Предсказавший существование нейтрино

Вольфганг Эрнст Паули (Wolfgang Ernst Pauli) родился 25 апреля 1900 г. в Вене в семье известного профессора фармакологии Вольфганга Йозефа Паули (1869—1955), родом из видной пражской семьи Пасхелес-Утиц, в 1898 году сменившего имя и незадолго до женитьбы в 1899 году принявшего католическую веру. Мать Вольфганга Паули — журналистка Берта Камилла Паули (урождённая Шютц, 1878—1927) — была дочерью известного литератора Фридриха Шютца (1844—1908). Младшая сестра Паули — Герта Паули (1906—1973) — также стала литератором. Второе имя Паули получил в честь своего крёстного отца, физика Эрнста Маха, который был в Праге учителем Паули-отца.

Паули был воспитан как католик, хотя в конце концов он и его родители покинули церковь. Он считается деистом (деизм — религиозно-философское направление, признающее существование Бога и сотворение им мира, но отрицающее большинство сверхъестественных явлений) и мистиком.

В 1910—1918 годах он учился в престижной венской федеральной гимназии Деблингер, где заслужил репутацию вундеркинда. Рассказывают, что однажды на уроке физики учитель сделал на доске ошибку, которую не смог отыскать, и в отчаянии воззвал: «Паули, ну скажите наконец, в чём ошибка! Вы наверняка уже давно её нашли». Среди одноклассников Паули был будущий лауреат нобелевской премии по химии 1938 года Рихард Кун.

В детстве Паули хотел стать актёром и вместе со своей младшей сестрой много занимался музыкой. Сестра стала актрисой, а Вольфганг поступил в Мюнхенский университет, где его учителем был А.Зоммерфельд. Среди учеников Зоммерфельда был Вернер Гейзенберг, ставший близким другом Паули.

Окончив в 1921 г. Мюнхенский университет, он получил приглашение стать ассистентом "учителя гениев" Макса Борна и переехал в Гёттинген. Год спустя (1922) Паули недолго преподавал в Гамбурге. Геттингентская группа работала в тесном научном сотрудничестве с Нильсом Бором, в Институт теоретической физики которого в Копенгагене после непродолжительной работы в Гамбурге и перешёл Паули. Он напряжённо обсуждал с Бором возможные объяснения аномального эффекта Зеемана.

Согласно принципам классической физики, вращающиеся по орбитам электроны должны непрерывно испускать электромагнитные излучения, теряя при этом энергию и приближаясь по спирали к ядру. В 1913 г. Бор предположил, что электроны не могут непрерывно испускать излучение, поскольку они обязаны находиться на своих разрешенных орбитах; все промежуточные орбиты запрещены. Электрон может испустить или поглотить излучение, только сделав квантовый скачок с одной разрешенной орбиты на другую.

Атомная модель Бора объясняла главную суть атомных спектров: каждая линия представляла свет, испускаемый атомом, когда электроны переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Более того, модель правильно предсказывала большую часть характерных черт простейшего атомного спектра – спектра водорода. В то же время с помощью этой модели менее успешно описывались спектры более сложных атомов.

Ещё два существенных недостатка модели Бора помогли Паули в дальнейшем внести свой значительный вклад в квантовую теорию. Во-первых, эта модель не могла объяснить некоторые тонкие детали в спектре водорода. Например, когда атомный газ помещали в магнитное поле, некоторые спектральные линии расщеплялись на несколько близко расположенных линий – эффект, впервые обнаруженный Питером Зееманом в 1896 г. Более важным, однако, было то, что устойчивость электронных орбит не находила полного объяснения.

У Бора он проработал до 1923, когда ему было предоставлено место доцента в Гамбургском университете. В это время немецкий математик Феликс Клейн был занят изданием математической энциклопедии. Клейн попросил Зоммерфельда написать обзор общей и специальной теории относительности Эйнштейна, а Зоммерфельд в свою очередь попросил написать эту статью 20-летнего Паули. Тот быстро написал статью объемом в 250 страниц, которую Зоммерфельд охарактеризовал как "сделанную просто мастерски", а Эйнштейн похвалил её, когда она была издана в виде книги во многих странах: "Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную книгу, вряд ли поверит, что её автору всего 21 год. Неизвестно, чему следует удивляться больше: глубокому психологическому пониманию хода развития идей, безупречности математических выводов, глубокому проникновению в физическую сущность явлений, способности ясно и систематически излагать предмет, эрудиции, полноте изложения, уверенности критики".

