Например, если у двух электронов значения трех квантовых чисел совпадают, то значения четвертого должны быть разными. Отсюда следует, что на одной орбите могут находиться не более двух электронов. За открытие этого принципа Паули в 1945 г. был удостоен Нобелевской премии по физике. Принцип Паули дал объяснение закономерностям, которым подчиняется заполнение электронных оболочек атомов, и послужил исходным пунктом для объяснения тонкой и сверхтонкой структуры атомных спектров.
В 1927 г. Паули опубликовал статью, объясняющую природу парамагнетизма металлов, в которой сделал вывод, что поведение электронов в металлах подчиняется законам, основанным на принципе запрета, а не классическим статистическим законам. Совместно с П. Йорданом и В. Гейзенбергом заложил основы релятивистской квантовой теории поля и предпринял попытку формулировки квантовой электродинамики, введя общую схему квантования полей и заложив тем самым основы систематической теории квантования полей.
При обсуждении особенностей бета-распада Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино (1930–1933 гг.). Ему принадлежат также работы по мезонной теории ядерных сил, ряд обзоров по важнейшим вопросам современной теоретической физики, статьи по истории и философии науки и др.
Паули был удостоен медалей Х. Лоренца (1930), Б. Франклина (1952), М. Планка (1958) и Нобелевской премии (1945).
Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976)
Выдающийся немецкий физик-теоретик родился в семье профессора истории Мюнхенского университета. В 1920 г. поступил на физико-математический факультет, где начал с кафедры математики, перейдя затем на кафедру теоретической физики. Защитив магистерский диплом в 1923 г., приступил к теоретическим исследованиям строения атома. Весной и летом 1925 г., болея сенной лихорадкой, Гейзенберг уединился на отрезанном от внешнего мира острове Гельголанд, где и разработал теорию матричной квантовой механики.
Матричная механика, как показало время, в математическом понимании эквивалентна появившейся год спустя квантово-волновой механике, заложенной в уравнении Шредингера с точки зрения описания процессов квантового мира. Однако на практике использовать аппарат матричной механики оказалось труднее, и сегодня физики-теоретики в основном пользуются представлениями волновой механики. В 1926 г. Гейзенберг стал ассистентом Нильса Бора в Копенгагене. Именно там в 1927 г. он и сформулировал свой принцип неопределенности, и можно с основанием утверждать, что это стало его наиболее значительным вкладом в развитие науки. В том же году Гейзенберг стал профессором Лейпцигского университета – самым молодым в истории Германии. Начиная с этого момента он вплотную занялся созданием единой теории поля, хотя, по большому счету, безуспешно. За ведущую роль в разработке квантово-механической теории в 1932 г. Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии по физике.
С исторической же точки зрения личность Вернера Гейзенберга, вероятно, навсегда останется синонимом неопределенности несколько иного рода. С приходом к власти партии национал-социалистов в его биографии открылась самая труднопонимаемая страница. Во-первых, будучи физиком-теоретиком, он оказался вовлеченным в идеологическую борьбу, в которой теоретическая физика как таковая получила ярлык «жидовской физики», а сам Гейзенберг был публично назван новыми властями «белым евреем». Лишь после ряда личных обращений к самым высокопоставленным лицам в рядах нацистского руководства ученому удалось остановить кампанию публичной травли и угроз в свой адрес.
Гораздо проблематичнее выглядит роль Гейзенберга в германской программе разработки ядерного оружия в годы Второй мировой войны. В то время, когда большинство его коллег эмигрировали или вынуждены были бежать из страны под давлением гитлеровского режима, Гейзенберг возглавил германскую национальную ядерную программу. Под его руководством она всецело сконцентрировалась на постройке ядерного реактора, однако у Нильса Бора при его знаменитой встрече с Гейзенбергом в 1941 г. сложилось впечатление, что это лишь прикрытие, а на самом деле в рамках этой программы разрабатывается ядерное оружие.
Так что же произошло на самом деле? Действительно ли Гейзенберг умышленно и по велению совести завел германскую программу разработки атомной бомбы в тупик и направил ее на мирные рельсы, как он впоследствии утверждал? Или просто ученый допустил какие-то просчеты в своем понимании процессов ядерного распада? Как бы то ни было, Германия атомного оружия создать не успела. Как показывает блестящая пьеса Майкла Фрэйна «Копенгаген», эта историческая загадка, вероятно, даст достаточно материалов еще не для одного поколения беллетристов.
Поль Адриен Мориc Дирак (1902–1984)
Выдающийся британский физик родился в Бристоле. В 1921 г. с отличием окончил электротехнический факультет Бристольского университета и поступил в аспирантуру Кембриджского университета. Там он ознакомился с работами Гейзенберга по матричной механике и предложил свой оригинальный подход к квантовой проблематике, опубликовав серию статей в «Трудах Лондонского королевского общества». В 1926 г. защитил диссертацию на степень доктора философии и прошел годичную стажировку в копенгагенском Институте Нильса Бора и в Геттингене у Макса Борна.
В 1929 г., после ряда лет преподавания в Кембридже, Дирак прочитал в Висконсинском и Мичиганском университетах США свои знаменитые лекции по квантовой механике, послужившие основой для дальнейшего «дираковского курса основ квантовой физики». По возвращении в Англию был избран действительным членом Королевского общества (академиком), и в 1932 г. занял «ньютоновскую» кафедру физики Кембриджского университета. В 1933 г. вместе со Шредингером был удостоен Нобелевской премии по физике за создание квантовой механики. После отставки в 1968 г. преподавал в ряде университетов США.
Дирак разработал многие важные разделы математического аппарата квантовой механики: квантовую электродинамику, теорию поля, теорию элементарных частиц, статистическую физику. В конце 20-х гг. он применил принципы квантовой механики к электромагнитному полю, построив модель квантованного поля, чем заложил основы квантовой электродинамики. В этот же период вместе с Гейзенбергом Дирак выдвинул идею обменного взаимодействия. Ему удалось решить проблему релятивистского уравнения для электрона, введя понятие спина и объяснив тонкую структуру спектров атома водорода, вместе с эффектом Зеемана.
В начале 1930-х гг. Дирак выдвинул гипотезу о существовании элементарного унитарного магнитного заряда – монополя и антивещества как «зеркальной» материи, состоящей из античастиц. Дирак внес большой вклад в разработку квантовой статистики, получившей название «статистика Ферми – Дирака». В 1937 г. он высказал гипотезу об изменении гравитации во времени, а в 1960-х гг. разработал теорию мюона как колебательного состояния электрона и занимался проблемой квантования гравитационного поля.
Среди основных его трудов: «Принципы квантовой механики», «Развитие квантовой теории», «Спиноры в гильбертовом пространстве», «Общая теория относительности».
Джон фон Нейман (1903–1957)
Выдающийся американский физик-теоретик и кибернетик австро-венгерского происхождения. Родился в Будапеште в семье состоятельного банкира, учился в Австрии, Швейцарии и Германии. В 1930 г. эмигрировал в США и через три года приступил к научной работе в Принстонском институте перспективных исследований, предоставляющем ученым полную свободу выбора тематики научной деятельности. В институте фон Нейман встретился с Альбертом Эйнштейном и многими другими выдающимися теоретиками.
