Екатерина
я могу сделать мир лучше
Не теряйте голову. Жизнь хочет вас по ней погладить!
Екатерина Сазонова
Все записи
текст

Принципы Паули

Если верить кинематографу, мир просто кишит гениальными циниками и мизантропами, которые выводят преступников на чистую воду, спасают безнадежных пациентов и исследуют теорию струн. Язвительные, неполиткорректные, игнорирующие какие бы то ни было правила, они почему-то вызывают искреннюю симпатию. Да и выражение «злой гений» в этом контексте приобретает несколько иную окраску.
Принципы Паули
Лауреат Нобелевской премии в области физики Вольфганг Эрнст Паули (Wolfgang Ernst Pauli) весьма органично вписался бы в ряд подобных персонажей. Еще при жизни о нем ходило множество анекдотов (многие из которых имели вполне реальную подоплеку) в связи с его невероятной одаренностью в сочетании с несносным характером. Одна из историй, к примеру, рассказывала о том, как в 1919 году Альберт Эйнштейн, находившийся тогда в зените славы, читал лекцию по теории относительности в знаменитом Мюнхенском университете. Когда он закончил, какой-то юноша поднял руку, прося слова. «Знаете ли, то, что рассказал нам господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо…» – начал он. Естественно, это был наш герой.

Еще более известной, чем эта смелая фраза, стала вышедшая через два года статья Паули о теории относительности в Энциклопедии математических наук. Даже сам Эйнштейн, уже забывший о неловком случае, прочитал этот фундаментальный 250-страничный труд и восторженно заявил, что теперь гораздо лучше понял собственную теорию. В научных кругах недоумевали: откуда взялся этот одаренный юноша? А юноша приехал из родной Вены и был твердо намерен стать светилом науки.



После смерти Паули встречен в раю самим Богом, который говорит ему: «Паули, ты был хорошим человеком и хорошим физиком. Скажи, чего бы тебе хотелось?» – «О Боже, мне очень хотелось бы узнать тайну Вселенной, я ее искал всю жизнь». – «Это просто», – говорит Бог. Он ведет Паули к доске, берет кусок мела и пишет три формулы. «Вот и все», – говорит он. Паули смотрит на формулы, качает головой и произносит: «Глупец».

Впрочем, могла ли у него быть другая цель? Мальчик родился в далеком 1900 году в семье врача и профессора химии Вольфганга Йозефа Паули и фельетонистки Берты Камиллы Шютц. Его назвали Вольфгангом-младшим, а свое второе имя – Эрнст – он получил в честь своего крестного отца, физика и философа Эрнста Маха (Ernst Mach). С самого детства маленький Паули проявлял способности к точным наукам. Школьная программа была для него простой и понятной, поэтому на уроках он откровенно скучал. Дошло до того, что в 13 лет мальчик тайком самостоятельно изучил высшую математику и переключился на теорию относительности. Берта Паули, всей душой желавшая привить сыну любовь к искусству, вынуждена была сдаться и признать, что влияние мужа оказалось сильнее. Таким образом, судьба вундеркинда была решена: в 1918 году достигший совершеннолетия Вольфганг отправился в Мюнхенский университет, где его учителем стал Арнольд Зоммерфельд (Arnold Sommerfeld). Именно Зоммерфельд дал подающему большие надежды студенту-второкурснику поручение написать ту самую статью, поясняющую теорию относительности Эйнштейна. Что было дальше, нам известно. 

А еще через два года молодой ученый получил докторскую степень за исследование по теории молекулы водорода, успел поработать с Максом Борном в Геттингене и, наконец, отправился в Копенгаген, чтобы стать ассистентом свежеиспеченного нобелевского лауреата Нильса Бора (Niels Bohr). Узнав об этом, Паули-старший выразил надежду, что сын научится у Бора не только физике, но и хорошим манерам. Но обстановка в университете была весьма демократичной: под ногами путались сыновья ученого, его жена готовила для студентов бутерброды, а сам мэтр, обожавший фильмы про ковбоев, с удовольствием ходил с подопечными в кинотеатр. Не способствовало субординации и то, что для Паули возраст или ученая степень собеседника никогда не являлись авторитетом. Он сам в 21 год стал доктором наук, поэтому признавал только неопровержимые факты и железную логику. В результате наглец не только не научился вести себя в обществе, но и растерял последние крохи вежливости и почтения к старшим. 

Но именно здесь, в этой вопиюще неакадемической обстановке, и рождались предпосылки будущего великого открытия, увековечившего имя Паули в учебниках физики. Дело в том, что молодого ученого чем-то не устраивала планетарная модель атома, предложенная Резерфордом и усовершенствованная Бором, о чем он без капли смущения и заявлял своему учителю. Мирные беседы то и дело перетекали в жаркие споры, во время которых Паули убеждал Бора в том, что его модель далека от совершенства. Что до самой модели, то она являла собой ядро с вращающимися вокруг него электронами, испускающими или поглощающими излучение при переходе с одной разрешенной орбиты на другую. В основе ее построения лежало представление о том, что каждая линия спектра излучения атома соответствует свету, испускаемому атомом, когда электрон переходит с более высокой орбиты на более низкую.

