Αυτό το μήνα στην ιστορία φυσικής

Ιανουάριος 1925: O Wolfgang Pauli αναγγέλλει την απαγορευτική αρχή .

Ούτε ένα γέλιο; Ούτε ένα ποτό;

Θα σας μάθω φυσική σ’ ένα λεπτό…

Ντροπή σας, να κάθεστε έτσι ζαλισμένοι

Όταν θα έπρεπε να είστε όλοι συνεπαρμένοι!

Ψύλλοι πλακώσανε και γέμισαν τον τόπο

Από του Βερολίνου την παινεμένη ιδιοφυΐα

Κι ο άπιστος ο βασιλιάς τους έδωσε με τρόπο

Το όνομα του Πεδίου Ενοποίησης Θεωρία.

(Πάουλι/ Μέφιστο- Ο Φάουστ στην Μπλέγκντμσβεϊ *)

Το έτος 1925 ήταν σημαντικό για την κβαντική φυσική, αρχίζοντας με την ανακοίνωση της απαγορευτικής αρχής του Wolfgang Pauli τον Ιανουάριο. Αυτή η γνωστή αρχή, που δηλώνει ότι δυο ηλεκτρόνια του ίδιου ατόμου δεν μπορεί ποτέ να βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, παρείχε για πρώτη φορά μια θεωρητική βάση για τη δομή του περιοδικού πίνακα των στοιχείων.

Ο Wolfgang Pauli γεννήθηκε στη Βιέννη το 1900, το ίδιο έτος που γεννήθηκε και η κβαντική μηχανική με την ανακοίνωση της ιδέας του Planck για τα κβάντα ενέργειας. Ο πατέρας του Pauli ήταν παθολόγος και καθηγητής χημείας στο πανεπιστήμιο της Βιέννης, και ο νονός του ήταν Ernest Μach. Σαν παιδί θαύμα που ήταν όταν έπιανε τον εαυτό του να βαριέται στην τάξη, ο Pauli θα διάβαζε τα έγγραφα του Einstein για τη σχετικότητα.

Στην ηλικία των 20 ο Pauli, αργότερα ένας σπουδαστής του Arnold Sommerfeld στο πανεπιστήμιο του Μόναχου, είχε δημοσιεύσει τα έγγραφα για τη σχετικότητα και είχε γράψει ένα εγκυκλοπαιδικό άρθρο σχετικά με τη σχετικότητα που εντυπωσίασε πολύ άλλους φυσικούς, συμπεριλαμβανομένου του ίδιου του Albert Einstein. Έχοντας διδαχθεί κλασσική μηχανική και σχετικότητα, ο Pauli ήταν συγχυσμένος από την κβαντική μηχανική στην οποία τον εισήγαγε ο Sommerfeld, και στην αρχή βρήκε το θέμα συγκεχυμένο μάλλον.

Ενδεχομένως λόγω της λαμπρότητάς του, οι καθηγητές του Pauli και οι συνάδελφοι ανέχτηκαν μερικές από τις πιο ενοχλητικές συνήθειές του, όπως η συνήθειά του να κοιμάται εξαιρετικά αργά και σπάνια να παρουσιάζεται στις διαλέξεις πριν από το μεσημέρι.

Να πως περιγράφει ο Heisenberg το τρόπο ζωής του Pauli τότε:

Ο Βολφγκαγκ ήταν ένα χαρακτηριστικό πουλί της νύχτας. Προτίμησε την πόλη, γιατί του άρεσε να ξοδεύει το χρόνο του τα βράδια σε μερικά καφέ, και γιατί θα εργαζόταν έκτοτε πάνω στη φυσική με μεγάλη ένταση και μεγάλη επιτυχία. Ο Sommerfeld φοβόταν όμως ότι θα παρευρισκόταν σπάνια στις πρωινές διαλέξεις και δεν θα εμφανιζόταν μέχρι να γινόταν μεσημέρι.

Είχε πολύ επιθετικό ύφος και καυστικό χιούμορ και ήταν ο φόβος και ο τρόμος των ομιλητών στα σεμινάρια που παρακολουθούσε, διότι δε χάριζε κάστανα σε κανέναν. Η τάση του να επικρίνει επηρέασε σημαντικά τους μαθητές και τους συναδέλφους του, διότι με την ανελέητη κριτική του τους υποχρέωνε να εμβαθύνουν στα θέματα που μελετούσαν και να τα κατανοούν πληρέστερα. Ο Pauli είχε επίσης μια τέτοια καταπληκτική ροπή προς την πρόκληση των ατυχημάτων που οι επιστήμονες άρχισαν να θεωρούν ότι ακόμα και αν είχε έρθει κοντά στο εργαστήριό κάποιου σήμαινε και τη σίγουρη αποτυχία του πειράματος.

