Wolfgang Ernst Pauli (25 avril 1900 à Vienne - 15 décembre 1958 à Zurich) était un physicien autrichien connu pour sa définition du principe d'exclusion en mécanique quantique, ce qui lui valut le prix Nobel de physique de 1945. Il est également lauréat de la Médaille Franklin en 1952.
Biographie
Enfance
Wolfgang Ernst Pauli
Wolfgang Ernst Pauli est né le 25 avril 1900 d'un père professeur des universités, Wolfgang Joseph Pauli (1869-1955), et d'une mère journaliste et juriste, Berta Maria Camilla Schütz (1878-1927). Son père, dont le nom d'origine est Wolf Pascheles, était d'abord de confession juive, avant d'être converti au catholicisme peu avant son mariage en 1899. Pauli avait aussi une sœur, Hertha (1906-1973), qui fut actrice et écrivain. Son deuxième prénom lui a été donné en l'honneur de son parrain, le physicien Ernst Mach. Au lycée à Vienne, Pauli était considéré comme un enfant prodige en mathématiques.
Études
À partir de 1919, il commence ses études de physique à l'université de Munich avec pour professeur Arnold Sommerfeld. À l'âge de 21 ans, il écrivit un article de synthèse des théories de la relativité restreinte et de la relativité générale pour l'Encyclopédie mathématique. Voilà ce qu'en dira Einstein dans une lettre du 30 décembre 1921 adressée à Born : « Pauli est un type épatant pour ses 21 ans ; il peut être fier de son article pour l'Encyclopédie. »
En 1921, il obtient son doctorat avec pour sujet l'atome d'hydrogène avec mention summa cum laude. Son travail a été perçu comme décevant, mais il montra cependant clairement la limite du modèle de l'atome de Bohr, auquel il travaillera en tant qu'assistant de Max Born à Göttingen entre 1921 et 1922.
Carrière scientifique
Pendant les années 1922 et 1923, il travailla aux côtés de Niels Bohr à Copenhague. Entre 1923 et 1928, il enseigna à Hambourg avant de partir à ETH de Zurich, où il obtint un poste de professeur de physique théorique. C'est là qu'il fit la connaissance du psychiatre Carl Gustav Jung avec lequel il eut, sa vie durant, des échanges fructueux, notamment sur le hasard que Jung appelait synchronicité.
À partir de 1935, il est parti pour les États-Unis, où il occupe des postes de professeur invité, notamment à l'Institute for Advanced Study à Princeton durant les années 1935-1936, mais aussi à l'Université du Michigan, en 1931 et 1941, et l'Université Purdue, en 1942. En tant que citoyen allemand (en raison de l'anschluss), il ne participa pas aux projets scientifiques de la guerre.
En 1946, il obtient la citoyenneté américaine, mais revient la même année à l'ETH de Zurich, où une place de professeur lui avait été gardée. En 1949, il devient citoyen suisse. Dans les années 1950, il retourne régulièrement à Princeton afin de donner des cours en tant que professeur invité. Dans les dernières années de sa vie, il participa à la fondation du CERN. Il meurt le 15 décembre 1958 d'un ulcère gastro-duodénal.
Pauli a eu pour assistants : Ralph Kronig, Felix Bloch, Rudolf Peierls, Hendrik Casimir, Markus Fierz, Nicholas Kemmer, Victor Weisskopf et Res Jost. Robert Oppenheimer fut l'un de ses étudiants.
En 1930, Pauli reçoit la médaille Lorentz, et en 1945, le prix Nobel de physique « pour la découverte du principe d'exclusion, aussi appelé principe de Pauli ». Enfin en 1958, la médaille Max Planck lui est remise, peu de temps avant son décès.
Il est devenu membre étranger de la Royal Society le 23 avril 1953.
Fentes de Young · Expérience de Stern et Gerlach · Chat de Schrödinger · Gomme quantique ·Paradoxe EPR · Téléportation quantique · Expérience d'Aspect Formalisme
Notation Bra-Ket·Équation de Schrödinger · Matrice densité · Représentation de Schrödinger · de Heisenberg · d'interaction Statistiques
Planck · de Broglie · Schrödinger · Heisenberg · Bohr ·Pauli· Born · Dirac · von Neumann · Einstein · Bohm · Feynman · Everett · Penrose
Relation avec le psychiatre Carl Gustav Jung
Pauli consulte Carl Gustav Jung en 1931, pour des rêves récurrents ainsi que pour une tendance à l'alcoolisme. Une amitié s'ensuivit entre les deux hommes, qui correspondirent et co-écrirent l'ouvrage The Interpretation of Nature and the Psyche en 1952, aux côtés des physiciens Markus Fierz et Pascual Jordan notamment. Pauli conseillait Jung qui souhaitait explorer les ponts entre la physique fondamentale et la psychologie, mais le physicien, bien que voyant des correspondances, n'admettra jamais une égalité de fait entre les deux disciplines.
Œuvres majeures
Pauli a apporté une contribution essentielle à la physique moderne, et plus spécialement au domaine de la mécanique quantique. Son perfectionnisme le limitait dans ses publications, mais il eut de nombreux échanges épistolaires, avec notamment Bohr, Jordan et Heisenberg, auquel il soumettait souvent son travail avant d'être publié.
En 1924, Pauli découvre le spin du noyau, qui permet d'expliquer la structure hyperfine des spectres atomiques.
En 1925, il introduit un nouveau degré de liberté à la mécanique quantique. Ce degré a été identifié par George Uhlenbeck et Samule Abraham Goudsmit comme étant le spin de l'électron. Pauli formule ensuite le principe d'exclusion qui porte aujourd'hui son nom, postulat fondamental de la physique quantique selon lequel deux électrons, ou plus généralement deux fermions, ne peuvent se trouver dans le même état quantique.
