Лучшее, на что может надеяться большинство из нас в физике, — это просто неправильно понять на более глубоком уровне.
Wolfgang Ernst Pauli был австрийским, а позже американским и швейцарским теоретическим физиком и одним из пионеров квантовой физики. В 1945 году, после номинации Albert Einstein, Pauli получил Нобелевскую премию по физике за его «решающий вклад благодаря открытию нового закона природы — принципа исключения или принципа Pauli». Открытие включало теорию спина, которая является основой теории строения материи. Он также проявил выдающиеся способности в физике, получив докторскую степень в возрасте 21 года, несмотря на то, что закончил среднюю школу в 18 лет, что было примерно средним возрастом для окончания.
Биография
Ранние годы
Pauli родился в Vienna в семье химика Wolfgang Joseph Pauli, известного ранее как Wolf Pascheles, 1869–1955 и его жены Bertha Camilla Schütz; его сестра была Hertha Pauli, писательница и актриса. Среднее имя Pauli было дано в честь его крестного отца, физика Ernst Mach. Дедушка и бабушка Pauli по отцовской линии были из известных еврейских семей Prague; его прапрадед был еврейским издателем Wolf Pascheles. Отец Pauli перешел из иудаизма в католицизм незадолго до своей женитьбы в 1899 году. Мать Pauli, Bertha Schütz, была воспитана в католической религии своей собственной матери; её отец был еврейский писатель Friedrich Schütz. Pauli был воспитан католиком, хотя со временем он и его родители покинули Церковь. Считается, что он был деистом и мистиком.
Pauli посещал Döblinger-Gymnasium в Vienna, окончив его с отличием в 1918 году. Всего через два месяца после окончания он опубликовал свою первую работу по теории общей относительности Albert Einstein. Он учился в Ludwig-Maximilians University в Munich, работая под руководством Arnold Sommerfeld, где получил докторскую степень в июле 1921 года за диссертацию по квантовой теории ионизированного двухатомного водорода H+2.
Sommerfeld попросил Pauli написать обзор теории относительности для Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften Encyclopedia of Mathematical Sciences. Через два месяца после получения докторской степени Pauli завершил статью объёмом 237 страниц. Её похвалил Einstein; опубликованная как монография, она остаётся стандартным справочником по этому предмету по сей день.
Pauli провел год в University of Göttingen в качестве ассистента Max Born и следующий год в Institute for Theoretical Physics в Copenhagen, который позже стал Niels Bohr Institute в 1965 году. С 1923 по 1928 год он был лектором в University of Hamburg. В этот период Pauli сыграл инструментальную роль в развитии современной теории квантовой механики. В частности, он сформулировал принцип исключения и теорию нерелятивистского спина.
В 1928 году он был назначен профессором теоретической физики в ETH Zurich в Switzerland, где достиг значительного научного прогресса. Он занимал должности приглашенного профессора в University of Michigan в 1931 году и в Institute for Advanced Study в Princeton в 1935 году. Ему была присуждена медаль Lorentz в 1931 году.
В конце 1930 года, вскоре после его постулирования антинейтрино и сразу же после его развода и самоубийства матери, Pauli пережил личный кризис. Он консультировался с психиатром и психотерапевтом Carl Jung, который, как и Pauli, жил неподалеку от Zurich. Jung немедленно начал интерпретировать глубоко архетипичные сны Pauli, и Pauli стал одним из лучших студентов Jung. Вскоре он начал научно критиковать эпистемологию теории Jung, что способствовало уточнению мыслей последнего, особенно о концепции синхронистичности. Большая часть этих обсуждений задокументирована в письмах Pauli/Jung, сегодня опубликованных как Atom and Archetype. Подробный анализ Jung более чем 400 снов Pauli задокументирован в Psychology and Alchemy.
Аннексия Austria Германией в 1938 году сделала его немецким гражданином, что стало для него проблемой в 1939 году после начала Second World War. В 1940 году он безуспешно пытался получить швейцарское гражданство, что позволило бы ему остаться в ETH.
Pauli переехал в United States в 1940 году, где работал профессором теоретической физики в Institute for Advanced Study. В 1946 году, после войны, он стал натурализованным гражданином United States и впоследствии вернулся в Zurich, где остался на большую часть оставшейся жизни. В 1949 году ему было предоставлено швейцарское гражданство.