Αφού έλαβε το διδακτορικό του το 1921 και ξόδεψε κάποιο χρόνο σε Gottingen και έπειτα στην Κοπεγχάγη, ο Pauli υποστήριξε μια θέση στο πανεπιστήμιο του Αμβούργο το 1923. Έδωσε την πρώτη διάλεξή του εκεί σχετικά με τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, τον οποίο βρήκε ανεπαρκή επειδή η ατομική δομή των τροχιών του ηλεκτρονίου δεν έγινε κατανοητή. Το 1913,ο Bohr είχε προτείνει ότι τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να καταλάβουν μόνο ορισμένες κβαντικές τροχιές, αλλά δεν φαινόταν να υπάρχει κάποιος λόγος για τον οποίο όλα τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο δεν συσσωρεύονταν απλά στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Δεν υπήρξε καμία πειστική εξήγηση της δομής του περιοδικού πίνακα. Ο Pauli επίσης πρόσφατα είχε δουλέψειι στην προσπάθεια να εξηγηθεί η ανώμαλη επίδραση Zeeman, (μια συνέπεια του σπιν των ηλεκτρονίων) και πείστηκε ότι τα δύο προβλήματα συσχετίστηκαν κάπως.

Να τι λέει ο ίδιος γι' αυτό:

Μετά από την πρόσκληση του Bohr, έφθασα εκεί στο φθινόπωρο του 1922, όπου έκανα μια σοβαρή προσπάθεια να εξηγήσω το "ανώμαλο φαινόμενο Zeeman", ένας τύπο διαχωρισμού των φασματικών γραμμών μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, που είναι διαφορετικό από το κανονικό τρίδυμο.

Στα τέλη του 1924, ο Pauli έκανε ένα μεγάλο άλμα με την υποβολή προτάσεων της ιδέας μιας προσθήκης ενός τέταρτου κβαντικού αριθμού στους τρεις που χρησιμοποιούνταν για να περιγράψουν τη κβαντική κατάσταση ενός ηλεκτρονίου. Οι πρώτοι τρεις κβαντικοί αριθμοί είχαν νόημα φυσικά, δεδομένου ότι αφορούσαν την κίνηση του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα. Ο Pauli κάλεσε τη νέα κβαντική ιδιότητα του ηλεκτρονίου σπιν και η φυσική της σημασία δεν αναγνωρίστηκε αμέσως. Αργότερα μόνο, κατανοήθηκε πως πρόκειται για μια εσωτερική ιδιότητα την οποία έχουν όλα τα σωματίδια και η οποία δεν έχει ανάλογο στην κλασική φυσική. Σύντομα μετά από αυτή η πρόταση, ο Pauli συνειδητοποίησε ότι θα μπορούσε να οδηγήσει στη λύση του προβλήματος των κλειστών τροχιακών.

Κατόπιν τον Ιανουάριο του 1925, ανήγγειλε την απαγορευτική αρχή, δηλώνοντας ότι ποτέ δύο ηλεκτρόνια σε ένα άτομο δεν μπορούν να βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση δηλαδή, να χαρακτηρίζονται από τις ίδιες τιμές για τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς. Κάθε ηλεκτρόνιο έπρεπε να είναι σε μοναδική κατάσταση. Άλλες δυνατότητες αποκλείονται.

Ο προτεινόμενος τέταρτος κβαντικός αριθμός του Pauli τότε, μπέρδεψε τους φυσικούς, επειδή κανένας δε μπόρεσε να εξηγήσει τη φυσική σημασία του. Ο Pauli ο ίδιος ενοχλήθηκε από την ιδέα. Ο Pauli ενοχλήθηκε επίσης από το γεγονός ότι δεν θα μπορούσε να δώσει οποιαδήποτε λογική εξήγηση για την απαγορευτική αρχή ή να την αντλήσει από άλλους νόμους της κβαντικής μηχανικής, και παρέμεινε δυστυχισμένος για αυτό το πρόβλημα. Εν τούτοις, η αρχή λειτούργησε –αυτό εξήγησε τη δομή του περιοδικού πίνακα και είναι ουσιαστική για την εξήγηση άλλων ιδιοτήτων της ύλης.

Στα τέλη του 1925, ο Samuel Goudsmit και George Uhlenbeck, που εμπνεύστηκαν από την εργασία του Pauli, ερμήνευσαν τον τέταρτο κβαντικό αριθμό ως περιστροφή του ηλεκτρονίου. Ο Pauli εφάρμοσε αρχικά την απαγορευτική αρχή για να εξηγήσει τα ηλεκτρόνια στα άτομα, αλλά αργότερα επεκτάθηκε σε οποιοδήποτε σύστημα φερμιονίων, που έχουν ημιακέραιο σπιν (κι αυτό θα πει ότι η τιμή είναι ημιακέραιο πολλαπλάσιο ( 1/2 , 3/2, . . ) της σταθεράς ħ), αλλά όχι σε μποζόνια, τα οποία έχουν ακέραιο σπιν.

