Wolfgang Pauli (1900-1958)
Ο διάδοχος του βασιλιά

Άρθρο, Νοέμβριος 2002

Ένας από τους κορυφαίους θεωρητικούς φυσικούς του 20ου αιώνα και θεμελιωτής της Κβαντικής Θεωρίας μαζί με τους Bohr, Heisenberg, Dirac, Born, Schrödinger και άλλους πολλούς. Ο Max Born θεωρούσε ότι ο Πάουλι ήταν, ίσως, ένας επιστήμονας μεγαλύτερος από τον Αϊνστάιν. "Αλλά ήταν ένας τελείως διαφορετικός τύπος ανθρώπου", έγραψε γι' αυτόν ο Born, "που στα μάτια μου, δεν έφθανε τη μεγαλοπρέπεια του Αϊνστάιν".

Ο ίδιος ο Πάουλι έγραφε σε ένα γράμμα του το 1955 προς τον Max Born: "Δεν θα ξεχάσω ποτέ το λόγο του Αϊνστάιν, που έδωσε στο Princeton το 1945 όταν κέρδισα το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Ήταν σαν την παραίτηση ενός βασιλιά, που εγκαθιστά τον εκλεγμένο γιο του, ως διάδοχό του".

Ο "βασιλιάς" ήταν, φυσικά, ο Αϊνστάιν 66 ετών τότε. Η κληρονομιά του ήταν η φυσική και ο Pauli ήταν ο διορισμένος κληρονόμος του. Η περίπτωση που αναφέρεται ο Πάουλι ήταν ένα συμπόσιο στο Princeton για να τιμηθεί ο Pauli, στον οποίο είχε απονεμηθεί το βραβείο για την ανακάλυψή της απαγορευτικής αρχής. Το 1969, έντεκα έτη μετά από το θάνατο του Pauli, ο Born σχολίασε, "από την εποχή που ήταν ο βοηθός μου στο Göttingen, ήξερα ότι ήταν μια μεγαλοφυΐα, που συγκρινόταν μόνο με τον ίδιο τον Einstein".

Ποιος όμως ήταν αυτός ο πρίγκιπας της φυσικής ο θάνατος του οποίου το 1958 πέρασε απαρατήρητος από τους New York Times ;

Το έργο του

Ο Pauli αναγνωρίστηκε ως ένας από τους ηγέτες της κοινότητας των φυσικών από τα μέσα της δεκαετίας του '20, όταν σε ηλικία 24 ετών δημοσίευσε την απαγορευτική του αρχή. Άλλωστε ήταν μόλις 21 χρονών όταν δημοσίευσε ένα άρθρο στην Εγκυκλοπαίδεια των Μαθηματικών για τη θεωρία της σχετικότητας, που έκανε αίσθηση ακόμη και στον ίδιο τον Αϊνστάιν. Ο Πάουλι αφού μελέτησε το ανώμαλο φαινόμενο Zeeman και τους κβαντικούς αριθμούς που αντιστοιχούσαν στις διάφορες ενεργειακές στάθμες διατύπωσε την περίφημη αρχή του.

Μετά από την ενασχόληση του Pauli με τη σχετικότητα, το βασικό ενδιαφέρον του μετατοπίστηκε στον κβαντικό γρίφο, με τον οποίο αυτός και ο σύντροφος του στο Πανεπιστήμιο Werner Heisenberg άρχισαν να ασχολούνται κάτω από την καθοδήγηση του Arnold Sommerfeld στο Μόναχο. Ο Pauli εισήγαγε σύντομα την ατομική μονάδα μαγνητικής ορμής, μαγνητόνη, και ονομάσθηκε έτσι μετά από τον Niels Bohr. Εργάστηκε στο ανώμαλο φαινόμενο Zeeman και ανακάλυψε τον πυρηνικό μαγνητισμό.

Η απαγορευτική αρχή, που αναφέρεται συχνά με το όνομά του, αποκρυστάλλωσε την υπάρχουσα τότε γνώση για την ατομική δομή, την εποχή που ακόμη την ερευνούσαν. Σύμφωνα με αυτήν τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου δεν μπορεί να έχουν ίδιους όλους τους κβαντικούς αριθμούς.

Η αρχή του Πάουλι επέτρεψε να κατανοηθεί ο σχηματισμός των ηλεκτρονικών στιβάδων, των χημικών ιδιοτήτων των στοιχείων αλλά και ο παραμαγνητισμός, η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στα μέταλλα και πολλά φαινόμενα χαμηλών θερμοκρασιών.  Ο Fermi κατόρθωσε να ενσωματώσει την αρχή του Πάουλι σε μια νέα στατιστική, παραπλήσια των Bose - Einstein, για σωμάτια όπως τα ηλεκτρόνια που υπακούουν στη στατιστική Fermi και ονομάζονται φερμιόνια. Ενώ άλλα σωμάτια πχ τα σωμάτια άλφα είναι μποζόνια γιατί υπακούουν στη στατιστική των  Bose - Einstein.