Паули отметил, что у классической модели есть один, но весьма существенный недостаток: она не объясняла эффекта Зеемана. А ведь его так волновало явление, которое в 1896 году обнаружил голландский физик! В своей лаборатории Питер Зееман (Pieter Zeeman) поместил в сильное магнитное поле устройство, наполненное парами раскаленного натрия, и отметил, что число линий в спектрах испускания возрастает. В сильном электрическом поле наблюдалась та же реакция. Пока на электроны действовали только внутренние силы ядра, они были вынуждены находиться в состояниях с ограниченным набором энергий, но при появлении внешнего поля возникали новые состояния и, следовательно, новые линии спектра. Именно тщательный анализ спектров Зеемана позволил Вольфгангу Паули прийти к мысли о том, что на одной орбитали могут располагаться только два электрона, и сформулировать принцип, ставший одним из основополагающих в квантовой механике: две тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. 


Вольфганг Паули и Нильс Бор демонстрируют переворачивание "китайского волчка" на открытии нового Института Физики в г. Лунд (Швеция, 1954)


Состояние электрона определяют квантовые числа (радиальное – n, орбитальное – l и магнитное – m). Каждый электрон обладает собственным моментом вращения, который называется спином. Чтобы лучше понять, что это такое, следует представить себе электрон в виде крошечного волчка, который, условно говоря, может вращаться вокруг своей оси и по часовой, и против часовой стрелки. Электроны относятся к фермионам, а спин такой частицы может принимать лишь два значения: +1/2 или –1/2 (в связи с этим его и называют полуцелым). При этом в атоме электроны занимают сначала одну орбиталь, а потом, когда на ней заканчиваются «места» (а их всего два), перемещаются на следующую.

Принцип Паули, такой простой на первый взгляд, сыграл важную роль в развитии науки. С его помощью, например, удалось теоретически обосновать периодическую систему элементов Менделеева. Без принципа запрета невозможно было бы создать квантовые статистики (в том числе, Ферми – Дирака) и современную теорию твердых тел. Высоко, хоть и запоздало, оценил открытие Паули и Нобелевский комитет: спустя два десятка лет, в 1945 году, ученому была присуждена Нобелевская премия в области физики.

Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света).

Квантовые числа – численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т. д.), характеризующее состояние частицы.

Орбиталь – пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона.

Спин (от англ. spin – вертеться, вращаться) – собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Фермион – частица (или квазичастица) с полуцелым значением спина. Свое название получила в честь Энрико Ферми.

Открытие принципа запрета принесло Паули, и так привыкшему к вниманию и восхищению, еще большую популярность в научных кругах. Правда, ученому не удалось побыть баловнем судьбы. В 1927 году, узнав о том, что у мужа есть другая женщина, 48-летняя Берта Паули покончила с собой. Для Вольфганга, который был очень близок с матерью, это стало огромным потрясением. Вдобавок ко всему отец не выглядел опечаленным и спустя год уже женился на скульпторе Марии Роттлер, ровеснице сына. 

Естественно, Паули был разгневан таким поворотом событий. Назло отцу он отрекся от католической церкви, а во время одного из визитов в Берлин познакомился с танцовщицей кабаре по имени Луиза Деппнер и сделал ей предложение. Вопреки уговорам родных, свадьба состоялась, но скоропалительному браку суждено было продлиться всего десять месяцев. Дело в том, что молодая жена еще до замужества завела роман с химиком Паулем Голдфингером, который интересовал ее гораздо больше собственного супруга. Не прошло и года, как Луиза оставила мужа и обрела счастье с новым избранником. «Я бы понял, если бы она нашла себе тореадора, но заурядный химик...» – сказал на это Паули. 

Тем не менее, физик очень тяжело переживал развод. Его все чаще стали замечать в ночных увеселительных заведениях, он начал выпивать и нередко устраивал пьяные дебоши и ввязывался в драки. В конце концов, ученый приобрел настолько сомнительную репутацию, что его вообще перестали пускать в бары и рестораны. На этом проблемы не только не закончились, но и усугубились: Паули начал страдать от кошмаров, которые совершенно не давали ему спать. Правда, стресс и бессонница пошли на пользу научным изысканиям: спустя всего неделю после развода Паули уже отправил письмо на Международную конференцию по вопросам радиоактивности, в котором сделал смелое предположение о существовании нейтрально заряженных элементарных частиц (позже они получат название нейтрино). 

