A modern fizika vezetõ szelleme
Száz éve született Wolfgang Pauli
Sokan azt mondták a századfordulót megelõzõn, például P. Jolly Max Plancknak pályát keresõ aggódó szülõk elõtt, hogy a fizika lényegében lezárt, kész egész, alig van, ha van is valami lényegtelen a végleges megformálásához még hátra. Sokan tudják, hogy éppen 1900. december 15-én mutatta meg Max Planck, aki az erõs negatív biztatás ellenére mégis fizikus lett, hogy van a fizikai világnak egy érdekes területe a hõmérsékleti sugárzás , ahol rejtélyes kvantumos hatásoknak, az adagokban (kvantumokban) érkezõ energiának döntõ szerepe van. Planck félve azt állította, hogy lehet, azonban ezzel az óvatos bejelentésével szép csöndben megkezdõdött a modern kvantumfizika korszaka a tudományban. E korszak egyik fáklyavivõje lett Wolfgang Pauli.
Wolfgang Ernst Friedrich Pauli 1900. április 25-én született Bécsben. Tulajdonképpen fizikus csodagyerekként kezdte felívelõ pályáját, mert alighogy 1918-ban leérettségizett (kitüntetéssel) a döblingi gimnáziumban (július 2-án), szeptember 22-én elfogadta közlésre elsõ dolgozatát a Physikalische Zeitschrift (20. 2527, 1919): A gravitációs tér energiakomponenseirõl. A bemutatkozás profi módon sikerült.
 |
| George Gamow és Wolfgang Pauli |
Pauli kivételes idõpontban született: a speciális relativitáselmélet oroszlánrészét már az õ kamaszkorában kidolgozták. Az általános relativitáselmélet elsõ eredményei az évszázad második évtizedében nõttek ki a felhõk közül. Az atomfizikában a Bohr-elmélet megszületése ebben az idõben vihar elõtti csendet hozott: az egy- elektronos atom elemi kvantumelméle-tének bámulatos teljesítõképessége csakhamar felemésztette a megközelíthetõ problémákat. Újabb fejleményt csak a következõ évtized hozhatott (mint tudjuk, hogy hozott is). Egyelõre az oroszlánkörmök megmutatására és maradandó alkotásokra az általános relativitáselmélet kínálkozott. (Pedagógiai csoda, hogyan lehet a négydimenziós görbült geometriában olyan otthonosan mozogni, a differenciálgeometriában oly mesterien tájékozódni, mint a húszéves Pauli tette!) Amikor az alig másodéves Paulinak 1921-ben megjelent a MathematischeEnzyklopädie számára írott nagy (236 oldalas) relativitáselméleti monográfiája, mindenki a csodájára járt.
Okvetlenül érdemes elgondolkodni azon, mi minden fér el ezen a 236 oldalon! Egyebek között a történeti bevezetés 27 oldal, a matematikai összefoglaló (négydimenziós tárgyalás, differenciálgeometria) 55 oldal, speciális relativitáselméletbõl a kinematika 6 oldal, az elektrodinamika és az optika 44 oldal, a mechanika és a dinamika 11, a termodinamika és a statisztika 7 oldal. A többi 74 oldal az általános relativitáselméleté.
A monográfiának beillõ óriástanulmányra jellemzõ, hogy a felnõtt szerzõje még 1950 után is lényegében változatlanul hagyta, melynek akkortájt éppen elõkészületben volt az angol nyelvû kiadása. Ez a Pergamon Pressnél jelent meg 1958-ban angolul Pauli halála után két évvel. Az a tény, hogy ez a mû kiszabadult a második világháború után a német nyelv és a megfogyatkozott háború elõtti sajtótermékek fogságából, csak kicsit fûszerezte a könyv világsikerét. Sokkal fontosabb az a körülmény, hogy 1958 éppen az az idõpont, hogy köré tehetjük a modern fizika olyan érdembeli változását, ami mind a speciális, mind az általános relativitáselmélet területén most már az érdembeli kutatások, a valódi relativisztikus effektusok felé fordította az érdeklõdést. Más dolog annak megítélése, hogy ez az elméleti összefoglaló valóban annyira jó és helyes nyomvonalon haladt, hogy a fizikai világkép gazdagodása 1920 és 1958 között lényeges pontokban nem változtatott a fiatal kutató Pauli szempontjain. Persze, az új dolgokat, amik túlmentek az elektromágneses kölcsönhatáson, ilyen pedig rengeteg volt, játszi könnyedséggel lehetett a Pauli-féle összefoglalásba beilleszteni, miként az általános relativitáselmélet valódi eredményeit (a kozmológiai típusokat, a lehetséges világegyetem-modellek Fridmann-osztályozását, a gravitációs sugárzás alapelveit is). Kár, hogy e kötet világhódításának és katalizáló szerepének az új kutatásokban Pauli már nem lehetett tanúja.
