הפיזיקאי שסידר
את האלקטרונים

דמיינו לעצמכם תמונה משפחתית, שאולי צולמה בווינה בשנים הראשונות של המאה העשרים. במרכזה הילד וולפגנג, וולפגנג ארנסט פאולי (Pauli). לידו אבא, שגם שמו וולפגנג, ואמא ברטה, נוצרים קתוליים שעזבו בצעירותם את דת משה. אבותיהם היהודים היו אנשי המילה הכתובה: סבא פרידריך שיץ, עבד בעיתון "נויה פריה פרסה", שבו עבד לימים בנימין זאב הרצל; סבא רבא, וולף פשלס (Pascheles) – מוציא לאור בפראג. והנה הסנדק, הפיזיקאי ארנסט מאך (Mach), זה שלימים ייקרא על שמו מספר מאך – היחס בין מהירותו של גוף למהירות הקול. שמו האמצעי של הילד וולפגנג ניתן לו לזכר סנדקו, שהיה לפנים מורו הנערץ של אביו, שהמיר לא רק את דתו אלא גם את מקצועו, ואחרי שהיה בדרך לקריירה כרופא החליט לבחור בביוכימיה. 

מה צופן לו העתיד, לילד זה שנולד ב-1900, ערב המאה החדשה, וגדל בסביבה תרבותית ומלומדת בווינה בירת אוסטריה? הרבה מאוד, בתקופת חיים לא ארוכה במיוחד.

מה צופן לו העתיד, לילד זה שנולד ב-1900, ערב המאה החדשה? פאולי הפעוט עם אימו | L Grillich, Vienna / Cern / Science Photo Library

ניצני הגאונות

כמו כל הגאונים הרגילים, פאולי גילה כישרון מיוחד למתמטיקה ולפיזיקה מגיל צעיר. בן 15 או 16 כבר השתעמם מאוד מהשיעורים בבית הספר, ואת המזור לשעמום מצא במאמרים של איינשטיין – שבאותה עת דרך כוכבו עם פרסומה של היחסות הכללית – שהחביא מתחת לשולחן בכיתה. זה לא מנע ממנו לסיים את הגימנסיה בהצטיינות.

אחרי התיכון – ישר לאוניברסיטה. ימי רפובליקת ויימאר היו טובים מאוד לתרבות ולמדע. פאולי החל את לימודי הפיזיקה באוניברסיטת לודוויג מקסימליאן במינכן, בדרומה של  גרמניה השכנה. בסך הכל ארבע שעות נסיעה מווינה כיום.

באוניברסיטה הוכר לראשונה, ובמהירות שקשה לתפוס, כשרונו העצום לפיזיקה. חודשיים בלבד לאחר שסיים את בית הספר, כבר פרסם את מאמרו הראשון בנושא היחסות. בהמשך באו עוד שניים. אין לזה אח ורע כיום, ומה שמפתיע הוא שאחד ממוריו זיהה את הניצוץ שלו. היה זה ארנולד זומרפלד (Sommerfeld), אחד הפיזיקאים הטרגיים ביותר במחצית הראשונה של המאה הקודמת: מי שחתום על הישגים מרשימים בראשית מכניקת הקוונטים, גידל דורות של תלמידים כישרוניים שזכו בפרסי נובל, אך מעולם לא זכה בפרס בעצמו, אף שמועמדותו לפרס הוגשה 84 פעמים.

באוניברסיטה הוכר לראשונה כשרונו העצום לפיזיקה. פאולי מרצה | Gondsmit / Cern / Science Photo Library

כשהיה פאולי בשנה השנייה ללימודיו כבר ביקש ממנו זומרפלד לכתוב פרק לאנציקלופדיה למתמטיקה, שעסק באהבתו הגדולה באותה תקופה – תורת  היחסות. הפרק הזה נשלח לעיונו של איינשטיין בכבודו ובעצמו, ששיבח את הצעיר על עבודתו המצוינת. העבודה הפכה לספר שנחשב עד היום לקאנון.

ב-1920 הגיע למינכן אחד בשם ורנר הייזנברג (Heisenberg), שבא להיות דוקטורנט של זומרפלד ולימים מי שיהיה אחד מאבות מכניקת הקוונטים. הוא התרשם מאוד מפאולי. הוא מספר שפאולי אהב לבלות את לילותיו בבתי קפה, שם עמל במרץ על פריצות דרך חדשות במחקרו, שעסק בתאוריה הקוונטית של מולקולות מימן שעברו יינון. יש להבין שבעת ההיא עדיין לא הייתה מכניקת קוונטים שלמה, אלא אוסף אנקדוטלי של רעיונות ראשוניים. ואמנם, ההצלחה השתלמה: כבר במחצית 1921, כשהיה אמור רק להשלים את התואר הראשון, כבר השלים דוקטורט בהנחיית זומרפלד.

