Sciencemag.cz
Doporučujeme
Žádné dva fermiony nemohou být současně ve stejném kvantovém stavu. Vylučovací princip, formulovaný rakouským fyzikem Wolfgangem Paulim, odstartoval před 100 lety rozmach kvantové mechaniky a kromě jiného poskytl i teoretický základ pro uspořádání prvků periodické tabulky.
Wolfgang Pauli se narodil ve Vídni 25. dubna 1900. Jeho otec, lékař přednášející na vídeňské univerzitě, pocházel z pražské židovské rodiny. Kmotrem čerstvě narozeného Pauliho se stal uznávaný fyzik česko-německého původu Ernst Mach. Tím jako by byl sám Pauli předurčen k velkým úspěchům na poli fyziky. Rok 1900 byl pro kvantovou fyziku rozhodující nejen díky narození Pauliho, ale taky tím, že ve stejném roce Max Planck poprvé představil teorii kvantování. Německý fyzik a filozof v ní navrhl, že energie se nešíří spojitě, ale v násobcích tzv. kvant – nejmenšího nedělitelného množství energie.
Pauli již v dětství vykazoval známky geniality. Při vyučování se ve třídě nudil, a tak si ve volných chvílích četl Einsteinovy práce o relativitě. Už ve 20 letech, tedy v době, kdy byl studentem Arnolda Sommerfelda na mnichovské univerzitě, publikoval své první vědecké práce. Mimo jiné napsal i encyklopedický článek shrnující dosavadní poznatky o relativitě, kterým upoutal pozornost mnohých teoretických fyziků včetně Alberta Einsteina. Zajímavostí je, že když se Pauli seznámil tehdejšími poznatky kvantové mechaniky, nepovažoval teorii za relevantní pro budoucí vývoj fyziky.
Pauliho genialita byla možná příčinou mnoha z jeho nepříjemných vlastností. Pauli například ráno velmi dlouho spal a málokdy se na přednáškách objevil před polednem. Byl také velmi kritický ke svým méně úspěšným kolegům, o jejichž pracích se bez okolků vyjadřoval ve smyslu, že se nedají považovat ani za špatné. Pauliho nadání pro teoretickou fyziku bylo vyváženo neschopností v oboru fyziky experimentální. Byl velmi nešikovný a říkalo se, že pouhá jeho přítomnost v blízkosti laboratoře přináší experimentům zkázu.
Wolfgang Pauli obdržel doktorát v roce 1921, ve věku pouhých 21 let. Poté strávil nějaký čas v Göttingenu a v Kodani, aby v roce 1923 přijal pozici na univerzitě v Hamburku. První Pauliho přednášky se věnovaly periodické tabulce prvků, kterou považoval za neuspokojivou. Chybělo totiž pochopení struktury atomového obalu, a tedy i vysvětlení uspořádání prvků do periodické tabulky. Dánský fyzik Niels Bohr navrhl v roce 1913, že elektrony v obalu atomu mohou obsadit pouze určité kvantové orbitaly, ale stále neexistovalo vysvětlení, proč elektrony v atomu nezaplňují orbitaly postupně od stavů s nejnižší energií. Pauli zároveň pracoval na teorii popisující anomální Zeemanův jev a byl přesvědčen, že je mezi oběma problémy nějaká souvislost.
Koncem roku 1924 navrhl Pauli přidání čtvrtého kvantového čísla k tehdy již existujícím třem – hlavnímu, vedlejšímu a magnetickému. Všechna dříve známá kvantová čísla popisují kvantový stav elektronu, vztahují se k jeho pohybu kolem jádra. Mají tedy fyzikální smysl. Pauli své nové kvantové číslo nazval dvojhodností nepopsatelnou klasicky. A krátce nato, v lednu 1925, představil svůj vylučovací princip. Ten uvádí, že žádné dva elektrony v atomu nemohou obsadit stav se stejnými hodnotami čtyř kvantových čísel. Každý elektron musí být v jedinečném stavu a dvě stejné hodnoty všech kvantových čísel jsou vyloučeny.
Pauliho čtvrté kvantové číslo sice fungovalo, vysvětlilo princip obsazování atomových orbitalů, ale nemělo fyzikální význam. Pauli sám nedokázal podat logické vysvětlení vylučovacího princip a ani jej odvodit z jiných zákonů kvantové mechaniky. Až později, v roce 1925, interpretovali Samuel Goudsmit a George Uhlenbeck Pauliho čtvrté kvantové číslo jako spin elektronu. Pauliho vylučovací princip tedy nejen vysvětluje strukturu periodické tabulky, ale je i zásadní pro vysvětlení dalších vlastností hmoty. Původně byl vylučovací princip použit jen pro elektrony v atomech, ale Pauliho teorie je aplikovatelná na jakýkoliv systém fermionů – částice se spinem ½.
Pauliho vylučovací princip odstartoval rozmach kvantové mechaniky, ke kterému došlo v následujících letech – Heisenberg představil svou maticovou formulaci a Schrödinger přišel s vlnovou mechanikou. Ta je založena na de Broglieho myšlence, že hmota může mít i vlnové vlastnosti. Wolfgang Pauli se v roce 1928 přestěhoval do Curychu. O tři roky později navrhl existenci nové částice, dnes dobře známého neutrina, jako řešení zdánlivé absence zachování energie při rozpadu beta.
Během druhé světové války Pauli pobýval v USA, odkud se v roce 1945 vrátil zpět do Curychu. Ve Spojených státech se stal profesorem teoretické fyziky v Princetonu a na rozdíl od mnohých svých kolegů odmítl spolupráci na projektu Manhattan, jehož cílem bylo sestrojení jaderné bomby. Po návratu do Evropy a mnoha výzkumných úspěších strávil velkou část svých pozdějších let přemýšlením o historii a filozofii vědy.
Pauli vždy trval na jasném a koherentním vysvětlení fyzikálních jevů. Toho se snažil dosáhnout ve svých pracích a stejně tak to vyžadoval i od svých spolupracovníků. Paulimu šlo nejen o intuitivní pochopení experimentu, ale i o rigorózní matematické schéma. Max Born jednou o Paulim poznamenal: „Věděl jsem, že je to génius, srovnatelný pouze s Einsteinem. Ale byl to zcela jiný typ člověka, který podle mého názoru nedosáhl Einsteinovy velikosti.“ Fyzikální přínos Wolfganga Pauliho ovšem nezůstal bez povšimnutí. Za objev vylučovacího principu obdržel v roce 1945 Nobelovu cenu za fyziku. Do konce svého života se věnoval pedagogické práci a spolupracoval také na založení Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN). Wolfgang Pauli zemřel 15. prosince 1958 na rakovinu slinivky.
Autor: Iveta Zatočilová
původně publikováno na Matfyz.cz
Pozvánka
Jeden den s fyzikou plný zajímavých experimentů i exkurzí pořádá Matfyz tradičně 13.2.2025 ve svých areálech na Karlově (dopoledne) a v Troji (odpoledne). Podrobnosti najdete na https://www.mff.cuni.cz/jdf