Работу засчитали в качестве магистерской диссертации. Через год Паули успешно защитил и докторскую диссертацию.

Звёздный час Паули наступил в 1925 году, когда он открыл новое квантовое число (позднее названное спином) и сформулировал фундаментальный принцип запрета Паули, объяснивший строение электронных оболочек атомов.

В 1923 - 1928 г.г. Паули - доцент Гамбургского университета. В 1928 г. Вольфганга Паули сменил Питера Дебая на посту профессора Федерального технологического института в Цюрихе, где он проработал до конца жизни, за исключением двух периодов, проведённых в Соединенных Штатах Америки: в 1935-1936 годах он был лектором в Институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) и во время Второй мировой войны, когда, опасаясь, что Германия вторгнется в Швейцарию, он вернулся в этот же институт, где возглавлял кафедру теоретической физики с 1940 по 1946 год.

В 1928 году Паули уехал в Швейцарию, где был назначен профессором цюрихской Высшей технической школы. Летом 1931 года он впервые посетил США, затем направился на международный конгресс по ядерной физике в Риме; там, как он с отвращением вспоминал, ему пришлось пожать руку Муссолини.

В молодые годы Паули был склонным к полноте человеком, губы у него были толстые, лицо широкое, глаза немного косили, и в них светился ум. В научных спорах он был бесподобен: для него никакого значения не имело правильное решение проблемы, если оно не было лаконичным, полным и безупречным логически. В Принстоне Паули приобрёл себе черного пуделя по кличке Бесси.

Он принимал участие в развитии квантовой механики, квантовой электродинамики, теории относительности, квантовой теории поля, теории твёрдого тела, ядерной физики, физики элементарных частиц.

Главной темой своего исследования Паули избрал аномальный эффект Зеемана – расщепление спектральных линий в магнитном поле. В те годы эта проблема стала средоточием всех трудностей старой квантовой теории. Паули выдвинул гипотезу ядерного спина. В 1924-1925 г.г. он сформулировал один из важнейших принципов современной теоретической физики, согласно которому две тождественные частицы с полуцелыми спинами не могут находиться в одном состоянии - принцип Паули.

Паули аналитически объяснил, почему все электроны в атоме не занимают наинизший энергетический уровень. В усовершенствованной им модели Бора допустимые энергетические состояния, или орбиты, электронов в атоме описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. Эти числа определяют основной энергетический уровень электрона, его орбитальный угловой момент, его магнитный момент и (в этом состоял вклад Паули) ориентацию его спина. Каждое из этих квантовых чисел может принимать только определенные значения, более того, допустимы лишь некоторые комбинации данных значений. Он сформулировал закон, который стал известен как принцип запрета Паули и согласно которому никакие два электрона в системе не могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Так, каждая оболочка в атоме может содержать лишь ограниченное число электронных орбит, определяемых допустимыми значениями квантовых чисел.

Принцип запрета Паули играет фундаментальную роль для понимания строения и поведения атомов, атомных ядер, свойств металлов и других физических явлений. Он объясняет химическое взаимодействие элементов и их прежде непонятное расположение в периодической системе. Сам Паули использовал принцип запрета для того, чтобы понять магнитные свойства простых металлов и некоторых газов.

Вскоре после того, как Паули сформулировал свой принцип запрета, квантовая теория получила солидное теоретическое обоснование благодаря работам Эрвина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и П. А. М. Дирака. Теоретический аппарат, использованный ими для описания атомных и субатомных систем, стал называться квантовой механикой. Атомная модель Бора была заменена квантовомеханической моделью, которая успешнее предсказывала спектры и другие атомные явления.

В 1945 году Паули был награжден Нобелевской премией по физике "за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули". Он не присутствовал на церемонии вручения премии, и её от его имени получил сотрудник американского посольства в Стокгольме. В Нобелевской лекции, посланной в Стокгольм в следующем году, Паули подвёл итоги своих работ, касавшихся принципа запрета и квантовой механики.