Сделав предположение о существовании нейтрино, Паули написал Бору письмо. А в ответ получил коротенькую записку от его супруги Маргарет: «Дорогой Вольфганг... Нильс ответит в понедельник!». Понедельник проходил за понедельником, а долгожданное письмо из Копенгагена так и не приходило. Спустя месяц, жена Бора получила еще один конверт от Паули. В своем письме ученый отмечал, как мудро было со стороны фру Маргарет не уточнять, в какой именно понедельник собирался ответить Нильс. «Он, однако, никоим образом не должен почитать своим долгом писать ответ обязательно в понедельник. Письмо, написанное в любой другой день, доставило бы мне точно такое же удовольствие».

Вольфганг-старший гордился научными успехами сына, но был крайне обеспокоен его душевным состоянием. И наконец выход был найден: он разыскал известного психотерапевта и эксперта по толкованию снов (и к тому же бывшего соседа Фрейда) по имени Карл Густав Юнг и направил младшего Паули к нему на прием. Именно тогда и завязалась крепкая дружба двух гениев, продолжавшаяся вплоть до смерти Вольфганга Паули от рака поджелудочной железы в декабре 1958 года.

Юнг был в восторге от нового пациента, чьи сны оказались наполнены архетипическими образами и давали богатый материал для исследований. Они обменивались длинными письмами, в которых Паули подробно рассказывал психотерапевту о своих снах (всего он оставил Юнгу описание более чем тысячи сновидений). В этой переписке и оформилась теория синхроничности, над которой уже работал Юнг, причем многие основополагающие идеи принадлежали не психотерапевту, а великому физику. Почему же Паули так заинтересовался влиянием мысли на материю? Дело в том, что у него был маленький секрет.

В научных кругах ходили слухи, что достаточно Паули лишь на мгновение показаться в лаборатории, как оборудование тут же выйдет из строя. Доходило до смешного: желая продемонстрировать «эффект Паули» в действии на одной из конференций, несколько коллег соединили дверь аудитории с часами с помощью реле – так, чтобы при открытии двери часы остановились. Но стоило Паули потянуть за дверную ручку, как… отказало само реле. Физик сразу обратил внимание на загадочную конструкцию и ехидно отметил, что вот это – настоящий «эффект Паули». 

Самым же известным документально зафиксированным проявлением «эффекта» является следующий. Однажды в лаборатории Джеймса Франка в Геттингене произошел настоящий взрыв, который уничтожил дорогую установку для изучения атомных явлений. Франк написал об этом случае Вольфгангу Паули и получил ответ, в котором ученый признавался, что ездил навестить Нильса Бора в Копенгаген. Взрыв произошел ровно в тот момент, когда его поезд совершал восьмиминутную стоянку в Геттингене.

К счастью, влияние легендарного «эффекта» распространялось только на лабораторные установки и не помешало ученому устроить личную жизнь. В апреле 1934 года Паули снова женился. В этот раз его избранницей стала Франциска Бертрам (Franciska Bertram) – дочь мюнхенского бизнесмена, с которой за год до этого физик познакомился на вечеринке в Цюрихе. Окружающие утверждали, что брак этот не был заключен по любви, но все отмечали благотворное влияние Франки на мужа. И, несмотря на предшествовавший свадьбе нелегкий опыт развода, со второй супругой Вольфганг Паули счастливо прожил до конца своих дней.

Однажды Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg), сформулировавший другой основополагающий принцип квантовой механики – принцип неопределенности, заявил Паули, что, не считая некоторых деталей, создал замечательную объединенную теорию. В качестве ответа он получил письмо, в котором был нарисован квадрат с пометкой «Я могу рисовать, как Тициан». Внизу мелким почерком было приписано: «Не хватает только деталей».
Как можно догадаться, для создателя физического принципа запрета не существовало запретов не только в науке, но и в реальной жизни. Вольфганг Паули был язвителен, строг и остер на язык. Он никогда не утруждал себя вежливостью. Современники называли его «совестью физики» и «бичом Божьим», так как Паули был известным перфекционистом. Причем он не только стремился к совершенству в собственных трудах, но и безжалостно критиковал работы коллег. Часто от него можно было услышать: «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!» или «Очень глупо. Вы все еще здесь?». Эти фразы стали неотъемлемой частью физического «фольклора». 
От него доставалось не только студентам, но и маститым ученым. Правда, «совести физики» прощались даже самые эксцентричные выходки. Этот человек мог приехать в Геттингенский университет, не посетить и не прочитать ни одной лекции, а оставить на столе директора, одного из создателей квантовой механики Макса Борна, записку: «Был в Геттингене. Пирожные и пиво превосходные. Физика, как всегда, никуда не годится». 

Даже на торжественную церемонию в Стокгольмскую ратушу Вольфганг Паули не явился. Неизвестно, что послужило тому причиной, но факт остается фактом: премию получал за него представитель посольства. А что до «великого и ужасного» Паули… Ничего удивительного: он просто в очередной раз пренебрег общественным мнением, до которого ему никогда не было дела. 

Интересно

Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

Научные события Петербурга:
Петросити
Поэма здоровья
Биосфера
Бесконтактная примерка обуви
OK OK OK OK OK OK OK