A fiatal Pauli eközben az egyetemi munkáit sem hagyta abba, sõt az atomfizikában is merészen csipegetett. Az 1920-as esztendõ a tanúja annak, hogy Pauli bevezeti az úgynevezett Bohr-magneton fogalmát, ezzel az atommag körül keringõ elektronok köráramaival a mágnesség értelmezésében döntõ fordulatot hoz. Errõl elõször Bad Nauheimben számol be a természetkutatók 86. gyûlésén, majd a Physikalische Zeitschriftben közli az új alapfogalmat, ami késõbb kulcsfontosságúnak bizonyul az atomok mágneses tulajdonságainak modern értelmezésében. Ezen a találkozón a német tudományos közösség megismerhette Wolfgang Paulit, a modern fizika új jövevényét, aki a magneton a mágneses tulajdonság kvantumának bevezetésen kívül a nagy Hermann Weyl elõadása után érdembeli kiegészítéseket fûzött annak új egységes térelméletéhez (Gravitáció és elektromosság H. Weyl elméletében, és A Merkur perihélumvándorlása és a fénysugár elgörbülése Weyl gravitációelméletében). Lise Meitner még Einsteinnek is bemutatja az ifjú fizikust, aki máris elbûvölõ ügyességgel forgatja a modern differenciálgeometria és a fizika fogalmi eszközeit.
1921-ben az egyetemi hallgatói státusa Münchenben véget ér Pauli számára, doktori szigorlatát summa cum laude minõsítéssel tette le. Értekezése nem a relativitáselmélet, hanem az atomfizika területérõl készült, a hidrogén-molekula-ionnal foglalkozott. Igazán tanulságos, hogyan fordult Pauli érdeklõdése egyfelõl az egyre komplikáltabb, másfelõl a még mindig a lehetõ legegyszerûbb problémák felé, ahol aránylag egyszerû erõfeszítések árán lehet az új jelenségekre érdekes megállapításokat tenni. A hidrogénmolekula igazából két atommag két elektronnal. Azt felismerni, hogy itt nem négytest-probléma az egyedüli út, hanem van értelme (és a kémiában haszna) a hidrogén-molekula-ion háromtest-probléma kidolgozásának, ami a kéttest-problémával is érdemben megközelíthetõ speciális esetben, igen tanulságos elemezés maga is, függetlenül a számítás eredményeitõl.
A fiatal Pauli hamarosan megkapta oklevelét és az évzáró események után Hamburgba került állásba. Itt azonban hamarosan elérte NielsBohr meghívása, egy esztendõre Koppenhágába ment. Közben megszületik az atomfizikai perturbációelmélet, a MaxBornnal kezdett közös munka eredménye. Erre többek között azért volt szükség, mert Bohrnál az összetettebb színképvonal- és sávszerkezetek tanulmányozásába is belekezdett. Ezek az eredmények lassan gyülekeztek. Ugyanakkor a feketetest-sugárzás egyes részletei szolgáltak a hamburgi habilitációs dolgozat témájául. Székfoglaló elõadása mégis valami korszakalkotóan új téma lett: kvantumelmélet és az elemek periódusos rendszere. Vagyis annak kifürkészése a kialakuló kvantummechanikai elvek megfogalmazásával, hogyan épül fel az elemek periódusos rendszere, mi különbözteti meg az egymás után következõ atomokat, vagyis: milyen elvek leshetõk el e rendszerbõl a tudomány számára? Az olvasó már bizonyára sejti, hogy ez valami újszerû elv felismerésének kezdeti formája. Az esztendõ meg is hozza az új elv kidolgozott formáját, a Pauli-elvet: egy kötött rendszerben az elektronok csak kettesével foglalhatják el a kvantumállapotokat (még nem ismert a spin, még nem nevezhetõ meg a tettes a rendszerezésben!).