Принцип Паули был последним выдающимся достижением доквантовомеханической теории атома. Он стимулировал создание квантовой статистики Ферми и сделал возможным объяснение периодической таблицы Менделеева.

Паули объяснил структуру электронных оболочек атомов. Совместно с Э.Ферми ввёл представление о сильно вырожденном электронном газе в металлах. Создал теорию спина электрона. Совместно с В. Гейзенбергом заложил основы систематической теории квантования поля. В 1928 г. объяснил сверхтонкую структуру атомных спектров.

Достижения Паули позволили распространить квантовую механику на такие области, как физика частиц высокой энергии и взаимодействие частиц со светом и другими формами электромагнитных полей. Эти области стали известны как релятивистская квантовая электродинамика.

История атомной физики насчитывает немало взлетов и падений. Поскольку многие аспекты поведения элементарных частиц до сих пор не поддаются законами логики, ученые-первооткрыватели микромира договорились принимать их «как есть», без объяснения причин. Принцип Паули относится к результатам тех экспериментов, которые до сих пор не нашли своего единственного объяснения.

«Сразу же после появления матричной механики Гейзенберга возникла задача рассчитать с помощью нового математического аппарата спектр водородоподобных атомов, – пишет А.М. Франк. – Самому Гейзенбергу это не удавалось, и тогда этим занялся Паули. В период, когда техника матричного исчисления только осваивалась физиками, работа оказалась довольно трудной. Но Паули с ней быстро справился, и не только получил правильные значения для энергетических уровней, но и сумел учесть влияние на спектр электрических и магнитных полей. По словам Гейзенберга, его переписка с Паули, критические замечания и вопросы последнего сыграли огромную роль и в установлении принципа неопределенности. На V Сольвеевском конгрессе (Брюссель, 1927) Паули решительно поддержал ту интерпретацию квантовой механики, которая была предложена Бором, а в последующие годы был одним из основателей применения теоретико-групповых методов в квантовой механике».

Начиная с 1928 года, Паули занимал кафедру теоретической физики Высшей технической школы в Цюрихе, став преемником Минковского и Эйнштейна.

Однажды Паули сказал молодому физику, который поступал к нему на должность ассистента, что его обязанности не будут тяжёлыми: работа будет заключаться в том, что он должен сопровождать его в постоянных послеполуденных походах в кафе-мороженое и в плавательный бассейн, который Паули любил посещать, и по обязанности опровергать высказывания шефа с помощью самых веских аргументов.

Паули полагал, что все, кто ищет его совета, мыслят как он и прочитывал рукописи придирчиво, был безжалостен и язвителен. Бор и Гейзенберг ценили его критику, хотя она часто била по их самолюбию. Бор сравнивал Паули со скалой в разбушевавшемся море. Всех восхищала его честность, он всегда говорил именно то, что думает. Вот образец разговора Паули с Бором. Паули: «Замолчите! Не стройте из себя дурака!» «Но, Паули, послушайте ... », - пытается доказать свою точку зрения Бор. «Нет, это чушь. Не буду больше слушать ни слова». Он стал «совестью физики», часто отзывался о работах как о «совсем неверных», либо комментировал примерно так: «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!» В кругах его коллег ходила по этому поводу такая шутка: «После смерти Паули удостаивается аудиенции у Бога. Паули спрашивает Бога, почему постоянная тонкой структуры равна 1/137. Бог кивает, идёт к доске и начинает со страшной скоростью писать уравнение за уравнением. Паули смотрит сначала с большой удовлетворённостью, но вскоре начинает сильно и решительно отрицательно качать головой.

У Паули была привычка: когда он погружался в размышления, он начинал раскачиваться взад и вперёд на стуле. И чем глубже он уходил в мысли, тем сильнее раскачивался. Доски пола буквально ходили ходуном.

В том, что физики довольно быстро поверили в нейтрино, важную роль сыграл авторитет её изобретателя В. Паули. Человек весьма трудный в общении, он был очень требователен к своим ученикам и сотрудникам, не всегда считался с мнением коллег, тем более, что в его собственных работах ошибки были крайне редки.

