Wolfgang Pauli

A vida de Pauli

Wolfgan Ernst Pauli nasceu em 25 de abril de 1900 em Viena, filho de Wolfgang Joseph Pauli, um bioquímico professor na Universidade de Viena e de Bertha nee Shütz escritora. Curiosamente seu nome do meio é devido a um físico, matemático e professor de historia Ernst Mach

Muito possivelmente influenciado tanto pelo padrinho quanto pelos pais, Pauli já bem jovem era considerado um jovem excepcional, tinha um desempenho ótimo em todas as áreas da ciência principalmente matemática, ele gostava muito de caminhar nas montanhas, nadar e ler livros como por exemplo de Julio Verne. Quando um pouco mais velho demonstrou interesse em astronomia fazendo de sua irmã mais nova uma plateia e se revoltando quando ela não demonstrava o interesse que ele esperava de seu "público".



Em 1918 ingressou na Universidade de Munique conquistando 3 anos depois o titulo de Doutor devido a um trabalho sobre a teoria quântica do hidrogênio ionizado e orientado por Somerfeld’s, que era considerado um ótimo professor, possuía uma ótima base matemática e estimulava seus alunos a trabalharem em problemas desafiadores. Reconhecendo seu exímio talento e sua excepcionalidade Somerfeld’s deixou a cargo de Pauli a escrita de uma revisão da relatividade para a Enciclopédia de Ciências Matemáticas, que posteriormente seria elogiado por Einstein.

Pauli trabalhava simultaneamente em seu doutorado e na revisão da relatividade, ele recebia uma bolsa da universidade mas mesmo assim seu pai lhe mandava dinheiro com medo dele estar necessitando. Em 1920 com a crise econômica da Alemanha ele lembrou do dinheiro e resolveu ir ao banco para sacá-lo, mas naquele momento já não valia basicamente mais nada.

Ele passou os anos de 1921 e 1922 na Universidade de Göttingen, no ano seguinte indo para o Instituto Neils Bohr em Copenhague e posteriormente sendo nomeado para um cargo na Universidade de Hamburgo, permanecendo la até 1928 quando fora nomeado para uma cadeira de física no Instituto Federal de Tecnologia em Zurique.

Personalidade

Wolfgang Pauli ficou conhecido pela sua alta cobrança e nível de exigência tanto em seus trabalho quanto nos trabalhos dos outros, sendo ate mencionado como a "consciência da física", não media as palavras na hora de criticar os trabalhos, é creditada a ele uma curiosa e até um pouco cômica frase : “Isto não está certo. Isto não está nem mesmo errado”.

Outro fato a ser considerado sobre Pauli é sua arrogância, em uma de suas conversar com Paul Ehrenfest, Paul teria dito que após ter certa familiaridade com as teorias de Pauli, gostava mais delas do que dele, e Pauli respondeu que era estranho, mas que em relação a ele seria o contrario.

Muito das ideias e contribuições atribuídas a Pauli não foram publicadas, mas sim advém das cartas que ele frequentemente trocava com Bohr, Heisenberg, Dirac entre outros.

Pauli foi agraciado com vários prêmios importantes devido às suas contribuições sendo eles : 

• Prêmio Haitinger (1918)
•  Medalha de Lorentz (1931)
• Premio Nobel de Física (1945)
• Fellowship of the UK Royal Society (1953)
• Medalha de Matteucci (1956) 
• Medalha Max Planck (1958) 

Contribuição Científica

Como já citado anteriormente as primeiras publicações de Pauli foi em relação a relatividade, mas logo ele se voltou para os problemas da mecânica quântica. As ideias de Bohr e Planck tinham sido aceitas, a mecânica de Newton já não era mais capaz de descrever fenômenos dessa magnitude.

A constante h, que posteriormente seria denominada constante de Planck, foi fundamental para o desenvolvimento da mecânica quântica, mas a teoria de Bohr e Somerfelds ainda não estava completa, ou seja, não formava um sistema lógico completo, surgiam diferentes respostas quando se diferenciava as formas de aplicar a teoria.(PEIERLS, 1960)

Mais um problema da teoria quântica da época consistia que ainda eram utilizados muitos conceitos da mecânica newtoniana, como por exemplo a questão das órbitas dos elétrons, que apesar de dar uma explicação razoável para camadas delimitadas ainda não conseguia explica os saltos de uma camada para outra e era difícil compreender isso sem abandonar Newton.