ב-1920 הגיע למינכן ורנר הייזנברג, שהתרשם מאוד מפאולי. פאולי (מימין) עם הייזנברג (באמצע) ופיזיקאי נודע נוסף, אנריקו פרמי - כולם לימים חתני פרס נובל | American Philosophical Society / Science Photo Library

שנות השגשוג

ב-1922 שימש עוזר מחקר של מקס בורן (Born), אף הוא אחד מאבות מכניקת הקוונטים, עבד כתף אל שכם עם נילס בוהר (Bohr) – מה שהותיר חותם מקצועי על חייו, ובכלל, הפך לאושיה מדעית בפני עצמו. את השנים הבאות העביר כמרצה באוניברסיטת המבורג, אז גם באה לו תהילתו, כאשר ב-1925 ניסח את "עקרון האיסור" שנקרא על שמו. עקרון יסודי זה אומר ששני פרמיונים אינם יכולים להימצא באותו מצב קוונטי, ובפרט – שני אלקטרונים אינם יכולים להיות בעלי אותו ספין.

ספין (בעברית סחריר) הוא תכונה פנימית של חלקיק. היא לא דומה לשום דבר שאנחנו מכירים מהיומיום, אבל משווים אותה לפעמים לתנע הזוויתי של חלקיק טעון בעת שהוא מסתובב סביב עצמו. המשמעות של העיקרון הוא ששני חלקיקים בעלי ספין זהה, כלומר לצורך העניין מסתובבים לאותו "כיוון" ובאותה עוצמה, לא יכולים לשהות יחד באותו מקום ובאותו זמן. זה דומה לכך שאי אפשר לסדר ספרים זהים על אותו מדף, אלא אם כן כל אחד מהם מונח הפוך מהאחרים. 

עקרון האיסור של פאולי מוזכר כיום בעיקר בהקשר של אלקטרונים באותה רמת אנרגיה סביב גרעין האטום, אבל הוא כללי יותר, ומסביר גם תופעות שקשורות במבנה הגרעין עצמו, דחייה בין חלקיקים דומים ועוד. בהקשר רחב עוד יותר הוא מסביר תופעות שאנו מכירים מחיי היום-יום, כמו הכוח הנורמלי שמשטחים מפעילים בתגובה לכוח שפועל עליהם, ומונע מאיתנו ליפול לתוך הרצפה. למעשה, בעת פרסום העקרון המקורי, מונח הספין עדיין לא בא לעולם, וכך גם הפרמיונים – קבוצת החלקיקים שבה חברים גם האלקטרונים.

"עקרון האיסור" של פאולי אומר ששני פרמיונים אינם יכולים להימצא באותו מצב קוונטי, ובפרט – שני אלקטרונים אינם יכולים להיות בעלי אותו ספין. אילוסטרציה של שני חלקיקים עם ספין שונה | Richard Kail / Science Photo Library

אי אפשר להזכיר את הספין ואת עקרון האיסור בלי להזכיר גם את מטריצות פאולי – שלושה אובייקטים שמתארים את הספין מבחינה מתמטית במכניקת הקוונטים. הכלים האלה מאפשרים לפיזיקאים לבצע את החישובים הייחודיים הנוגעים בספין של חלקיק. לאור חשיבותו של הספין בתופעות פיזיקליות וכימיות רבות, ארגז הכלים הזה הוא מרכיב חשוב בפיזיקה המודרנית. 

בסוף שנות העשרים חלו תמורות מקצועיות ואישיות בחייו של פאולי. הוא עבר לחקור וללמד במכון הטכנולוגי הפדרלי של ציריך, סמוך לנישואיו לרקדנית קאטה מרגרטה דפנר (Deppner). נישואים אלה לא החזיקו מעמד זמן רב. הוא התגרש אחרי פחות משנה וב-1934 נשא לאשה את פרנציסקה ברטרם (Bertram), שהייתה נשואה לו עד סוף ימיו, בלי שנולדו להם ילדים.

