Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

К 1923 г. физики были озабочены исследованием особенностей эффекта Зеемана, т. е. расщепления атомных уровней в магнитном поле: получалось, что эти уровни расщепляются очень по-разному (меняется энергия, излучаемая атомом при возбуждении). При этом количество зеемановских уровней различно при наблюдении в направлении магнитного поля и перпендикулярно к нему. Таким образом, зееманов-ское расщепление указывает на наличие тонкой структуры атомных уровней.

Самым загадочным казалось то, что основная линия в спектре лития или его аналогов, в котором есть только один внешний (на верхнем уровне) электрон, разлагается в магнитном поле на два уровня — но если у них все квантовые числа одинаковы, то и энергии должны быть одинаковы. Чем же можно объяснить эти различия?

Вольфганг Паули (1900–1958, Нобелевская премия 1945) — крестник Эрнеста Маха, много с ним занимавшегося. В 18 лет, по предложению Эйнштейна, написал книгу по теории относительности, ставшую классической. Построил первую теорию спина, выдвинул гипотезу о существовании нейтрино, доказал теорему о связи спина со статистикой и т. д. В течение многих лет признавался высшим арбитром при выдвижении новых фундаментальных идей в физике, был бескомпромиссным, очень жестким критиком. Так, в одних воспоминаниях приводится разговор Паули с его почитаемым учителем Н. Бором:«— Замолчите, Бор! Не стройте из себя дурака! — Но, Паули, послушайте… — Нет. Это чушь. Не буду больше слушать ни слова». В других мемуарах есть его ответ Л. Д. Ландау на просьбу указать ошибку: «Почему же я должен за Вас искать Вашу ошибку? Думайте сами».

В фольклоре физиков известен еще и такой «эффект Паули»: стоило ему взглянуть на любой прибор, как тот мгновенно выходил из строя, — поэтому его визитов страшно боялись экспериментаторы.

В день получения Нобелевской премии (1945) Вольфганг Паули вспоминал: «Один из коллег, повстречавший меня, когда я бесцельно бродил по прекрасным улицам Копенгагена, дружески сказал мне: „Вы выглядите очень несчастным". На это я ответил свирепо: „Как можно выглядеть счастливым, думая об аномальном эффекте Зеемана!"».

Паули высказал предположение: есть какая-то особенность, чисто квантовая, которая разрешает двум и только двум электронам быть в одинаковом состоянии, некая двузначность. Но с чем она связана?

И тут, два молодых физика Сэмьюэл Гаудсмит (1902–1979) и Джордж Юджин Уленбек (1900–1974), поддержанные их учителем П. Эренфестом, выдвигают совсем, на первый взгляд, дикую гипотезу: у электрона есть спин (от английского — «крутиться»), собственный момент импульса, и равен он половине постоянной Планка! Но при этом нельзя рассматривать электрон как волчок — этот спин нельзя ни увеличить, ни уменьшить, это неотъемлемая характеристика электрона. Нельзя наклонить спин электрона под произвольным углом — в любом поле он направлен либо по полю, либо против него.

Понятие спина оказалось чрезвычайно важным вот по какой причине. Согласно постулатам Бора, электрон при переходе на верхний уровень поглощает квант света, а опускаясь вниз, должен его излучить. Почему же некоторые электроны (например, третий электрон в атоме лития) остаются на высших уровнях, не опускаясь и не излучая?

Ведь, согласно общим положениям физики, состояние системы тем устойчивее, чем ниже ее потенциальная энергия.

И вот тут на сцену выступает Паули, он выдвигает принцип запрета, носящий его имя: в каждом квантовом состоянии может находиться только один электрон. Именно поэтому на гелиевом уровне находятся только два электрона — они различаются только направлением спинов, но для третьего электрона здесь места уже нет, и он садится на новый уровень, начинает новую оболочку. Таким образом, только принцип Паули создал твердую основу для объяснения строения периодической системы элементов.