Az 1925. esztendõ az Elv (a kettõnél több elektron elkerülését kimondó) kizárási elv, vagy ahogy ma mondjuk, a Pauli-elv részletes publikációjával kezdõdik. Egyébként Pauli számos vizsgálatban vesz részt, a szilárd anyag rácsszerkezetével, a hõvezetéssel, a röntgensugárzás elnyelésével is foglalkozik. Elkezdi írni, a Handbuch der Physik felkérésére, a kvantumelméleti összefoglaló cikket. Éppen jókor, mert minden teljesen megváltozik: az év derekán Heisenberg elkészül a kvantummechanikát megalapozó tanulmányával. Pauli bekapcsolódik ebbe a vizsgálatba is Heisenberggel régóta testvéri a viszonya és megpróbálják a H-atom tárgyalását a Heisenberg-elmélet alapján. Ez a cikk 1926-ban jelenik meg, kicsivel korábban, mint Schrödinger hullámmechanikai tanulmánya. Ebben az évben fedezi fel Goudsmit és Uhlenbeck az elektron spinjét spektroszkópiailag olvasható a kézikönyvekben. Szakember legyen a talpán de talán ez sem segít , hogy egy spektroszkópus szavaiból valaki felismerje: itt az elektronspin figyelhetõ meg éppen akcióban. Uhlenbeck és Pauli személyes megbeszéléseirõl tudunk, így nem csoda(!), hogy Pauli akcióba kezd. Miért is ne, hiszen szerinte leleplezõdött a színképvonalak furcsa megsokszorozódásának oka. Ezután már nyilvánvaló, hogy az elektronspin a tettes, Uhlenbeck és Pauli azonos jelenségrõl beszélnek.
Megvan a Pauli-elvben rejtõzködõ elektronkettõség oka: az elektronnak van egy eddig még nem (eléggé) ismert tulajdonsága, feles spinje, vagy ha tetszik: h--egységekben mérhetõen feles saját impulzusnyomatéka. De hogy az elektron forog-e, vagy mit jelent ez az újdonság, még egyelõre nem világos. Lényeg: van az elektronnak spinje, a Pauli-elv eszerint rendezi el az elektronállapotokat az atomban. Van, ami a héjakat lezárja, megvan az új minõséget okozni képes paraméter, a periódusos rendszer egyik belsõ rugója! Megvan a színképvonalak felbomlásáért felelõs tényezõ.
Ez az esztendõ még tartogat meglepetéseket. Részben az elektronspin, a forgó elektron fogalmi álruhája okoz zavart (ha az elektron tényleg forog, akkor a 1013 cm méretû elektron héja a fénysebességnél gyorsabban halad). Ámde egyszer le kell nyelni a békát! A jó öreg Newton fizikája nem szent és megváltoztathatatlan biblia az atomfizika új világában! Csak arra mutat, hogy a világ egészen kicsiben az elemi részek világában más akkor is, ha egyes tekintetben a hétköznapi fogalmainknak van szerencséjük eltalálni a jelenségeket mert általában nincs! A spin tudományát a tényekre kell alapozni ez lesz Pauli professzori székfoglalójának címe: Nemrelativisztikus spinelmélet.
A kvantummechanika hiába van két arca: Heisenbergtõl és Schrödingertõl ellesett portrék egységes elmélet, képes az elektronspin jelenségkörének befogadására is. Legföljebb az újkor legügyesebb varázslóira van szükség, hogy a bonyolultabb rendszereket letárgyalják. Az utóbbi esztendõk megmutatták, vannak ilyen varázslók: Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born, és persze Pauli is egyikük, ráadásul idõnként õ van az élvonalban. Szerencsére a fizika világa oly nagy a küzdõ fizikusok meg olyan harmonikus egységben dolgoznak , hogy együttmûködésük példamutató. Mindenkinek van mit csinálni. A statisztikus mechanikában a gázelfajulást (ami a Pauli-féle kizárási-elv megnyilvánulása: a Pauli-elvnek alávetett egyedekbõl álló gáz semmiképpen nem nyomható össze bizonyos határon túl) Pauli tárgyalja. A kvantummechanika alkalmazását keletkezõ és elbomló részekre, szóval a kvantumelektrodinamikát Pauli és Heisenberg indítja el, késõbb Pascual Jordan is csatlakozik hozzájuk. Az együttmûködés eredménye 1928-ban megjelenik: Töltés nélküli erõterek kvantumelektrodinamikája. (Kissé bizarr cím, de úgyis csak egy fontos elméleti próbálkozás.)
