Принцип заборони Паулі • Джеймс трефами, енциклопедія "Двісті законів світобудови"

Принцип заборони Паулі

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. Найпростіше уявити собі, в чому саме полягає принцип Паулі, якщо порівняти електрони з автомобілями на багатоярусної критій стоянці. У кожен бокс поміщається тільки одна машина, а після того, як всі бокси на нижньому поверсі стоянки зайняті, автомобілям доводиться в пошуках вільного місця заїжджати на наступний поверх. Так само і електрони в атомах – на кожній орбіті навколо ядра їх поміщається максимум, 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, мають 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 поміщалися 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 атома (водень і гелій): на нижній орбіті відведено всього одне здвоєне місце для електронів з протилежним спіном. Наступного орбіті поміщається вже вісім електронів (чотири зі спіном -1/2, і чотири зі 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 обсязі може одночасно перебувати не більше двох електронів з протилежним спіном і певними інтервалами гранично допустимих швидкостей. Однак картина різко змінюється після того, як щільність речовини всередині зірки перевищить граничне значення порядку 107 кг / м3 (Для порівняння – це в 10 000 разів більша за густину води; сірникову коробку такого речовини важить близько 100 тонн). При такій щільності принцип Паулі починає виражатися в стрімкому зростанні внутрішнього тиску в зірці. це додаткове 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 (см. Межа Чандрасекара).

Вище я описав дію заборони Паулі стосовно до електронів, але він діє і відносно будь-яких елементарних частинок з напівцілим спінові числом (1/2, 3/2, 5/2 і т. Д.). Зокрема, спінові число нейтрона одно, як і у електрона, 1/2. Це означає, що нейтронам, як і електрони, потрібен певний «життєвий простір» навколо себе. Якщо маса білого карлика перевищує 1,4 маси Сонця (см. Межа Чандрасекара), сили гравітаційного тяжіння змушують протони і електрони всередині зірки попарно об'єднуватись в нейтрони.Але тоді нейтрони, подібно електронам в 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 зламує і опір виродженого нейтронного газу, і зірки коллапсируют далі, перетворюючись в чорні діри.

Принцип заборони Паулі є 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 механіки Ньютона, – вони не передбачають, що станеться в системі. Замість цього вони визначають, чого в системі не може статися. Саме їх біолог і структурний теоретик Харольд Моровиц (Harold Morowitz, р. 1927) назвав «правилами відсікання»: такі правила, зокрема, принцип заборони Паулі зводяться до того,що при вирішенні найскладніших і комплексних проблем (а розрахунок орбіт електронів в складних атомів до таких, без сумніву, належить) слід запрограмувати комп'ютер таким чином, щоб він навіть не розглядав свідомо 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 найскладніших і комплексних проблем.

Див. також:

1783Чорні діри
близько 1920принцип Aufbau

ефект Паулі

Раніше вчені масштабу Ісаака Ньютона або Майкла Фарадея успішно поєднували в собі навички експериментаторів і теоретиків – самі проводили експерименти по дослідженню різних аспектів фізичного світу і самі ж розробляли теорії для пояснення отриманих ними дослідним шляхом результатів. Ті часи минули. Приблизно з початку ХХ століття вузька спеціалізація, епідемією промайнув 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 ученим цієї категорії, досить зневажливо ставився до «сантехнікам» (за його ж висловом), Мара руки об експериментальні установки. Снобізм Паулі в відношенні 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 в Лейденському університеті (Нідерланди) відбувся хвилина в хвилину після прибуття 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 в 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 (см. Ударні хвилі). Ще школярем освоїв приватну і загальну теорію відносності. Вивчав теоретичну фізику в Мюнхенському університеті в одній групі з Вернером Гейзенбергом (см. Принцип невизначеності Гейзенберга), диплом захистив в 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 в 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 (см. Радіоактивний розпад) за допомогою припущення про випромінюванні при ньому, крім електрона, невідомої частинки, пізніше названої нейтрино.

У роки другої світової війни Паулі працював в США, в Прінстонському Інституті перспективних досліджень.Після закінчення війни повернувся до Європи, прийняв швейцарське громадянство і обійняв посаду професора експериментальної фізики в федеральному Інституті технології в Цюріху.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: