Wolfgang Pauli
( 1 9 0 0 – 1 9 5 8 )
Αυστριακός φυσικός του οποίου το όνομα είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τη δεύτερη θεμελιώδη αρχή της κβαντικής μηχανικής μετά την αρχή της αβεβαιότητας, “Την απαγορευτική αρχή του Πάουλι”, για την οποία του απονεμήθηκε το βραβείο Νομπέλ το 1945. Σύμφωνα με την αρχή αυτή, δεν είναι δυνατή η ύπαρξη στο ίδιο άτομο δύο ηλεκτρονίων με τα ίδια φυσικά χαρακτηριστικά. Τα ηλεκτρόνια θα πρέπει να διαφέρουν τουλάχιστον ως προς έναν από τους κβαντικούς αριθμούς που προσδιορίζουν την κατάσταση της κίνησής τους.
Ο Πάουλι πρότεινε την απαγορευτική του αρχή το 1924 (σε συνδυασμό με την ιδέα των δύο εσωτερικών βαθμών ελευθερίας του ηλεκτρονίου) προκειμένου να γίνει δυνατή η εξήγηση του περιοδικού συστήματος των στοιχείων με βάση τη θεωρία του Μπορ. Η σύνδεση αυτών των δύο βαθμών ελευθερίας, με τις δύο δυνατές καταστάσεις (σπιν πάνω και σπιν κάτω) του σπιν του ηλεκτρονίου, προτάθηκε από τους Ούλενμπεκ και Γκούντσμιτ το 1925 παρά την ισχυρή αρχική διαφωνία του Πάουλι. Αυτό δεν τον εμπόδισε όμως να επεξεργαστεί, το 1926, τη σωστή μαθηματική περιγραφή του σπιν και να εισαγάγει τις (περίφημες πλέον) μήτρες του Πάουλι γι’ αυτόν το σκοπό.
Την ίδια χρονιά (το 1926) κατάφερε να βρει το φάσμα του ατόμου του υδρογόνου εφαρμόζοντας όχι την εξίσωση Σρέντινγκερ αλλά τη μηχανική των μητρών που είχε προτείνει ο Χάιζενμπεργκ ένα χρόνο νωρίτερα. Έδωσε έτσι ισχυρή ώθηση στη θεώρηση του Χάιζενμπεργκ έναντι εκείνης του Σρέντινγκερ που ήταν αρχικά επικρατέστερη λόγω της μεγαλύτερης μαθηματικής της απλότητας και της εγγύτητας προς την κλασική κυματική θεωρία.
Η κοινή αντίληψη των δύο ανδρών (Πάουλι και Χάιζενμπεργκ) για τη νέα μηχανική, οδήγησε το 1929 στην άμεση συνεργασία τους με τρεις κοινές δημοσιεύσεις που θεωρούνται ως οι ιδρυτικές εργασίες της κβαντικής θεωρίας των πεδίων.
Το 1930, την προσοχή του Πάουλι είλκυσε το παράδοξο της ακτινοβολίας (ή διάσπασης) βήτα που οφείλεται (όπως γνωρίζουμε σήμερα) στη μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και νετρίνο. Εν τούτοις η αδυναμία να παρατηρηθεί το νετρίνο δεν επέτρεπε τότε να υποτεθεί κάτι άλλο πέραν του ότι η αντίδραση διάσπασης είχε τη μορφή νετρόνιο → πρωτόνιο + ηλεκτρόνιο. Το οποίο όμως συνεπαγόταν (όπως και σε κάθε διάσπαση με δύο μόνο τελικά προϊόντα) ότι η ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου θα ήταν καθορισμένη, σε προφανή αντίθεση με τα πειραματικά δεδομένα που έδειχναν ότι τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια είχαν ένα συνεχές φάσμα δυνατών ενεργειών. Και οι επιλογές ήταν δύο: Ή η αρχή διατήρησης της ενέργειας παραβιάζεται στη διάσπαση βήτα, ή κάποιο τρίτο, μη εύκολα ανιχνεύσιμο, σωματίδιο εκπέμπεται μαζί με το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο. Κι αυτή, βεβαίως, είναι η εκδοχή που πρότεινε ο Πάουλι για να δικαιωθεί 26 χρόνια μετά (!), το 1956, όταν η άμεση παρατήρηση αυτού του σωματιδίου (του περίφημου πλέον νετρίνου) έγινε για πρώτη φορά δυνατή.
