Два електрона в атомі не можуть перебувати в одному стані.
Австрійський фізик Вольфганг Паулі - один з декількох європейських фізиків-теоретиків, які сформулювали в кінці 1920-х - початку 1930-х років основні принципи і постулати квантової механіки. Принцип, що носить його ім'я, є одним з основоположних в цьому розділі фізичної науки. Простіше всього уявити собі, в чому саме полягає принцип Паулі, якщо порівняти електрони з автомобілями на багатоярусної критої стоянці. У кожен бокс поміщається тільки одна машина, а після того, як всі бокси на нижньому поверсі стоянки зайняті, автомобілям доводиться у пошуках вільного місця заїжджати на наступний поверх. Так само й електрони в атомах - на кожній орбіті навколо ядра їх поміщається не більше, ніж там є «паркувальних місць», а після того, як всі місця на орбіті зайняті, наступний електрон шукає собі місце на вищій орбіті.
Далі, електрони поводяться, умовно кажучи, так, ніби вони обертаються навколо своєї осі (тобто, володіють власним моментом обертання, який в цьому випадку прийнято називати спіном і який може приймати лише два значення: +1 / 2 або -1 / 2 ). Два електрона з протилежним спіном можуть займати одне місце на орбіті. Це, як якщо б в один бокс містилися одночасно машина з правим кермом і машина з лівим кермом, а дві машини з однаковим розташуванням керма не вміщалися. Ось чому в першому ряду періодичної системи Менделєєва ми бачимо всього два атоми (водень і гелій): на нижній орбіті відведено всього одне здвоєне місце для електронів з протилежною спіном. На наступній орбіті поміщається вже вісім електронів (чотири зі спіном -1 / 2, і чотири з спіном +1 / 2), тому в другому ряду таблиці Менделєєва ми бачимо вже вісім елементів. І так далі.
Усередині старіючих зірок температура настільки висока, що атоми в основному знаходяться в іонізованому стані, і електрони вільно переміщаються між ядрами. І тут знову спрацьовує принцип заборони Паулі, але вже у видозміненій формі. Тепер він говорить, що в певному просторовому об'ємі може одночасно перебувати не більше двох електронів з протилежною спіном і певними інтервалами гранично допустимих швидкостей. Проте картина різко змінюється після того, як щільність речовини усередині зірки перевищить граничне значення порядку 107 кг/м3 (для порівняння - це в 10 000 разів більша за густину води; сірникову коробку такої речовини важить близько 100 тонн). При такій щільності принцип Паулі починає виражатися в стрімкому зростанні внутрішнього тиску в зірку. Це додатковий тиск виродженого електронного газу, і його проявом стає той факт, що гравітаційний колапс старої зірки зупиняється після того, як вона стискається до розмірів, порівнянних з розмірами Землі. Такі зірки називають білими карликами, і це остання стадія еволюції зірок з масою, близькою до маси Сонця (див. Межа Чандрасекара).
Вище я описав дію заборони Паулі стосовно електронам, але він діє і відносно будь-яких елементарних частинок з напівцілим спінові числом (1 / 2, 3 / 2, 5 / 2 і т. д.). Зокрема, спінове число нейтрона одно, як і у електрона, 1 / 2. Це означає, що нейтронам, як і електронам, потрібен певний «життєвий простір» навколо себе. Якщо маса білого карлика перевищує 1,4 маси Сонця (див. Межа Чандрасекара), сили гравітаційного тяжіння змушують протони і електрони усередині зірки попарно об'єднуватися на нейтрони. Але тоді нейтрони, подібно електронам у білих карликів, починають виробляти внутрішньо тиск, який називається тиском виродженого нейтронного газу, і в цьому випадку гравітаційний колапс зірки зупиняється на стадії утворення нейтронної зірки, діаметр якої можна порівняти з розмірами великого міста. Однак при ще більшій масі зірки (починаючи приблизно з тридцятикратному маси Сонця) сили гравітації сламиваться і опір виродженого нейтронного газу, і зірки колапсує далі, перетворюючись на чорні діри.
