Wolfgang Pauli
Obsah boxu
Wolfgang Ernst Pauli (* 25. dubna 1900, Vídeň – 15. prosince 1958, Curych) byl rakousko-švýcarsko-americký teoretický fyzik a jeden z průkopníků kvantové mechaniky. Je nositelem Nobelovy ceny za fyziku za rok 1945, kterou obdržel za formulaci vylučovacího principu. Pauli je také známý svou prací na teorii spinu a postulováním existence neutrina. Patřil mezi nejvlivnější a zároveň nejkritičtější fyziky své doby.
🧬 Život
👶 Mládí a studium
Wolfgang Pauli se narodil ve Vídni do rodiny chemika Wolfganga Josepha Pauliho a jeho manželky Berthy Camilly Schützové. Jeho druhé jméno, Ernst, mu bylo dáno na počest jeho kmotra, slavného fyzika a filozofa Ernsta Macha.
Již v mládí projevoval mimořádný talent pro matematiku a fyziku. Absolvoval Döblinger-Gymnasium ve Vídni v roce 1918 a již dva měsíce po maturitě publikoval svůj první vědecký článek o obecné teorii relativity Alberta Einsteina.
Po střední škole nastoupil na Univerzitu Ludvíka Maxmiliána v Mnichově, kde studoval pod vedením Arnolda Sommerfelda. Zde se plně ponořil do problémů rodící se kvantové teorie. Již ve věku 21 let, ještě jako student, byl Sommerfeldem pověřen sepsáním encyklopedického článku o teorii relativity pro Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften. Výsledná 237 stran dlouhá monografie byla chválena samotným Einsteinem a dodnes je považována za klasické dílo. Doktorát získal v roce 1921 za práci o kvantové teorii ionizovaného molekulárního vodíku.
⚛️ Vědecká kariéra
Po získání doktorátu strávil rok na Univerzitě v Göttingenu jako asistent Maxe Borna a další rok v Kodani v institutu Nielse Bohra. Právě v tomto období se stal jedním z klíčových členů "kodanské školy", která formovala základy kvantové mechaniky.
V roce 1923 byl jmenován profesorem na Univerzitě v Hamburku. Během svého působení zde, v roce 1925, formuloval svůj nejslavnější objev – **vylučovací princip**, který vysvětluje strukturu elektronových obalů atomů a tím i podstatu periodické tabulky prvků.
Roku 1928 přijal profesuru teoretické fyziky na Spolkové vysoké technické škole v Curychu (ETH Zürich) ve Švýcarsku, která se stala jeho hlavním působištěm po zbytek života. Zde se v roce 1930 pokusil vyřešit záhadu zdánlivého porušení zákona zachování energie při beta rozpadu postulováním existence nové, elektricky neutrální a velmi lehké částice, kterou později Enrico Fermi nazval neutrino.
Po anšlusu Rakouska v roce 1938 se kvůli svému židovskému původu ocitl v nebezpečí. Druhou světovou válku strávil ve Spojených státech, kde působil na Institute for Advanced Study v Princetonu. V roce 1946 získal americké občanství, ale po válce se vrátil zpět do Curychu.
🤵 Osobní život a pozdější léta
Pauliho osobní život byl poznamenán vnitřními krizemi. Jeho první manželství s Käthe Deppnerovou v roce 1929 skončilo po necelém roce rozvodem. Tato událost spolu s matčinou sebevraždou ho uvrhla do hluboké deprese. Vyhledal pomoc u slavného psychoanalytika Carla Gustava Junga. Jejich setkání vedla k dlouholeté korespondenci, ve které se zabývali vztahem mezi fyzikou a psychologií, zejména sny, archetypy a konceptem synchronicity. V roce 1934 se oženil podruhé, s Franziskou Bertramovou, a toto manželství vydrželo až do jeho smrti.
Wolfgang Pauli zemřel 15. prosince 1958 v Curychu na rakovinu slinivky břišní. Traduje se, že když byl hospitalizován, s neklidem zjistil, že jeho pokoj má číslo 137. Číslo 1/137 je přibližná hodnota konstanty jemné struktury, čísla, které ho po celý život fascinovalo.
🔬 Vědecká práce
Pauliho příspěvky k fyzice jsou fundamentální a dalekosáhlé. Byl známý svou matematickou precizností a hlubokým fyzikálním vhledem.
exclusionary Pauliho vylučovací princip
V roce 1925 Pauli formuloval princip, který se stal jedním z pilířů moderní fyziky. Uvádí, že dva identické fermiony (částice s poločíselným spinem, jako jsou elektrony, protony a neutrony) nemohou zaujímat stejný kvantový stav současně. Tento princip je nezbytný pro vysvětlení:
- Struktury elektronových obalů atomů a tím i vlastností prvků v periodické tabulce.