Στα δύο επόμενα έτη από την ανακοίνωση του Pauli της απαγορευτικής αρχής του, η νέα κβαντική μηχανική απογειώθηκε, με τη διατύπωση του Heisenberg της μηχανικής των μητρών (MATRIX), και την κυματική μηχανική του Schrödinger, η οποία βασίστηκε στην ιδέα του De Broglie's ότι η ύλη μπορεί να έχει κυματικές ιδιότητες.

Το 1928 ο Pauli μετακινήθηκε στη Ζυρίχη. Πέρασε το χρόνο κατά τη διάρκεια του 2^ου παγκόσμιου πόλεμου στις Ηνωμένες Πολιτείες, και επέστρεψε στη Ζυρίχη μετά τον πόλεμο. Το 1931, ο Pauli πρότεινε την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου, του νετρίνο (neutrino), ως λύση στην προφανή έλλειψη διατήρησης της ενέργειας στη βήτα διάσπαση.

Η περίοδος της επιστημονικής ανακάλυψης του νετρίνο από τον Pauli συνέπεσε με μια περίοδο αυξανομένων προσωπικών δυσκολιών για αυτόν. Ίσως συνεπεία του αποτυχημένου πρώτου του γάμου, άρχισε να πίνει και χρειάστηκε να συμβουλεύεται τον ψυχολόγο Carl Gustave Jung. Δεν θεραπεύτηκε από τον Jung, αλλά μάλλον από έναν βοηθό του. Εντούτοις, ο Pauli κράτησε σημειώσεις για πάνω από 1.000 όνειρα, που τα έστειλε στον Jung κατά τη διάρκεια μιας περιόδου πολλών ετών και ο Jung δημοσίευσε μια εργασία του, που βασίστηκε σε μερικά από αυτά τα όνειρα. Ο Pauli πίστευε σαφώς στην ψυχολογία όσο και στη φυσική. Έγραψε αργότερα σε μια επιστολή του:

Είναι προσωπική άποψή μου πως η επιστήμη του μέλλοντος ούτε θα είναι "ψυχική" ούτε "φυσική" αλλά κάπως και τα δύο μαζί.

Τα πράγματα πήγαν καλύτερα για τον Pauli αφότου παντρεύτηκε την δεύτερη γυναίκα του Franciska Bertram στις 4 Απριλίου του 1934. Σε αντίθεση με τον πρώτο καταστρεπτικό γάμο του ο δεύτερος γάμος τον βοήθησε και τον υποστήριξε ψυχολογικά.

Όταν πήρε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1945, είχε προταθεί από τον Einstein. Δεν πήγε όμως στη Στοκχόλμη για την τελετή των βραβείων το 1945 αλλά έγινε ειδική τελετή στο Princeton για αυτόν στις 10 Δεκεμβρίου.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 10 - 15 ετών ζωής του, ο Pauli πέρασε πολύ χρόνο μελετώντας την ιστορία και τη φιλοσοφία της επιστήμης. Το αρχικό σημείο του ήταν η φιλοσοφία της κβαντικής μηχανικής, αλλά αυτό τον οδήγησε στην ψυχολογία, την ιστορία των ιδεών και πολλά άλλα πεδία, ειδικά η σχέση της θρησκείας με τη φυσική επιστήμη.

Πέθανε στη Ζυρίχη στις 15 Δεκεμβρίου του 1958.

* Ο Φάουστ στηνΜπλέγκντμσβεϊ: Ένα δρώμενο που έστησαν οι νεαροί φυσικοί τον Απρίλιο του 1932, σε μια συνάντηση στην Κοπεγχάγη μιας και εκείνη την χρονιά συμπληρώνονταν 100 χρόνια από το θάνατο του Γκαίτε. Διοργάνωσαν ένα δρώμενο, μια πνευματώδη διασκευή του Φάουστ, προσαρμοσμένη στον κόσμο και στα ζητήματα της Φυσικής. Όπως στην εκδοχή του Γκαίτε, ο Μεφιστοφελής έχει τις πιο έξυπνες ατάκες, έτσι και στη συγκεκριμένη διασκευή ο τρόπος ομιλίας του Πάουλι ταίριαζε απόλυτα στο ρόλο.

Πηγές:

1. http://www.physics4u.gr/articles/2002/pauli.html
2. http://www.aps.org/publications/apsnews/200701/history.cfm
3. Segre,G,(2009), Ο Φάουστ στην Κοπεγχάγη, Τραυλός, Αθήνα.
4. SERWAY,R, Physics for Scientists and Engineers IV Σύγχρονη Φυσική, Εκδότης: ΚΟΡΦΙΑΤΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