En 1926, peu de temps après la publication de la représentation matricielle de la mécanique quantique par Heisenberg, Pauli l'utilise pour expliquer le spectre de l'atome d'hydrogène, qui confirme la théorie de Heisenberg.
En 1927, Pauli introduit les matrices de Pauli, pour décrire le spin des électrons.
En 1930, il fut le premier à postuler l'existence du neutrino pour remédier à la non-conservation apparente de l'énergie au cours des désintégrations β. Il a ainsi contribué de manière fondamentale au développement de la dynamique mésonique. Les preuves expérimentales ne seront obtenues qu'en 1956 par Frederick Reines et Clyde Cowan.
En 1940, il donne une démonstration générale du théorème spin-statistique dans le cadre de la théorie quantique des champs. À cette occasion, il trouva une justification de son principe d'exclusion.
En 1949, il trouve avec Felix Villars une méthode pour la régularisation des singularités en mécanique quantique des champs. Cette publication fait suite au travail mené avec Werner Heisenberg, Victor Weisskopf et Pascual Jordan, durant les années 1930 et 1940.
En 1955, il prouve le théorème de symétrie CPT. La découverte de la violation de parité par l'interaction faible fut un choc pour Pauli.
Les années suivantes, il se consacra de nouveau à la relativité générale, et notamment à la théorie de Kaluza-Klein.
Citations
Sur Pauli
« Ich wusste dass er ein Genie war, nur vergleichbar mit Einstein. Als Wissenschaftler war er sogar grösser als Einstein. Aber er war ein völlig anderer Typ Mensch, der in meinen Augen nicht Einsteins Grösse erreichte. »
— Max Born, in seiner Ausgabe seines Briefwechsels mit Einstein.
« Je savais qu'il était un génie, comparable seulement à Einstein. En tant que scientifique, il était même plus grand qu'Einstein, mais il était un homme complètement différent, qui à mes yeux ne pouvait pas atteindre la grandeur d'Einstein. »
— Max Born, dans ses échanges épistolaires avec Einstein.
« Er ist außerordentlich klug und kann sehr viel, einen so guten Assistenten werde ich nie mehr kriegen. »
— Max Born, en 1921 über seinen Assistenten Pauli.
« Il est extraordinairement intelligent et est capable de beaucoup, un si bon assistant, je n'en retrouverai plus jamais. »
— Max Born, en 1921 à propos de son assistant Pauli.
De Pauli
Adressée à von Neumann : « Si faire de la physique, c'était démontrer des théorèmes, tu serais un grand physicien. »
Lors d'un séminaire en 1955 : « Les physiciens de l'époque ne croient pas que la gravitation et la relativité générale soient de la physique. Ne s'occupent de la relativité que deux sortes de gens, les mathématiciens et les astronomes, aucun physicien normal ne s'occupe de la relativité. »
En parlant des cristaux : « Dieu a créé le volume, le diable la surface. » (« Gott schuf das Volumen, der Teufel die Oberfläche. »)
Publications
(en) Wolfgang Pauli ; Theory of relativity, Encyklopädie der Mathematischen Wissenschaften (1921). Traduction anglaise (1958) rééditée par Dover Publications, Inc. (1981) . Ce livre, annoté par l'auteur en 1956 pour la sortie de l'édition anglaise, reste une mine d'informations pour les références historiques.
(en) Wolfgang Pauli ; General Principles of Quantum Mechanics, Springer-Verlag (1980), . Traduction anglaise d'un article de revue paru à l'origine dans le Handbuch der Physik.
(en) Wolfgang Pauli ; Pauli lectures, Dover Publications, Inc. (), . Cours en 6 volumes donné à la fin des années 1950 à l'ETH de Zurich. Également disponibles en volumes séparés :
(en) Wolfgang Pauli ; Electrodynamics, Dover Publications, Inc. (), .
(en) Wolfgang Pauli ; Optics and the Theory of Electrons, Dover Publications, Inc. (),
(en) Wolfgang Pauli ; Thermodynamics and the Kinetic Theory of Gases, Dover Publications, Inc. (),
(en) Wolfgang Pauli ; Statistical Mechanics, Dover Publications, Inc. (),
(en) Wolfgang Pauli ; Wave Mechanics, Dover Publications, Inc. (), ISBN 0-486-41462-0.
(en) Wolfgang Pauli ; Selected Topics in Field Quantization, Dover Publications, Inc. (),
(en) Charles P. Enz & Karl von Meyen (eds.) ; Wolfgang Pauli - Writings on physics & philosophy, Springer-Verlag (1994)
Wolfgang Pauli ; Physique moderne et philosophie, trad. Claude Maillard. Paris, Albin Michel, 1999. (collection : bibliothèque Albin Michel Sciences) . Traduction française de l'ouvrage précédent, hélas sans l'iconographie.
Wolfgang Pauli ; Le cas Kepler. Paris, Albin Michel, 2002 (collection : bibliothèque Albin Michel Sciences) . Le texte de cette étude sur Kepler de Pauli est précédé d'un essai de Werner Heisenberg intitulé : Les conceptions philosophiques de Wolfgang Pauli.
Wolfgang Pauli & Carl Gustav Jung ; Correspondance 1932-1958. Paris, Albin Michel, 2000. (collection : bibliothèque Albin Michel Sciences) . Pauli a suivi dans les années trente une cure analytique avec l'un des élèves de Jung, cure dont la série de rêves a été étudiée par Jung lui-même dans : Psychologie et alchimie.
