Чтение онлайн

В этом же году Паули решил продолжить свои научные исследования и поучиться у гениальнейших людей того времени. Он отправился в Геттинген, где стал ассистентом Макса Борна на кафедре теоретической физики Геттингенского университета. Также Паули работал вместе с Джеймсом Франком в его лаборатории в Геттингене.

В конце 1922 года после работы в Швейцарии Паули переезжает в Копенгаген, где поступает в ассистенты к «гению эпохи» Нильсу Бору в Институт теоретической физики. Кроме научных исследований, Паули помогал Бору переводить его работы на немецкий язык. Ассистентом у Бора Паули работал до 1923 года, когда ему предложили должность ассистент-профессора теоретической физики в Гамбургском университете.

Сотрудничество с Зоммерфельдом, Борном, Франком и Бором вызвало у молодого ученого еще больший интерес к микромиру атомов и субатомных частиц – к квантовой теории.

В 1924 году Паули сформулировал один из важнейших законов физики микромира, который носит его имя. Этому предшествовал целый ряд выдающихся открытий того времени.

После того как гениальный физик Резерфорд в 1911 году разработал планетарную модель атома, возникли новые вопросы, касающиеся явлений атомной проблематики. Согласно постулатам классической физики, электроны, располагающиеся на орбитах вокруг центрального ядра, должны непрерывно испускать электромагнитные излучения. При этом они должны терять энергию и, подчиняясь притяжению ядра, приближаться к нему по спирали.

В 1913 году Бор представил миру свою теорию, которая гласила, что электроны могут находиться только на определенных орбитах. В результате этого они не могут непрерывно испускать излучение. Переместиться с одной из орбит на другую электрон может лишь в случае квантового скачка.

С помощью модели Бора можно было предсказать характерные особенности простейших атомных спектров, например спектра водорода. Но применить модель к описанию сложных атомов не удавалось.

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.