В конце 1920-х годов наступил тяжёлый кризис в личной жизни Паули. В 1927 году его мать покончила с собой. Отец повторно женился, и его отношения с сыном заметно ухудшились. В 1929 году Паули женился на балерине Кэте Деппнер, вскоре жена ушла к своему старому приятелю, и в 1930 году супруги разошлись. У Паули началась депрессия, именно тогда он начал общение с психоаналитиком Карлом Густавом Юнгом, резко порвал с католической религией и стал злоупотреблять алкоголем.

В 1934 году он женился на Франциске Бертраме (1901—1987), этот союз оказался более успешным, чем первый, хотя детей у супругов не было.

Вскоре после начала войны, в 1940 году, Паули попытался оформить для себя и своей семьи швейцарское гражданство (взамен недействительного уже австрийского), но получил отказ, после чего решил покинуть Европу и уехать в США. Среди множества приглашений он выбрал принстонский Институт перспективных исследований. В США за 1938—1945 годы Паули опубликовал ряд выдающихся статей: о связи между спином и квантовой статистикой, о квантовой теории поля, по общей теории относительности (совместно с Эйнштейном). После войны Паули вернулся в Цюрих на прежнее место (1946 год).

Он стремился пролить свет на проблемы взаимодействия частиц высокой энергии и сил, с помощью которых они взаимодействуют, т.е. занимался той областью физики, которую сейчас называют физикой высоких энергий, или физикой частиц. Он также провёл глубокое исследование той роли, которую в физике частиц играет симметрия. Обладая поистине фантастическими способностями и умением глубоко проникать в существо физических проблем, он был нетерпим к туманным аргументам и поверхностным суждениям. Коллеги называли его "совестью физики".

Паули высоко ценил искусство, музыку и театр. Во время отпуска любил плавать, бродить по горам и лесам Швейцарии. Интеллектуальные способности Паули находились в резком диссонансе с его "умением" работать руками. Его коллеги обычно шутили по поводу таинственного "эффекта Паули", когда одно только присутствие невысокого и полноватого ученого в лаборатории, казалось, вызывало всевозможные поломки и аварии.

Известно, что Паули не допустили к разработке атомной бомбы. Не потому, что он был плохим учёным – как раз наоборот, учёным он был гениальным. Но вот его «эффект»… И хотя к данному «эффекту» коллеги относились как к анекдоту, тем не менее в Америке, где шла разработка бомбы и куда Паули был вынужден уехать во время Второй мировой войны, спасаясь от нацистов, решили, что рисковать не стоит.

Разумеется, почтенному и уважаемому Паули прямо об этом никто не сказал. Роберт Оппенгеймер, научный руководитель Манхэттенского проекта, занимавшегося разработкой ядерного оружия, лично написал Паули письмо, в котором подробно объяснил, почему именно его, Вольфганга Паули, более целесообразно оставить вне этой жутко засекреченной работы и чем он должен заниматься вместо изобретения бомбы…

В общем, когда остальные коллеги Паули трудились в секретной лаборатории, сам Паули… писал статьи дома. Качественные, чисто научные труды, зачастую под разными именами, которые публиковал в различных журналах, стремясь создать у немцев впечатление, будто учёные-физики в Америке не занимаются ничем таким подозрительным и никаких разработок не ведут.

Позже Паули был несказанно рад, что счастливо сумел избежать участия в создании этого поистине адского оружия.

Вольфганг Паули был ярко выраженным физиком-теоретиком и, как свойственно многим ученым этой категории, весьма презрительно относился к «сантехникам» (по его же выражению), марающим руки об экспериментальные установки. Снобизм Паули в отношении экспериментаторов, равно как и его полная неспособность заставить работать даже самую простую экспериментальную установку, вошли в легенду.

Барбара Клайн в книге "В поисках" пишет о Паули: "Внешне он очень напоминал Будду, но Будду, в глазах которого светился ум. В научных спорах Паули был бесподобен. … Он подвергал сомнению абсолютно всё. Он был безжалостен, бесчувствен, язвителен, но очень часто – полезен. Бор и Гейзенберг очень ценили критические замечания Паули, хотя они часто бывали весьма болезненными для самолюбия. Их восхищала неистовая честность учёного. Бор сравнивал Паули со скалой в разбушевавшемся море…".