As primeiras contribuições de Pauli em relação a quântica foram no efeito dos campos elétricos e magnéticos, problemas dos dois centros e o problema da teoria das pertubações, o efeito Zeeman por exemplo, em átomos alcalinos as principais características do espectro poderia ser entendido em termos da órbita do ultimo elétron, só que aplicando a teoria só era possível prever metade dos estados quânticos encontrados. 

Foi sugerido uma mudança no grau de liberdade do núcleo atômico para explicar esse fenômeno só que essa ideia ia de encontro com a concepção de que o núcleo apresentava um estado bem definido. Pauli conseguiu demonstrar que até o próprio elétron possuía mais de um grau de liberdade tendo dois estados possíveis para cada orbita.

Ele propôs que a adição de um grau de liberdade, na verdade significaria dois estados diferentes de um elétron e que isso seria necessário pois não poderia haver dois elétrons iguais em órbitas equivalentes, esse principio viria a ser chamado de principio de exclusão de Pauli, ele foi mais além percebendo que o que ele estava lidando ali não era consequência do movimento e sim uma restrição fundamental que deveria ser adicionada aos postulados básicos da mecânica quântica. Por se tratar de algo relativamente simples e coerente, sua ideia não sofreu objeções dos físicos da época.

Pauli, atraído pelas novas ideias recém formuladas resolve o problema do hidrogênio segundo a mecânica quântica, incluindo o novo grau de liberdade ao que Uhlerbeck e Goudsmit caracterizando esse grau de liberdade como rotação ou spin do elétron.

Paralelamente Fermi investigou as descobertas de Pauli para moléculas de um gás, e Dirac mostrou como formular o principio da mecânica quântica relacionando com a simetria da função de onda. Pauli usa a generalização de Fermi em uma banda de condução de um metal e analisa o comportamento em campo magnéticos, pois, se caso os elétrons girarem o campo tende a orientá-los em uma direção que deveria obedecer à lei de Boltzmann, só que isso acarretaria um problema de suscetibilidade paramagnética inversamente proporcional à temperatura absoluta, e é evidenciado que metais não se comportam dessa maneira. O principio de exclusão não possibilita que o elétron mude seu spin a não ser que mude de orbital, assim a inversão de spin acarreta um ganho em energia cinética, exceto para os elétron que poderiam encontrar uma órbita desocupada com a mesma energia que ele tinha antes, e isso só é possível em uma região de energia de uma extensão de kT, perto do orbital mais alto. Isso explica a ausência de dependência da temperatura pela susceptibilidade paramagnética natural dos metais.

Até dado momento o spin permanecia descolado da descrição dos estados quânticos, salvo que a medida permitiu a duplicação dos estados quântica, Pauli incorporou a dinâmica de spin na teoria de Shrödinger, estendendo a equação de a um par de equações simultâneas, as duas funções de onda representavam os dois spins diferentes. 

Isso foi fundamental para as aplicações em campos variáveis, e foi usada para representar o limite não-relativístico da equação de onda de Dirac, que o spin era mostrado ocorrer naturalmente em pelo menos uma forma da teoria quântica relativista de uma partícula. Pauli demonstrava grande interesse na relação entre onda e matéria, como por exemplo a semelhança entre feixes de luz e de partículas que fora vital para o trabalho de de Broglie, ele também demonstrou como formular uma conexão entre campo e aspectos corpusculares para a radiação eletromagnética, e juntamente com Heinseberg realizaram a primeira tentativa de um tratamento quântico completo para a interação entre radiação e matéria que posteriormente seria conhecido como teoria quântica de campos.

A teoria clássica de Lorentz sobre a interação de uma partícula com seu próprio campo eletromagnético e apresentou dificuldades, pois a energia de campo de uma carga pontual era infinita e o conceito de um elétron de extensão finita, o que não se relacionava com a relatividade.

Pareciam surgir novos conceitos de espaço e de tempo que seriam utilizados na mecânica quântica, mesmo com os problemas do infinito que perduraria até o período do pós-guerra eles ainda demonstraram como obter respostas da eletrodinâmica. Ainda faltava ver se necessária maiores modificações drásticas dos conceitos básicos antes de realmente fundamentarmos a teoria. O artigo de Heisenberg e Pauli levantou uma série de pontos que permanecem até hoje relevante em teoria quântica de campos, principalmente no papel desempenhado em problemas eletromagnéticos de invariância.

