отклоняться только одним из двух способов, то есть пучок расщепится на два. Так и вышло у Штерна и Герлаха, то есть опыт подтвердил квантование проекции вектора магнитного момента атомов. И Паули объяснил, почему так. Он ввел в квантовый мир нового игрока — спин, собственный квантовый момент импульса электрона.

И сформулировал запрет: две частицы с полуцелым спином в одной квантовой системе не могут находиться в одном квантовом состоянии. Что это означает? У каждого атома есть минимальная орбиталь для электрона. И на ней могут находиться всего два электрона — с противоположными спинами. Таким образом, самую нижнюю электронную оболочку в атоме могут занимать либо один электрон (и это атом водорода), либо два (гелий).

Следующий слой дает нам четыре орбитали: одну s-орбиталь и три p-орбитали. Их последовательное заполнение дает нам элементы второго периода таблицы Менделеева — от лития до неона. Так изящно молодой человек показал квантовую суть гениального прозрения нашего соотечественника, сделанного 149 лет назад.

Прошло еще пять лет. Пытаясь спасти закон сохранения энергии и импулься для бета-распада, Паули предположил, что во время превращения нейтрона в протон и электрон «улетает» еще одна легкая нейтральная частица. Позже Энрико Ферми назовет ее «нейтрончиком» по-итальянски — «нейтрино».

Так, к 30 годам он совершил два прорыва не просто нобелевского, а меганобелевского уровня. Казалось бы, Паули должен быть счастлив, однако именно в эти годы он находился в глубочайшей депрессии. В 1927 году покончила с собой его мать. В 1929 году он женился на балерине, но неудачно: она ему изменяла. Год спустя — развод, депрессия, алкоголь, Карл Густав Юнг.

Впрочем, знакомство с бунташным сотрудником Фрейда, кажется, пошло на пользу обоим. Переписка показала, что многие свои ключевые термины (синхронистичность, отчасти уточненные понятия об архетипах и коллективном бессознательном) Юнг взял из его эпистолярных бесед с Паули. А физик постепенно вышел из депрессии и даже повторно женился в 1933 году.

Дальше он путешествовал. Еврейские корни не дали бы ему спокойно жить в Германии, поэтому Швейцария и США стали его новыми родинами (первая страна предоставила ему гражданство после премии, американское он получил уже перед кончиной). Паули много преподавал и постоянно «мешал» теоретикам. «Эффект Паули» стал легендой, говорили, что даже проезд Паули в поезде мимо экспериментальной установки грозит ей поломкой. Шутки шутками, а когда теоретик входил в лабораторию, многие эксперименты и правда не получались.

Увы, жизнь великого физика оказалась короткой: он не дожил и до шестидесяти, рак убил его в 58. Тем не менее он успел в своей жизни, пожалуй, все. Жаль, что не успел больше.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.