Η προσφορά του Πάουλι στα θεμέλια της κβαντομηχανικής κορυφώθηκε το 1940 με την απόδειξη (στο πλαίσιο της σχετικιστικής θεωρίας των κβαντικών πεδίων) του περίφημου θεωρήματος σπιν και στατιστικής. Ότι δηλαδή τα σωματίδια με ημιακέραιο σπιν (τα αποκαλούμενα φερμιόνια) υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Πάουλι και (για μεγάλο πλήθος απ’ αυτά) στη στατιστική Φέρμι-Ντιράκ, ενώ εκείνα με ακέραιο σπιν (τα λεγόμενα μποζόνια) δεν υπόκεινται σ’ αυτήν και ακολουθούν τη στατιστική Μπόζε-Αϊνστάιν. Η απόδειξη αυτού του θεωρήματος είναι μια κορυφαία «στιγμή» στην ιστορία της κβαντομηχανικής διότι μας αποκάλυψε ότι η αρχή του Πάουλι δεν είναι μια αυθαίρετη προσθήκη στο κβαντικό οικοδόμημα αλλά μια αναγκαστική συνέπεια των συνδυασμένων απαιτήσεων κβαντομηχανικής και σχετικότητας.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι στο «πάνθεον» των μεγάλων της κβαντικής επανάστασης ο Πάουλι διεκδικεί μια θέση δίπλα στον Μπορ, τον Σρέντινγκερ, τον Χάιζενμπεργκ και τον Ντιράκ.
Ο Πάουλι γεννήθηκε στη Βιέννη από ευκατάστατη (εβραϊκή κυρίως) οικογένεια με ισχυρή επιστημονική παιδεία και αντίστοιχο πνευματικό περίγυρο. Ο πατέρας του ήταν χημικός, ο προπάππος του εξέχων εκδότης ενώ στη θέση του νονού ήταν ο διάσημος φυσικός (και κεντρική φιγούρα του περίφημου κύκλου της Βιέννης) Ερνστ Μαχ από τον οποίο και πήρε το δεύτερό του όνομα· Wolfgang Ernst Pauli.
Δυο μήνες μετά την αποφοίτησή του από το λύκειο (δηλαδή το 1918) δημοσίευσε την πρώτη του εργασία πάνω στη γενική θεωρία της σχετικότητας και ήδη το 1921 είχε ολοκληρώσει τη διατριβή του με τον Άρνολντ Ζόμερφελντ πάνω στην κβαντική θεωρία του ιοντισμένου μοριακού υδρογόνου. Αμέσως μετά (με υπόδειξη του Ζόμερφελντ) έγραψε ένα εκτενές άρθρο ανασκόπησης για την ειδική θεωρία της σχετικότητας το οποίο εγκωμιάστηκε από τον Αϊνστάιν και θεωρείται κλασικό έως σήμερα (δημοσιευμένο πια ως χωριστό βιβλίο).
Το 1928 έγινε καθηγητής στο περίφημο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης αλλά ξόδεψε και σημαντικό μέρος του χρόνου του ως επισκέπτης καθηγητής στις Ηνωμένες Πολιτείες (Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν το 1931 και Ινστιτούτο Προχωρημένων Σπουδών του Πρίνστον το 1935). Με την έκρηξη του δεύτερου παγκόσμιου πολέμου το 1940, ο Πάουλι μεταναστεύει στις ΗΠΑ ως καθηγητής στο Ινστιτούτο του Πρίνστον, για να επιστρέψει το 1946 στη Ζυρίχη όπου έζησε ώς τον θάνατό του (από καρκίνο στο πάγκρεας) το 1958.
