Вольфганг Паули

Вольфганг Паули (полное имя — Вольфганг Эрнст Паули; 25 апреля 1900, Вена — 15 декабря 1958, Цюрих) — австрийско-швейцарский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики и квантовой теории поля. Лауреат Нобелевской премии по физике 1945 года («за открытие принципа запрета, названного его именем»). Известен фундаментальными вкладами в теорию спина, теорию относительности, физику элементарных частиц и статистическую физику. Автор принципа Паули (принципа запрета), матриц Паули и гипотезы о существовании нейтрино.

Биография

Ранние годы и образование

Родился в Вене в семье учёных. Его отец, Вольфганг Йозеф Паули, был профессором физической химии Венского университета. Крёстным отцом будущего физика стал выдающийся австрийский физик и философ Эрнст Мах, в честь которого Паули получил второе имя. Уже в гимназии проявил выдающиеся способности к математике и физике. В 1918 году, сразу после окончания школы, опубликовал свою первую научную работу по теории относительности, которая привлекла внимание Альберта Эйнштейна.

В 1918–1921 годах учился в Мюнхенском университете под руководством Арнольда Зоммерфельда. В 1921 году защитил докторскую диссертацию по квантовой теории ионизированного молекулярного водорода. После защиты работал ассистентом у Макса Борна в Гёттингене и у Нильса Бора в Копенгагене.

Научная карьера

В 1923–1928 годах — приват-доцент, затем профессор Гамбургского университета. В 1925 году сформулировал принцип запрета, за который впоследствии получил Нобелевскую премию. В 1927 году ввёл матрицы Паули для описания спина электрона.

В 1928–1940 годах — профессор теоретической физики Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich). В 1930 году в письме участникам радиоактивной конференции в Тюбингене выдвинул гипотезу о существовании нейтрино — нейтральной частицы с очень малой массой, испускаемой при бета-распаде. Экспериментально нейтрино было обнаружено только в 1956 году.

С 1935 года — иностранный член-корреспондент Академии наук СССР. В 1938 году, после аншлюса Австрии нацистской Германией, получил швейцарское гражданство. Во время Второй мировой войны работал в Принстонском институте перспективных исследований (США), где занимался вопросами квантовой теории поля и теорией мезонов.

В 1945 году вернулся в Цюрих. В 1946 году стал гражданином Швейцарии. В 1949 году опубликовал монографию «Теория относительности», считающуюся классическим изложением общей теории относительности. В 1950-е годы активно занимался проблемами квантовой теории поля, аксиоматической квантовой теорией и теорией элементарных частиц.

Скончался 15 декабря 1958 года в Цюрихе от рака поджелудочной железы.

Основные научные достижения

Принцип запрета Паули

В 1925 году Паули сформулировал фундаментальный закон квантовой механики: в одной квантовой системе (атоме, молекуле, кристалле) не может находиться два или более фермиона (частиц с полуцелым спином) в одинаковом квантовом состоянии. Этот принцип объясняет периодическую таблицу Менделеева, структуру атомных оболочек, а также свойства вырожденного вещества (например, в белых карликах и нейтронных звёздах). За это открытие Паули был удостоен Нобелевской премии по физике 1945 года.

Матрицы Паули

В 1927 году ввёл набор из трёх эрмитовых матриц 2×2, описывающих операторы спина для частиц со спином ½ (например, электронов). Матрицы Паули являются базисом для алгебры Ли su(2) и широко используются в квантовой механике, квантовой теории поля и квантовой информатике.

Гипотеза нейтрино

В 1930 году для объяснения кажущегося нарушения закона сохранения энергии в бета-распаде выдвинул гипотезу о существовании нейтральной частицы с очень малой массой — нейтрино. В 1934 году Энрико Ферми включил эту частицу в свою теорию бета-распада. Экспериментально нейтрино было обнаружено в 1956 году Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом (Нобелевская премия 1995 года).

Квантовая теория поля

Внёс фундаментальный вклад в развитие квантовой электродинамики. Совместно с Виктором Вайскопфом показал, что при квантовании поля Дирака возникает необходимость введения античастиц. Работы Паули по регуляризации и перенормировке заложили основы современной квантовой теории поля.

Теория относительности

Автор классической монографии «Теория относительности» (1921, переиздана в 1958), в которой дано систематическое изложение специальной и общей теории относительности. Внёс вклад в теорию гравитации, в частности, в формулировку уравнений поля в вакууме.

Личность и стиль работы

Паули был известен своим острым критическим умом и бескомпромиссной требовательностью к научной строгости. Его коллеги часто называли его «совестью физики» за способность мгновенно находить логические ошибки в чужих работах. Известен анекдот о «эффекте Паули» — мистическом поверье среди физиков, что в присутствии Паули экспериментальное оборудование выходит из строя. Сам Паули относился к этому с иронией.

Паули вёл обширную переписку с ведущими физиками своего времени, включая Эйнштейна, Бора, Гейзенберга, Дирака и Ферми. Многие его письма содержат важные научные идеи, которые позже были развиты другими учёными.

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (1945)
• Медаль имени Макса Планка (1958)
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1953)
• Член Американской академии искусств и наук (1950)
• Иностранный член Академии наук СССР (1935)
• В честь учёного названы:
• Институт Вольфганга Паули (Вена)
• Премия Вольфганга Паули (Швейцария)
• Кратер Паули на обратной стороне Луны
• Астероид (12008) Паули
• Уравнение Паули (квантово-механическое уравнение для частицы со спином ½)

Критика и дискуссии

Паули был известен своим скептическим отношением к некоторым направлениям физики, в частности к теории скрытых параметров (квантовая механика, по его мнению, является полной теорией). Он вёл острую полемику с Альбертом Эйнштейном по вопросу о полноте квантовой механики, поддерживая копенгагенскую интерпретацию.

В последние годы жизни Паули проявлял интерес к психологии Карла Юнга и архетипам, что вызывало критику со стороны некоторых коллег, считавших это отходом от строгой науки.

Источники

• Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона (статья «Паули, Вольфганг»)
• Большая советская энциклопедия, 3-е издание (статья «Паули, Вольфганг»)
• Nobel Lectures, Physics 1942–1962, Elsevier Publishing Company, 1964
• Charles P. Enz, «No Time to Be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli», Oxford University Press, 2002
• Abraham Pais, «Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World», Oxford University Press, 1986