В 1958 году Pauli была присуждена медаль Max Planck. В том же году он заболел раком поджелудочной железы. Когда его последний ассистент, Charles Enz, посетил его в больнице Rotkreuz в Zurich, Pauli спросил его: «Ты видел номер комнаты?» Это был номер 137. На протяжении всей своей жизни Pauli был озабочен вопросом о том, почему постоянная тонкой структуры, безразмерная фундаментальная константа, имеет значение, близкое к 1/137. Pauli умер в этой комнате 15 декабря 1958 года.
Научные исследования
Pauli внёс много важных вкладов как физик, в основном в области квантовой механики. Он редко публиковал статьи, предпочитая длительную переписку с коллегами, такими как Niels Bohr и Werner Heisenberg, с которыми у него были близкие дружеские отношения. Многие из его идей и результатов никогда не публиковались и появлялись только в его письмах, которые часто копировались и распространялись их получателями.
Pauli предложил в 1924 году новую степень свободы квантовой механики или квантовое число с двумя возможными значениями для разрешения несоответствий между наблюдаемыми молекулярными спектрами и развивающейся теорией квантовой механики. Он сформулировал принцип исключения Pauli, возможно, его наиболее важную работу, которая гласила, что два электрона не могут существовать в одном и том же квантовом состоянии, определяемом четырьмя квантовыми числами, включая его новую двузначную степень свободы. Идея спина исходила от Ralph Kronig. George Uhlenbeck и Samuel Goudsmit год спустя определили новую степень свободы Pauli как спин электрона, открытие, в которое Pauli очень долго ошибочно отказывался верить.
В 1926 году, вскоре после того, как Heisenberg опубликовал матричную теорию современной квантовой механики, Pauli использовал её для получения наблюдаемого спектра атома водорода. Этот результат был важен для обеспечения доверия к теории Heisenberg.
Pauli ввёл матрицы Pauli 2 × 2 в качестве основы операторов спина, таким образом решив нерелятивистскую теорию спина. Эта работа, включая уравнение Pauli, иногда считается повлиявшей на Paul Dirac при создании уравнения Dirac для релятивистского электрона, хотя Dirac заявил, что независимо изобрёл эти же матрицы самостоятельно в то время, без влияния Pauli. Dirac изобрёл подобные, но большие матрицы спина 4x4 для использования в его релятивистском лечении спина фермионов.
В 1930 году Pauli рассмотрел проблему бета-распада. В письме от 4 декабря Lise Meitner и др., начинающемся со слов «Дорогие радиоактивные дамы и господа», он предложил существование неизвестной до тех пор нейтральной частицы с малой массой, не превышающей 1% массы протона, для объяснения непрерывного спектра бета-распада. В 1934 году Enrico Fermi включил частицу, которую он назвал антинейтрино, «маленькая нейтральная» на родном итальянском Fermi, в его теорию бета-распада. Антинейтрино было впервые экспериментально подтверждено в 1956 году Frederick Reines и Clyde Cowan, за два с половиной года до смерти Pauli. Получив известие, он ответил телеграммой: «Спасибо за сообщение. Всё приходит к тому, кто умеет ждать. Pauli.»
В 1940 году он повторно вывел теорему о статистике спина, критический результат квантовой теории поля, который гласит, что частицы с полуцелым спином являются фермионами, а частицы с целым спином — бозонами.
В 1949 году он опубликовал статью о регуляризации Pauli–Villars: регуляризация — это термин для методик, которые модифицируют бесконечные математические интегралы, чтобы сделать их конечными во время расчётов, так чтобы можно было определить, образуют ли внутренне бесконечные величины в теории — масса, заряд, волновая функция — конечный и, следовательно, вычислимый набор, который можно переопределить в терминах их экспериментальных значений, критерий, называемый перенормировкой, и который удаляет бесконечности из квантовых теорий поля, но также важно позволяет вычислять поправки более высокого порядка в теории возмущений.
Pauli неоднократно критиковал современный синтез эволюционной биологии, и его современные сторонники указывают на способы эпигенетического наследования как подтверждающие его аргументы.
Личность и репутация
Эффект Pauli был назван в честь анекдотической странной способности его ломать экспериментальное оборудование просто тем, что находится поблизости. Pauli знал о своей репутации и был в восторге, когда проявлялся эффект Pauli. Эти странные события были в соответствии с его противоречивыми исследованиями законности парапсихологии, в частности его сотрудничеством с C. G. Jung по концепции синхронистичности.