Por volta de 1930 a mecânica quântica havia se tornado um teoria estabelecida, o que levara a respostas definitivas em quase todos os problemas relacionado com a estrutura atômica e suas propriedades, uma extensa literatura também fora desenvolvida em que as consequências dos novos postulados valiam para uma grande variedade de problemas foram estudados. Pauli, interessado nessas aplicações, ainda se preocupava com a estrutura básica da mecânica quântica. Ele publica um artigo em 1933 que foi de suma relevância para a época pois descrevia a nova teoria de maneira clara e sucinta, este artigo evidenciava uma atitude característica de Pauli em não ficar satisfeito com a plausibilidade superficial mas pensar claramente todas as conexões que possam existir entre diferentes temas da teoria, indo de frente com possíveis problemas lógicos.

O sucesso obtido por Dirac ao descrever o comportamento relativístico do elétron passa a impressão de que somente partículas com spins permitia uma teoria quântica relativista consistente, contudo a equação de Klein-Gordon, que era o análogo relativista da equação de Shrödinger que descrevia bem partículas sem spin. Paulo e Weisskopf se debruçaram novamente a partir do fato de que uma teoria quântica relativista de fótons era perfeitamente possível e que eles tinham spins inteiro. Eles demonstram que essa abordagem também serviria para partículas carregadas, desde que se fornecesse a descrição dessa partícula e que fosse anexado nos processos teóricos que o número de partículas não era constante. Portanto evitou-se de a necessidade de definir uma partícula densidade no espaço, mas para a interação com o campo eletromagnético foi essencial introduzir uma densidade de carga só que elas não precisariam necessariamente serem positivas.

A falta de uma densidade positiva de partículas trouxe consigo a interpretação das antipartículas onde seus estados de energia eram negativos que também levantou um formalismo que uma descrição relativista exigia a criação e aniquilação de pares, essas afirmações foram essenciais para se lidar com a teoria dos mésons.

 Uma das mais importantes das contribuições de Pauli foi feita a partir de uma observação que era a sugestão da existência do neutrino. Naquela época a física nuclear encontrava dificuldades de explicar o beta decaimento, em que era emitido elétrons com espectro continuo, pois em cada evento individual a energia do elétron não era igual a diferença de energia entre o núcleo inicial e o final, ou seja, parecia que parte da energia era perdida.

O estudo de efeito de simetria no espectro de banda de moléculas também contribuiu para mostrar que as estatísticas ou simetria das funções de onda apoiaram a estatística de Fermi-Dirac para partículas de spin meio e Bose-Einstein para o spin inteiro.

Pauli postulou a existência do neutrino, uma partícula neutra com uma massa baixa, para manter a conservação de energia, spin e estatística. Fermi mostrou como formular uma teoria quantitativa desse processo , que levo a previsões para a distribuição de energia dos elétrons para constantes de decaimento de emissores beta em termos de um único fundamental constante, que foram confirmados pelo experimento.

No período da Segunda Guerra Mundial, em Princeton, Pauli se interessou pelos problemas dos mésons, ele seguiu a hipótese do forte acoplamento, culminado em um trabalho que resolveria esse problema pelo caso de mésons pseudo escalares carregados, levando a um estado isobárico.

Pauli, mantendo seu interesse por eletrodinâmica, ajudou a esclarecer a "catástrofe do infravermelho", representando o falto de que qualquer colisão que envolva uma partícula carregada resulta na emissão de um infinito número de fótons de baixa energia.

Essa hipótese do neutrino supracitada foi discutida principalmente em conversas privadas e em cartas. É importante ressaltar que devido a isso fica impossível afirmar o quanto Pauli contribuiu para o desenvolvimento dos trabalhos de seus colegas e conhecidos com quem trocava cartas.

Apesar de sua fama de arrogante, sua personalidade também ajudava seus colegas em seus trabalhos inacabados, pois apesar de ser ríspido, Pauli apresentava grande honestidade intelectual e clareza na compreensão. Todavia ele não tinha muita simpatia pelas dificuldades de estudantes que demandam de um tempo maior para aprender e simplificações excessivas para o povo leigo não era de seu agrado.

Referências:

ENZ, C. P. No time to be brief: A scientific biography of Wolfgang Pauli. [S.l.]: Oxford University Press on Demand, 2010.

PEIERLS, R. E. Wolfgang Ernst Pauli, 1900-1958. [S.l.]: The Royal Society London, 1960.