Ως προσωπικότητα ο Πάουλι διακρινόταν από την τελειοθηρική αυστηρότητα των επιστημονικών του κριτηρίων η οποία τον καθιστούσε συνείδηση της φυσικής για ορισμένους ή απλώς έναν ανυπόφορο αλαζόνα για άλλους. Δέκτης της τελειοθηρίας του και ο ίδιος, απέφευγε συχνά να δημοσιεύσει τις ιδέες του, πολλές από τις οποίες διατυπώνονταν πρώτα (και αρκετές φορές οριστικά) σε επιστολές προς τους συναδέλφους και φίλους του εκείνης της εποχής.
Διαβόητη ήταν η περιφρόνησή του προς τις επιστημονικές εργασίες που είναι τόσο ασαφείς και συγκεχυμένες ώστε να μην μπορούν καν να αποδειχτούν εσφαλμένες. Είναι γνωστή η δήλωσή του για μια τέτοια ασαφή εργασία. «Όχι μόνο δεν είναι σωστή, αλλά δεν είναι καν λάθος»!
Κατά έναν παράδοξο τρόπο ο Πάουλι είχε μια έμμεση συμβολή και στην ανάπτυξη της λεγόμενης ψυχολογίας του βάθους που θεμελιώθηκε από τον Καρλ Γιουνγκ στη δεκαετία του τριάντα. Λίγο μετά την υπόθεση του νετρίνου το 1930 και το διαζύγιο με την πρώτη του σύζυγο, ο Πάουλι υπέστη σοβαρό νευρικό κλονισμό και κατέφυγε στη βοήθεια του Γιουνγκ που ζούσε επίσης κοντά στη Ζυρίχη εκείνα τα χρόνια. Η θεωρία του Γιουνγκ για τα αρχετυπικά όνειρα βασίστηκε καίρια στα όνειρα του διάσημου ασθενούς του αλλά και στην επιστημολογική κριτική που δεχόταν απ’ αυτόν. Η μεταξύ τους αλληλογραφία έχει δημοσιευτεί σε βιβλίο υπό τον τίτλο Άτομο και Αρχέτυπο, ενώ η κατά Γιουνγκ ανάλυση περίπου τετρακοσίων από τα όνειρα του Πάουλι έχει επίσης δημοσιευτεί στο Ψυχολογία και Αλχημεία, δηλαδή στον δωδέκατο τόμο των Απάντων του Γιουνγκ από το Πρίνστον. (Κατά την άποψη του Γιουνγκ, οι συμβολισμοί των στοιχείων από τους αλχημιστές έχουν επίσης αρχετυπική σημασία, όπως και οι αρχετυπικές εικόνες που εμφανίζονται στα όνειρά μας).
Σε πιο ανεκδοτολογικό επίπεδο, ο Πάουλι ήταν διάσημος στους φυσικούς της εποχής του και για το περίφημο φαινόμενο Πάουλι: δηλαδή τα σοβαρά ατυχήματα (π.χ. ανεξήγητα βραχυκυκλώματα, απρόβλεπτη συμπεριφορά επιστημονικών οργάνων κ.λπ.) που μπορεί να προκληθούν από την παρουσία θεωρητικού φυσικού (με πρώτο τον Πάουλι) σ’ ένα εργαστήριο! Λέγεται μάλιστα ότι, ύστερα από ενδελεχή έρευνα για τα αίτια ενός ανεξήγητου τέτοιου ατυχήματος που συνέβη σ’ ένα εργαστήριο χωρίς να είναι ο Πάουλι εκεί (!), το μυστήριο λύθηκε μόνο όταν διαπιστώθηκε ότι την ώρα ακριβώς του ατυχήματος περνούσε ο Πάουλι με το τραίνο από τον γειτονικό σταθμό! Ώστε να διαγνωστεί μ’ αυτό τον τρόπο ότι το φαινόμενο Πάουλι μπορεί να λάβει χώραν και εξ αποστάσεως!
Συνείδηση της φυσικής ή ανυπόφορος αλαζόνας, το βέβαιο είναι ότι ο Πάουλι συνέβαλε όσο ελάχιστοι όχι μόνο στην ανακάλυψη θεμελιωδών αρχών της κβαντικής μηχανικής αλλά και στη διαμόρφωση της επιστημονικής προσωπικότητας του σύγχρονου θεωρητικού φυσικού.