Что касается физики, Pauli был известен как перфекционист. Это распространялось не только на его собственную работу, но и на работу его коллег. В результате он стал известен в физическом сообществе как «совесть физики» — критик, перед которым его коллеги были ответственны. Он мог быть едким в своём отрицании любой теории, которую он считал неполной, часто называя её ganz falsch, совершенно неправильной.
Однако это была не его самая суровая критика, которую он берёг для теорий или тезисов, представленных настолько неясно, что их невозможно проверить или оценить и, таким образом, они не принадлежат должным образом в области науки, даже если выдают себя за таковые. Они были хуже, чем неправильные, потому что их нельзя было доказать неправильными. Известно, что он однажды сказал о такой неясной статье: «Это даже не неправильно!»
Его предполагаемое замечание при встрече с другим ведущим физиком, Paul Ehrenfest, иллюстрирует это понятие об высокомерном Pauli. Двое встретились на конференции в первый раз. Ehrenfest был знаком с работами Pauli и был ими вполне впечатлен. После нескольких минут разговора Ehrenfest заметил: «Думаю, мне больше нравится твоя статья в Энциклопедии, чем ты сам», на что Pauli ответил: «Странно. А со мной, что касается тебя, всё как раз наоборот.» С тех пор они стали очень хорошими друзьями.
Несколько более тёплая картина вырисовывается из этой истории, которая появляется в статье о Dirac:
Werner Heisenberg [в Physics and Beyond, 1971] вспоминает дружеский разговор среди молодых участников конференции Solvay 1927 года о взглядах Einstein и Planck на религию. Wolfgang Pauli, Heisenberg и Dirac участвовали в нём. Вклад Dirac был проникновенной и ясной критикой политического манипулирования религией, которую Bohr высоко оценил за его ясность, когда Heisenberg рассказал ему об этом позже. Помимо прочего, Dirac сказал: «Я не могу понять, почему мы здесь впустую обсуждаем религию. Если мы честны — а как учёные честность — это наш точный долг — мы не можем не признать, что любая религия — это набор ложных утверждений, лишённых какого-либо реального основания. Сама идея Бога — это продукт человеческого воображения. [ ... ] Я не признаю никакого религиозного мифа, по крайней мере потому, что они противоречат друг другу. [ ... ]» Взгляд Heisenberg был толерантен. Pauli молчал, после некоторых первоначальных замечаний. Но когда наконец его попросили высказать своё мнение, он пошутил и сказал: «Ну, я бы сказал, что наш друг Dirac тоже имеет религию и первая заповедь этой религии — «Бога не существует, и Paul Dirac — его пророк»». Все рассмеялись, включая Dirac.
Многие из идей и результатов Pauli никогда не публиковались и появлялись только в его письмах, которые часто копировались и распространялись их получателями. Pauli, возможно, был не озабочен тем, что большая часть его работы так и не получила признания, но когда дело дошло до знаменитой лекции Heisenberg в 1958 году в Göttingen об их совместной работе по единой теории поля, и пресс-релиз, называющий Pauli всего лишь «ассистентом профессора Heisenberg», Pauli обиделся, осуждая физические способности Heisenberg. Ухудшение между ними привело к тому, что Heisenberg проигнорировал похороны Pauli и написал в своей автобиографии, что критика Pauli была преувеличена, хотя в конечном итоге теория поля оказалась несостоятельной, подтверждая критику Pauli. Pauli был избран иностранным членом Royal Society ForMemRS в 1953 году. В 1958 году он стал иностранным членом Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences.
Личная жизнь
В мае 1929 года Pauli покинул католическую церковь. В декабре того же года он женился на Käthe Margarethe Deppner, артистке варьете. Брак был несчастливым и закончился разводом в 1930 году после менее чем года. Он снова женился в 1934 году на Franziska Bertram 1901–1987. У них не было детей.
Библиография
- Pauli, Wolfgang; Jung, C. G. 1955. The Interpretation of Nature and the Psyche. Ishi Press. ISBN 4-87187-713-2.
- Pauli, Wolfgang 1981. Theory of Relativity. New York: Dover Publications. ISBN 0-486-64152-X.
- Pauli, Wolfgang; Jung, C. G. 2001. C. A. Meier ed.. Atom and Archetype.