Πολλά χρόνια αργότερα, το 1940, ο Πάουλι διετύπωσε διαφορετικά τον κανόνα αυτό. Έτσι σωμάτια με ημιακέραιο σπιν υπακούουν στη στατιστική Fermi ενώ αυτά με ακέραιο σπιν υπακούουν στη στατιστική των  Bose - Einstein.

Η διάσπαση βήτα ήταν ένα από τα πιο βασανιστικά αινίγματα της εποχής του, ο Bohr μάλιστα εξ' αιτίας της έφθασε να θέλει την κατάργηση της αρχής της διατήρησης της ενέργειας. Πολλά πειράματα, που είχαν γίνει τότε, είχαν αποτύχει να δείξουν που πηγαίνει η ενέργεια της διάσπασης, αν τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται από τη διάσπαση δεν έχουν την ακριβή διαφορά ενέργειας μεταξύ αρχικής και τελικής κατάστασης.  Επίσης στον έλεγχο που είχε διεξαχθεί τότε, ούτε η ακτινοβολία είχε την απαιτούμενη ενέργεια για να δικαιολογήσει την διατήρηση ενέργειας. Επιπλέον ούτε η στροφορμή κι άλλα θεμελιώδη μεγέθη φαινόταν να διατηρούνται. 

Ο Pauli το 1932 ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε την ύπαρξη του νετρίνο, ένα ουδέτερο σωματίδιο ελάχιστης μάζας, το οποίο μεταφέρει ενέργεια στη ραδιενεργό β-διάσπαση, στις εργασίες που έκανε στο Κέντρο Έρευνας πάνω στη θεωρητική φυσική στη Ζυρίχη. Έτσι εξασφαλιζόταν η διατήρηση της ενέργειας και της στροφορμής. Φυσικά ούτε λόγος να γίνεται ότι το σωματίδιο φάντασμα είχε απομονωθεί σε πείραμα την εποχή εκείνη.

Κατά τη διάρκεια των επόμενων πέντε ετών, επιστήμονες εργάστηκαν λεπτομερώς πάνω στην θεωρία του Pauli και συμπέραναν ότι το νέο σωματίδιο πρέπει να αλληλεπιδρά πολύ ασθενικά και να είναι εξαιρετικά ελαφρύ.

Το 1956 δύο Αμερικανοί επιστήμονες, ο Frederick Reines και Clyde Cowan, ανέφεραν την πρώτη απόδειξη ύπαρξης του νετρίνο. Χρησιμοποιούν ένα αντιδραστήρα διάσπασης σαν πηγή των νετρίνων και ένα καλά προστατευτικό σπινθηριστή - ανιχνευτή πλησίον του για να τα ανιχνεύσει.

Ο Pauli βοήθησε στη θεμελίωση της κβαντικής θεωρίας των πεδίων και συμμετείχε ενεργά στις μεγάλες προόδους που έγιναν σε αυτήν την περιοχή γύρω στο 1945. Πιο ενωρίς, είχε ενισχύσει περαιτέρω τη θεωρία των πεδίων δίνοντας την απόδειξη της σχέσης μεταξύ του σπιν και της "στατιστικής" των στοιχειωδών σωματιδίων.

Ο Πάουλι είχε μια βαθιά κουλτούρα, καυστική γλώσσα, απότομη συμπεριφορά και τον χρησιμοποιούσαν σαν αλάνθαστο κριτή των νέων θεωριών, αν και σε μια περίπτωση, στην περίπτωση της ανακάλυψης του σπιν του ηλεκτρονίου από τους Ούλενμπεκ και Γκούντσμιθ, ο Πάουλι είχε κάνει λάθος. Κατόρθωνε να έχει πολλούς φίλους, παρόλο τον ιδιόρρυθμο χαρακτήρα του, οι οποίοι συνεννοούνταν μαζί του χωρίς να έρχονται σε ρήξη μαζί του. Μεταξύ των φίλων του συμπεριλαμβάνονταν οι Χάιζενμπεργκ, Όττο Στερν και άλλοι σπουδαίοι φυσικοί.

Έδειξε μεγάλο ενδιαφέρον για τη Ψυχολογία του Καρλ Γιουνγκ, που ήταν φίλος του, και μάλιστα έγραψε και άρθρα για θέματα Ψυχολογίας. 

Η ζωή του

Ο Pauli γεννήθηκε στις 25 Απριλίου του 1900 στη Βιέννη. Ο πατέρας του ήταν καθηγητής της χημείας στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης και ο Ernst Mach, ο διαπρεπής φυσικός και ο ριζικός εμπειρικιστής φιλόσοφος, ήταν ο νονός του. Ο πατέρας του το 1898 άλλαξε το όνομά του από Joseph σε Wolfgang Joseph Pauli και αμέσως μετά αποφάσισε να γίνει από Εβραίος σε Ρωμαιοκαθολικός, για να μπορέσει να γίνει καθηγητής στο Πανεπιστήμιο.