- Stability hmoty, protože brání elektronům, aby se všechny zhroutily do nejnižšího energetického stavu.
- Vlastností bílých trpaslíků a neutronových hvězd, kde je gravitačnímu kolapsu bráněno tlakem degenerovaného elektronového, resp. neutronového plynu.
Za tento objev mu byla v roce 1945 udělena Nobelova cena za fyziku.
👻 Hypotéza neutrina
Na konci 20. let 20. století fyzici čelili problému: při beta rozpadu se zdálo, že se ztrácí energie. Niels Bohr dokonce uvažoval o tom, že zákon zachování energie na subatomární úrovni neplatí. Pauli přišel s radikálním řešením. V slavném dopise z roku 1930, adresovaném "drahým radioaktivním dámám a pánům", navrhl existenci nové částice. Měla být:
- Elektricky neutrální.
- Mít velmi malou, možná nulovou klidovou hmotnost.
- Mít spin 1/2.
- Velmi slabě interagovat s hmotou.
Tato "zoufale" navržená částice by odnášela chybějící energii. Pauli ji původně nazval "neutron", ale poté, co James Chadwick objevil skutečný neutron, Enrico Fermi navrhl pro Pauliho částici název neutrino (italsky "malý neutron"). Existence neutrina byla experimentálně potvrzena až v roce 1956.
🌀 Teorie spinu a Pauliho matice
Ačkoliv koncept spinu elektronu zavedli George Uhlenbeck a Samuel Goudsmit, byl to Pauli, kdo v roce 1927 vyvinul jeho matematický aparát. Zavedl tzv. Pauliho matice, což jsou matice 2x2, které popisují interakci spinu částice s vnějším elektromagnetickým polem. Tyto matice jsou základním nástrojem v kvantové mechanice a kvantové teorii pole.
🌌 Další příspěvky
- **Spin-statistický teorém (1940):** Dokázal fundamentální vztah mezi spinem částice a statistikou, které se řídí. Částice s celočíselným spinem (bosony) se řídí Bose-Einsteinovou statistikou, zatímco částice s poločíselným spinem (fermiony) se řídí Fermi-Diracovou statistikou (a tedy i vylučovacím principem).
- **Kvantová elektrodynamika:** Pauliho práce významně přispěla k rozvoji této teorie, i když se potýkal s problémy renormalizace.
👤 Osobnost a filozofie
💥 "Pauliho efekt" a kritický duch
Pauli byl proslulý svým perfekcionismem a nekompromisní kritikou. Byl znám jako "svědomí fyziky", protože nemilosrdně odhaloval jakoukoli chybu nebo nejasnost v práci svých kolegů. Jeho slavné výroky se staly legendárními:
- "Das ist nicht nur nicht richtig, es ist nicht einmal falsch!" ("To není jen nesprávné, to není ani chybné!") – o teorii, která byla tak špatně formulovaná, že ji nešlo ani testovat.
- "So jung und schon so unbekannt." ("Tak mladý a už tak neznámý.") – o práci mladého fyzika.
S jeho osobou je spojen i tzv. Pauliho efekt, což je humorné označení pro jeho údajnou schopnost způsobovat poruchy experimentálních zařízení pouhou svou přítomností. Ačkoliv jde o anekdotu, mnoho jeho kolegů ji bralo s humornou vážností.
🧠 Spolupráce s C. G. Jungem
Pauliho hluboký zájem o filozofii a psychologii ho přivedl ke Carlu G. Jungovi. Jejich korespondence, publikovaná pod názvem Atom a archetyp, je fascinujícím dialogem mezi dvěma velikány 20. století. Zkoumali paralely mezi koncepty moderní fyziky (např. princip komplementarity) a psychologickými koncepty, jako jsou archetypy a kolektivní nevědomí. Pauli věřil, že fyzika a psychologie jsou dvě různé, ale komplementární cesty k pochopení reality.
🏆 Ocenění a pocty
- Lorentzova medaile (1931)
- Nobelova cena za fyziku (1945)
- Franklinova medaile (1952)
- Medaile Maxe Plancka (1958)
- Byl členem Královské společnosti v Londýně.
🏛️ Odkaz
Wolfgang Pauli patří mezi nejdůležitější postavy fyziky 20. století. Jeho vylučovací princip je základem pro pochopení struktury hmoty, od atomů po neutronové hvězdy. Jeho odvážná hypotéza neutrina otevřela zcela nové pole částicové fyziky. Jeho kritický duch a neúprosná snaha o logickou konzistenci a jasnost pomohly formovat celou generaci fyziků a zajistily, že základy kvantové mechaniky byly postaveny na pevném základě.