Принцип заборони Паулі являє собою яскравий приклад закону природи нового типу, і в міру розвитку комп'ютерних технологій такі «неявні» закони будуть неминуче грати все більшу роль. Закони цього типу принципово відрізняються від законів класичної фізики, таких як закони руху Ньютона, - вони не передбачають, що відбудеться в системі. Замість цього вони визначають, чого в системі не може відбутися. Саме їх біолог і структурний теоретик Харольд Моровіц (Harold Morowitz, р. 1927) назвав «правилами відсікання»: такі правила, зокрема, принцип заборони Паулі зводяться до того, що при вирішенні найбільш складних і комплексних проблем (а розрахунок орбіт електронів у складних атомів до таких, безперечно, відноситься) слід запрограмувати комп'ютер таким чином, щоб він навіть не розглядав завідомо неможливі варіанти рішення. Тим самим таке правило відсікає від стовбура можливих рішень задачі свідомо мертві гілки, залишаючи лише допустимі можливості для її вирішення, завдяки чому час комп'ютерних розрахунків скорочується до розумних меж. Таким чином, правила, подібні принципу заборони Паулі, стають все більш важливими, оскільки ми все більше залежимо від комп'ютерів у вирішенні найбільш складних і комплексних проблем.
Ефект Паулі
Раніше вчені масштабу Ісаака Ньютона або Майкла Фарадея успішно поєднували в собі навички експериментаторів і теоретиків - самі проводили експерименти з дослідження різних аспектів фізичного світу і самі ж розробляли теорії для пояснення отриманих ними досвідченим шляхом результатів. Ті часи минули. Приблизно з початку ХХ століття вузька спеціалізація, епідемією пронісся по всіх галузях людської діяльності, поширилася і на природознавство, включаючи фізику. Сьогодні ми бачимо, що переважна більшість учених відноситься до однієї з двох категорій - експериментаторів або теоретиків. Поєднати в собі дві ці іпостасі в наш час практично неможливо.
Вольфганг Паулі був яскраво вираженим фізиком-теоретиком і, як властиво багатьом вченим цієї категорії, дуже презирливо ставився до «сантехнікам» (за його ж висловом), бруднити руки про експериментальні установки. Снобізм Паулі щодо експериментаторів, так само як і його повна нездатність змусити працювати навіть найпростішу експериментальну установку, увійшли в легенду. Розповідають, що коштувало йому з'явитися у фізичній лабораторії, як яке-небудь обладнання тут же виходило з ладу. Кажуть, що жахливий вибух у Лейденському університеті (Нідерланди) відбувся хвилина в хвилину після приїзду Паулі в це місто поїздом з Цюріха.
Правда все це чи ні, але «ефект Паулі» - здатність людини руйнівно впливати на експеримент однією своєю присутністю - міцно увійшов у фізичний фольклор. Однак, як і в поясненні Бора, в ньому, швидше за все, багато перебільшень, якщо розібратися.
***
Вольфганг Паулі
Wolfgang Pauli, 1900-58
Австрійський, потім швейцарський фізик-теоретик. Народився у Відні, в родині професора Віденського університету. Хрещеним батьком Паулі був Ернст Мах (див. Ударні хвилі). Ще школярем освоїв приватну і загальну теорію відносності. Вивчав теоретичну фізику в Мюнхенському університеті в одній групі з Вернером Гейзенбергом (див. Принцип невизначеності Гейзенберга), диплом захистив у 1922 році.
Паулі з'явився одним з піонерів квантової механіки, внісши в нову наукову дисципліну ряд принципових вкладів, самим разючим з яких, ймовірно, є його принцип заборони, сформульований у 1924 році, - за нього в 1945 році Паулі був удостоєний Нобелівської премії з фізики. Його ідея наявності квантових спінових чисел у елементарних частинок була експериментальна підтверджена двома роками пізніше. Крім того, Паулі вдалося пояснити удаване порушення закону збереження енергії при бета-розпаді (див. Радіоактивність) за допомогою припущення про випромінювання при ньому, крім електрона, невідомої частинки, пізніше названої нейтрино.
У роки другої світової війни Паулі працював у США, в Прінстонському Інституті перспективних досліджень. Після закінчення війни повернувся до Європи, прийняв швейцарське громадянство і зайняв посаду професора експериментальної фізики у федеральному Інституті технології в Цюріху.