A következõ esztendõben Pauli a zürichi Eidgenössische Technische Hochschule (ETH, Szövetségi Mûszaki Fõiskola) rendes tanára lesz. Heisenberggel tovább építik a töltött részek most már valódi kvantumelektrodinamikáját. A munka A hullámterek kvantumelektrodinamikája címen 1929-ben jelenik meg, a folytatások 1930-ban következnek.
1930 decemberében található nyoma annak, hogy Pauliban elõször vetõdik fel a neutrínóhipozétis. A bétabomláskor sem a töltött anyagdarabok ködkamra-felvételeibõl, sem az energiamérlegbõl nem látszik, hogy az energia megmaradna. Számos kutató már-már az energiamegmaradás tételének parányi sérülését is hajlandó lett volna elfogadni. Paulinak ez nem tetszett. Nagyszerû, de merész analízissel következtetett arra, hogy a problémát egy eddig nem ismert semleges elemi részecske, a neutrínó hogy Fermi késõbbi elnevezését elõre kölcsönözzük megoldja. Errõl az elgondolásról tanúskodik a mellékletben közölt Nyílt levél a Radioaktívakhoz. A neutrínóhipotézis elterjesztése szélesebb szakmai körökben való, munkahipotéziskénti elfogadása a következõ évre koncentrálódott. A döntõ bizonyítékot viszont sokáig kellett várni. Atomfizikai esetben nehéz megmondani, milyen is az igazi bizonyíték, mi minõsül láthatónak, kézzelfoghatónak.
A neutrínóhipotézis helyességét,
azt ugyanis, hogy a hipotézis a valóság egyértelmû
tükörképe, 1956-ban magyar kutatók bizonyították
be. Csikai Gyula és Szalay Sándor debreceni
professzoroknak sikerült lefényképezni olyan hélium-atommagokat,
melyek egy Wilson-féle ködkamrában bétabomlást
szenvedtek. Ezen a felvételen vastag és rövid nyomot
hagy a Li-atommag, amely a bétabomlásnál visszalökõdik,
hosszú vékony nyomot hagy a kirepülõ elektron
(a nyom elég hosszú is ahhoz, hogy az alkalmazott mágneses
erõtérben el is görbüljön). A hosszú
elektronnyom és a Li-mag rövidke nyoma, ami a bétabomlás
után kialakuló részecske nyoma, a 
bétabomlási reakcióegyenlet látható
eredménye.
Hogy hol látható a ne (anti) neutrínó?
Nem látható mert semleges részecske nem hagy nyomot. De a képen látható nyomokból és így a mérhetõ adatokból egyértelmûen következik a kísérteties (anti) neutrínó léte.
A neutrínó azóta óriási családfa törzsévé fejlõdött. Feles spinû elemi részecskének bizonyult, ez az elõrejelzés megálmodásának pillanata óta világos volt. fermionléte, antipárjának léte is világos. A lassan eltelt 70 év alatt tényként megtudtuk, hogy vannak müon-(társaságban keletkezõ) neutrínók is, sõt még a tau nevû, kövér müon kövér elektrontestvéréhez tartozó tauneutrínó is, bár ezek, rendkívüli ritkaságuk miatt, még nem ismertek elég pontosan. A magreaktorok elterjedése a neutrínók rendkívüliségébõl jócskán elvett. A neutrínóforrás ma már nem tartozik a kimondhatatlan lehetetlenségek közé. De nemcsak a nukleáris ipar, hanem az asztrofizika is használja a neutrínókat a csillagfejlõdés értelmezésére, sõt a fejlõdés modelleinek tapasztalati ellenõrzésére is vizsgálják a neutrínósugárzást.