Деловые письма Паули начинал с обращения «Уважаемые радиоактивные дамы и господа!» Гейзенберг, представивший на суд Паули одну из своих теорий, получил от него письмо, в котором был нарисован квадрат с пометкой «Я могу рисовать как Тициан». Внизу мелким почерком было приписано: «Не хватает только деталей». Он был заядлым курильщиком, гурман, не дурак выпить. Какой-то молодой человек попросил Паули о встрече в девять часов утра. Паули ответил: «Невозможно, это слишком поздно». У него было два брака и множество романов. Места его обитания: кафе-мороженое, бассейн, кабаре, театр, хорошие отели, дорогие рестораны, кресло психоаналитика.

Паули отличался редкой неспособностью делать что - либо своими руками. Всеми домашними делами занималась его вторая жена Франциска Бертран. Ближайшим другом и партнёром Паули по отдыху был известный немецкий философ психоаналитик Карл Юнг. В начале 30-х Паули начал сильно пить, из-за чего обратился за помощью к Карлу Юнгу, что стало началом их долгой и плодотворной дружбы. Карл Густав Юнг проанализировал четыреста снов Паули.

Мистика в жизни Паули, действительно, была. Точнее, мистика была в его снах. Начиная с 1946 года к нему в сновидениях стали являться два незнакомца – молодой блондин и более старший по возрасту бородатый брюнет восточной наружности, которого Паули условно назвал «Перс». Эти два загадочных человека принялись учить Паули «новой физике».

«Курс обучения» Паули описал в приватных письмах к своему другу Карлу Юнгу. Однако «ночная тайна» Паули до конца 1980-х годов была за «семью печатями», так как жена Паули почему-то крайне отрицательно относилась к увлечению мужа идеями Юнга и постаралась, чтобы эта часть биографии её знаменитого супруга была надолго скрыта от исследователей.

Последние 12 лет жизни Паули были посвящены развитию квантовой теории поля и преподаванию. Послушать его лекции приезжали студенты многих стран, и сам Паули много ездил по Европе с докладами и лекциями. В 1945 году учёный был удостоен Нобелевской премии по физике, после чего (1949) швейцарские власти признали его гражданином Швейцарии (гражданство США он получил только перед выездом, в январе 1946 года). Несколько раз (1949, 1953 и 1958 годы) снова побывал в Принстоне (шутил «я вернулся, чтобы похудеть»), там он обсуждал физические проблемы с теми коллегами, которые не решились вернуться в Европу после войны.

В 1958 году Паули был награждён медалью имени Макса Планка. В том же году он заболел раком поджелудочной железы. Когда его последний помощник, Чарльз Энц, посетил его в больнице Роткройц в Цюрихе, Паули спросил его: «Вы видели номер палаты?» Это был номер 137. На протяжении всей своей жизни Паули занимался вопросом, почему константа тонкой структуры, безразмерная фундаментальная константа, имеет значение, почти равное 1/137. Паули умер в этой палате 15 декабря 1958 года. Похоронен в Цюрихе.

Паули был членом Швейцарского физического общества, Американского физического общества, Американской ассоциации фундаментальных наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества.

Именем Паули названы аллея в Вене и улица в университетском городке Цюриха. В честь учёного в Гёттингене установлен памятный знак.

В 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Паули кратеру на обратной стороне Луны. Ежегодно в Высшей технической школе Цюриха проходит мемориальная лекция в память о Паули. В гамбургском университете имя Паули носит самый большой зал физического института.

Паули изображен на австрийской почтовой марке 1983 года. В физике его именем названы: уравнение, принцип, матрицы, теорема Людерса — Паули — Швингера (CPT-теорема), эффект Паули.

Рассказывают, что ...

• «Был в Геттингене. Пирожные и пиво превосходные. Физика, как всегда, никуда не годится» (из записки Паули Максу Борну).

• Паули был теоретиком, и его неспособность обращаться с приборами вошла в поговорку у друзей, которые утверждали, что стоит лишь ему войти в лабораторию, чтобы в ней что-нибудь переставало работать. Это явление окрестили "эффектом Паули" (в отличие от "принципа Паули").

