Wolfgang Pauli non era solo un fisico. Era un giovane prodigio che all’età di 20 anni scrisse un’enorme voce enciclopedica di 200 pagine sulla teoria della relatività. Questo tipo di risultati esaurirebbe la maggior parte dei professori. Lo ha fatto prima di poter bere legalmente a Vienna. Nato in Austria nel 1900, Pauli ha continuato a modellare la nostra comprensione del mondo subatomico in modi che ancora oggi determinano il modo in cui la materia sta insieme.
La sua carriera si spostò da Zurigo a Princeton, ma il suo impatto fu globale. Insegnò in Svizzera dal 1928 al 1940. Successivamente occupò un posto presso l’Institute for Advanced Study nel New Jersey. Il lavoro che fece in quegli anni cambiò per sempre la fisica.
Il neutrino: risolvere il mistero del decadimento beta
Nel 1930 Pauli affrontò una crisi. La fisica aveva un buco nella sua logica. Quando un elettrone veniva emesso da un nucleo atomico in decadimento beta, l’energia e la quantità di moto sembravano scomparire. Ciò ha infranto le leggi fondamentali della conservazione. I fisici erano confusi. La fisica era rotta?
Pauli non si è lasciato prendere dal panico. Ha proposto una soluzione. Ha suggerito che un’altra particella stesse portando via l’energia mancante. Questa particella doveva essere quasi priva di massa. Non aveva alcun costo. Era incredibilmente difficile da individuare. Ora chiamiamo questa particella neutrino.
È stata una mossa coraggiosa. In sostanza stava dicendo che qualcosa di invisibile stava rubando energia dall’equazione. La maggior parte degli scienziati erano scettici. Ma i conti hanno funzionato. Il neutrino era il pezzo mancante. Ha salvato la legge di conservazione dell’energia.
Il principio di esclusione di Pauli: perché gli atomi non collassano
La ragione per cui Pauli vinse il Premio Nobel nel 1945, tuttavia, fu per qualcosa che aveva scoperto in precedenza. Nel 1924 osservò il comportamento degli elettroni in un atomo. Notò che avevano bisogno di un numero quantico di spin specifico. Era +1/2 o −1/2.
Ciò ha portato al suo contributo più famoso. Il principio di esclusione di Pauli.
Il principio è semplice nell’enunciazione ma profondo nelle conseguenze. Non esistono due elettroni in un atomo che possano avere esattamente lo stesso stato quantico. Non possono occupare lo stesso spazio con lo stesso giro. Se potessero, si schianterebbero tutti al livello di energia più basso.
“Non esistono due elettroni che possano occupare simultaneamente lo stesso stato quantico.”
Questa non è solo teoria astratta. È la ragione per cui la materia ha volume. È per questo che non cadi dalla sedia. Gli elettroni nel tuo corpo si rifiutano di sovrapporsi agli elettroni sulla sedia. Si respingono. Escludono. Mantengono la loro posizione.
Senza questa regola gli atomi collasserebbero. La chimica come la conosciamo non esisterebbe. Le stelle avrebbero un aspetto diverso. L’universo sarebbe un fango denso e scuro. La scoperta di Pauli del 1925 spiega perché il mondo è strutturato così com’è.
Morì a Zurigo nel 1958. Le sue idee rimangono il fondamento della meccanica quantistica. Usiamo ancora le sue regole per costruire transistor. Facciamo ancora affidamento sulla sua logica per comprendere le reazioni nucleari. Il principio di esclusione non è solo una nota a piè di pagina nella storia della fisica. È la regola che impedisce alla materia di disgregarsi.
Ciò significa che ora sappiamo tutto sugli elettroni? Nemmeno vicino. Ma sappiamo che hanno dei limiti.