Μετά τις πρώτες σπουδές στη Βιέννη συνέχισε στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου κάτω από την καθοδήγηση του Arnold Sommerfeld. Αφού έλαβε το διδακτορικό του το 1921, ξόδεψε ένα έτος στο Πανεπιστήμιο του Göttingen ως βοηθός του Max Born και εν συνεχεία για άλλο ένα έτος με τον Niels Bohr στην Κοπεγχάγη.

Έγραψε το πρώτο έγγραφό του για την κβαντική φυσική τον Ιούνιο του 1920, μια εργασία πάνω στις μαγνητικές ιδιότητες της ύλης.

Το έτος 1920 ο Heisenberg έφθασε στο Μόναχο, για να γίνει επίσης σπουδαστής του Sommerfeld .  Να πως περιγράφει ο Heisenberg το τρόπο ζωής του Pauli τότε:

Ο Βολφγκαγκ ήταν ένα χαρακτηριστικό πουλί της νύχτας. Προτίμησε την πόλη, γιατί του άρεσε να ξοδεύει το χρόνο του τα βράδια σε μερικό καφέ, και γιατί θα εργαζόταν έκτοτε πάνω στη φυσική με μεγάλη ένταση και μεγάλη επιτυχία. Ο Sommerfeld φοβόταν όμως ότι θα παρευρισκόταν σπάνια στις πρωινές διαλέξεις και δεν θα εμφανιζόταν μέχρι να γινόταν μεσημέρι.

Η περίοδος της επιστημονικής ανακάλυψης του νετρίνο από τον Pauli συνέπεσε με μια περίοδο αυξανομένων προσωπικών δυσκολιών για αυτόν. Ίσως συνεπεία του αποτυχημένου πρώτου του γάμου, άρχισε να πίνει και χρειάστηκε να συμβουλεύεται τον ψυχολόγο Carl Gustave Jung. Δεν θεραπεύτηκε από τον Jung, αλλά μάλλον από έναν βοηθό του. Εντούτοις, ο Pauli κράτησε σημειώσεις για πάνω από 1.000 όνειρα, που τα έστειλε στον Jung κατά τη διάρκεια μιας περιόδου πολλών ετών και ο Jung δημοσίευσε μια εργασία του, που βασίστηκε σε μερικά από αυτά τα όνειρα. Ο Pauli πίστευε σαφώς στην ψυχολογία όσο και στη φυσική. Έγραψε αργότερα σε μια επιστολή του:

Είναι προσωπική άποψή μου πως η επιστήμη του μέλλοντος ούτε θα είναι "ψυχική" ούτε "φυσική" αλλά κάπως και τα δύο μαζί.

Ο Pauli βάσισε την έρευνά του σε μια βαθιά ανάλυση της πειραματικής και της θεωρητικής γνώσης στην ατομική φυσική στην εποχή του. Βρήκε ότι απαιτούνται τέσσερις κβαντικοί αριθμοί προκειμένου να καθορίσουν την ενεργειακή κατάσταση ενός ηλεκτρονίου. Πρόφερε έπειτα την απαγορευτική του αρχή, η οποία μπορεί να εκφραστεί λέγοντας ότι δεν μπορεί να υπάρξει περισσότερο από ένα ηλεκτρόνιο σε κάθε ενεργειακή κατάσταση, όταν αυτή η κατάσταση είναι εντελώς καθορισμένη. Τρεις κβαντικοί αριθμοί μπορούν μόνο να σχετίζονται με την περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα. Η ανάγκη ενός τέταρτου κβαντικού αριθμού απέδειξε την ύπαρξη της ενδιαφέρουσας νέας ιδιότητας του ηλεκτρονίου.

Ο Pauli έδειξε ότι η ηλεκτρονική διαμόρφωση γίνεται πλήρως καταληπτή από την απαγορευτική αρχή, η οποία είναι επομένως ουσιαστική για τη διευκρίνιση των χαρακτηριστικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων των διαφορετικών στοιχείων. Μεταξύ εκείνων των σημαντικών φαινομένων για την εξήγηση των οποίων η αρχή Pauli είναι αναπόφευκτη, αναφέρουμε την ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων και των μαγνητικών ιδιοτήτων της ύλης.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 10 - 15 ετών ζωής του, ο Pauli ξόδεψε πολύ χρόνο μελετώντας την ιστορία και τη φιλοσοφία της επιστήμης. Το αρχικό σημείο του ήταν η φιλοσοφία της κβαντικής μηχανικής, αλλά αυτό τον οδήγησε στην ψυχολογία, την ιστορία των ιδεών και πολλά άλλα πεδία, ειδικά η σχέση της θρησκείας με τη φυσική επιστήμη.

Πέθανε στη Ζυρίχη στις 15 Δεκεμβρίου του 1958.