Однажды в лаборатории Джеймса Франка в Гёттингене взорвалась установка. Оказалось, что это произошло в тот момент, когда поезд, в котором Паули ехал из Цюриха в Копенгаген, остановился на 8 минут в Гёттингене.

• Паули было всего 19 лет, когда Мюнхенский университет, где он учился, посетил знаменитый уже тогда А.Эйнштейн. Едва великий физик закончил свою лекцию по теории относительности, как Паули попросил слова и без тени смущения заявил: "Знаете ли, то, что рассказывал нам господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо".

• Как - то известный физик П. Эренфест, которому не понравилось поведение Паули, заметил ему:

• Ваши печатные труды мне нравятся намного больше, чем вы сами.

Ответ последовал немедленно:

• Странно! А мне как раз наоборот ...

• Одному физику Паули заявил:

• Я ничего не имею против того, что вы медленно соображаете, но я не выношу, когда вы печатаете свои статьи быстрее, чем их обдумываете ...

• Весной 1925 г. в письме к знакомому теоретику Паули написал: "Физика слишком трудна для меня, и я жалею, что не сделался комиком в кино или кем-нибудь в этом роде, лишь бы никогда и ничего не слышать больше о физике".

• Прочитав однажды работу молодого теоретика, Паули сказал грустно: "Это даже не неверно".

• У Паули была такая привычка: ходить вечером в кино, на концерт. Возвращался он часов в 11 и сразу же садился работать. Работал он довольно долго и потому вставал поздно. Однажды его пригласили на заседание в 9 часов утра, но он отказался, сказав: "Нет, нет, так долго без сна я не могу оставаться".

• Как - то раз Паули был в чужом городе и спросил местного физика, как ему найти кинотеатр. Тот объяснил и на следующий день спросил у Паули, удалось ли ему добраться. Паули ответил. "Вы выражаетесь вполне понятно, если не говорите о физике".

• Никто долго на Паули не обижался, вероятно, оттого, что он так же критически относился к самому себе и к своим идеям.

• Для доказательства того, что присутствие Паули действует не только на физиков, но и на приборы, однажды был подготовлен розыгрыш. Большие настенные часы в зале, где предполагалось выступление Паули, с помощью электрического реле соединили с дверью. Ожидалось, что когда он её откроет (а он был человеком пунктуальным), часы «испугаются» и встанут. Но этого не случилось - неожиданно отказало реле. «Этого и следовало ожидать, - смеялись слушатели, - сработал «эффект Паули».

• Известный немецкий физик Паскуаль Иордан выпустил в 1952 году книгу «Тяготение и космос». Несколько экземпляров оказались с типографским браком - отдельные страницы оказались пустыми. Один из таких экземпляров, не просмотрев предварительно и сделав дарственную надпись, автор послал в Швейцарию Вольфгангу Паули. Наткнувшись на пустые страницы, Паули заметил: «Иордан прекрасно понимает, что я и сам могу сообразить, что тут должно быть написано!».

• Однажды в Копенгагене пожилая женщина остановила шагавшего по улице со скорбным выражением лица В. Паули и спросила, какое горе постигло его. Паули только покачал головой, пожал плечами и пробормотал: «Мадам, я не могу понять аномального эффекта Зеемана».

• Нильс Бор: «Прогресс физики в нашем столетии характеризуется не только расширением круга познания, но главным образом и построением новых теоретических основ для анализа и синтеза экспериментальных данных. Вольфганг Паули… внес в этот прогресс огромный вклад не только собственными выдающимися работами, но и тем вдохновением и воодушевлением, которые мы все от него получали».

• Макс Борн: «Паули… общепризнан как наиболее критичный, логически и математически требовательный среди ученых, которые внесли вклад в квантовую механику».

• Виктор Вайскопф рассказывал о своей работе с Вольфгангом Паули: «Работать с Паули было восхитительно, абсолютно восхитительно! Ему можно было задавать любые вопросы, не боясь, что они покажутся ему глупыми. Дело в том, что он считал глупыми все вопросы».