Ismét visszatérünk Pauli életútjára. Az 1933-tól kezdõdõ idõszakban ez egyelõre több pályán fut. Ami a szakmát illeti, a svájci professzor elõtt minden nyitva áll, szabad mozgás a fasizálódó Németországban is, szakmai összejövetelek, látogatások, elõadások úgyszólván Európa-szerte. Pauli tiltakozásképpen egyes németországi fizikuseseményeken való részvételrõl lemond. A németországi hivatalos kapcsolatok gyérülnek, a német barátok mintha gyakrabban fordulnának elõ Svájcban és Dániában. És persze Amerikában, ahol Pauli is többször jár elõadókörúton.
Európa nagy részére a világháborús elõkészületek nyomják bélyegüket. 1938 végén O. Hahn és F. Strassmann bejelenti az uránatommag hasadását. Európában kitör a második világháború. Véget ér vagy nagyon minimálisra korlátozódik az európai tudományos kapcsolat. Európa szellemi ereje vagy a semleges országokban vagy az antifasiszta országokban keres menedéket, vagy rémülten várja hazájában a fejleményeket mint Werner Heisenberg.
Pauli számára ezek a kritikus évek azért meglehetõsen aktívak. Idõnként amerikai utazások, néha találkozás Svájcban a régi barátokkal. És munka, kutatás, a régi tervek érlelése, elõkészületek az új, a háború utáni nagy kutatásra. Persze a fizika fejlõdése a háború alatt sem áll meg. A magfizika például nagyot lép elõre, hogy most a mikrohullámú híradástechnikát ne is említsük. Pauli a magerõket közvetítõ mezonterekrõl is ábrándozik, elsõ olyan erõteret köszöntve ezekben a megnyilvánulásokban, amelyek lényegesen különböznek a gravitációs és az elektromágneses jellegû erõhatástól.
A háború végén 1945-ben Wolfgang Pauli a kizárási elv felismeréséért, a Pauli-elv kimondásáért Nobel-díjat kap. Gondoljuk csak meg, alig 15 éve, hogy az elvet megsejtette, mégis évek kellettek, amíg a statisztikus mechanikában, a gázelfajulásnál, az atomok szerkezeti felépítésénél felismerte a fermion típusú elemi objektumoknak ezt az igazi kvantumtermészetét.
Új korszak kezdõdött a háború után. A gyõztes hatalmak az atombomba bevetése után, illetve mellett elkezdték a magenergia békés célú felhasználását. A híradástechnika a mikrohullámok felé, a távközlés a televízió technikája irányában is óriási lépéseket kezdett tenni. Az ötvenes évek egyenesen forradalmat hoztak a részecskefizikában. Azzal lehetne jellemezni ezt a korszakot, hogy 1957-ben a nagyközönség szintjére is betört az ûrkutatás, vagy a hidegháborús fejlemények mögött megindult a tudományos ûrkutatás is.
Ezt a korszakot azonban Pauli már nem érhette meg. Még tanúja és a szokásos összejöveteleken vitapartnere volt Heisenberg egységes térelmélete megszületésének. E korai erõfeszítés azt próbálta elméleti úton elérni, hogy az elemi részek egyre sokasodó világát és kölcsönhatásait egyetlen és természetesen egységes elmélettel írja le. Heisenberg természetesen a fokozatos megközelítés híve volt, Pauli pedig az egyik szemináriumon azt a megjegyzést tette, hogy az új elmélet nem eléggé õrült (vagy bizarr) szóval nem eléggé forradalmi módon szakít a hagyományos elvekkel. Heisenberg érdemeit elismerve mégis megjegyezzük, Pauli faragatlan bár baráti környezetben megengedhetõ véleménye úgy látszik, a fizika mélységes mélyrõl származó üzenetét közvetítette.
Wolfgang Pauli rövid élete szorosan összefonódik a modern fizika két új törzse, a kvantumelmélet és a relativitáselmélet kifejlõdésével. Az õ realitásérzéke, találékonysága és merészsége, a fizika szellemének megõrzésével egyesülve jól ábrázolja a 20. század sodrában a fizika fejlõdésének fõbb vonalait. Alkotásai át meg átszövik a fizika, s most már a technika legkülönfélébb ágait is. Fantáziája és fenntartásai együtt jellemzik személyiségét, ami nélkül biztosan mindannyian szegényebbek lennénk.