התפתחות מדעית נוספת שנרשמה על שמו הגיעה ב-1931, כאשר במסגרת עבודתו על קרינת בטא – אחד מסוגי הקרינה הרדיואקטיבית שנפלטת מגרעיני אטומים – חזה את קיומו של חלקיק קליל וחסר מטען. חלקיק חסר מטען  זוהה די מהר בניסויי מעבדה, וקיבל את השם נייטרון, בזכות היותו נייטרלי, כלומר נעדר מטען חשמלי. אבל פאולי לא דיבר עליו, אלא על חלקיק שהוא גם חסר מסה. החלקיק הזה זוהה לבסוף רק רק ב-1956 וקיבל את השם נייטרינו, כלומר "נייטרון קטן". 

במסגרת עבודתו על קרינת בטא חזה פאולי את קיומו של חלקיק קליל וחסר מטען, שקיבל מאוחר יותר את השם נייטרינו. אילוסטרציה של קרינת בטא מאטום | ויקימדיה, Inductiveload

ממשבר לפסגה

לאחר חיזוי קיומו הנייטרינו וגירושיו חווה פאולי משבר נפשי קשה, שהביא אותו להיוועץ בידידו קארל יונג (Jung), אולי הפסיכואנליטיקאי החשוב ביותר מלבד פרויד. יונג ניתח את חלומותיו של המטופל, ופאולי שלא חדל להיות מדען גם בהיותו מטופל על ספת הפסיכיאטר, ניסה לתת רובד מדעי ואנליטי לתורתו של יונג. ההתכתבויות בין השניים מרוכזות בספר בשם "אטום וארכיטיפ", שבו מרוכזות פרשנויות לכ-400 מחלומותיו של הפיזיקאי.

בשנות ה-30 חיזק פאולי את קשריו עם הממסד המדעי באמריקה, והיה פרופסור אורח במכון למחקר מתקדם (IAS) בפרינסטון. כששב לציריך ב-1939 גילה שהוא הפך לאזרח גרמני בעקבות האנשלוס - סיפוחה של אוסטריה מולדתו לרייך השלישי. הוא היה אסיר תודה על שקבע את מושבו בשווייץ בשנים הבלתי אפשריות הללו. לאורך שנות מלחמת העולם השנייה לא חדל מקיום קשרים מדעיים עם מדענים סובייטיים בבית המועצות ועודד מדענים בגרמניה ובאיטליה לשמור על הנר המדעי דולק, לבל יכבה.

ב-1945, מעט לאחר תום המלחמה ומקץ לא פחות מ-20 המלצות להעניק לו פרס נובל בפיזיקה, הגיעה סוף-סוף לחיצת היד המיוחלת עם מלך שוודיה. בין הממליצים להעניק לו את הפרס באותה שנה היה אלברט איינשטיין, שסגר מעגל עם אחד מגדולי מעריציו.

יונג ניתח את חלומותיו של פאולי, ופאולי ניסה לתת רובד מדעי ואנליטי לתורתו של יונג. קרל יונג | ויקימדיה, E-Pics Bildarchiv online

הקשר הישראלי

בשנים הבאות זכה בעוד אותות הוקרה ופרסים, בהם מדליית פרנקלין ומדליית מקס פלאנק, ואף נבחר כחבר בחברה המלכותית הבריטית. פרסומים משמעותיים דווקא פחות היו לו בשנים אלה, שבהן פזל מעט לתחומי החומר המעובה. עם זאת, הוא המשיך לעסוק בפיזיקה גרעינית תאורטית, על אף תחושתו שעיקר ההישגים בתחום הזה כבר מוצו, מה שלא בהכרח היה נכון. יש שיאמרו כי פאולי מעולם הוא לא נודע כמי שמרבה לפרסם מאמרים, וחלק ניכר מהישגיו נודע בזכות חליפת מכתבים עם עמיתיו, לאו דווקא פרסומים רשמיים. 

בתור נצר ליהודים, ניכר שנטה חסד למדינת ישראל ובפרט למכון ויצמן למדע. בראשית שנות ה-50 סיימו לימודי דוקטורט שישה פיזיקאים ישראלים צעירים שיצאו ללמוד בחו"ל כדי להקים במכון ויצמן את המחלקה לפיזיקה גרעינית, כמו גם לקחת חלק משמעותי בהתנעת תוכנית הגרעין הישראלית. 

אחד מהשישה היה פרופ' יגאל תלמי, המתקרב לגיל מאה, שהיה תלמידו לדוקטורט של פאולי בציריך. "פאולי היה מגדולי הפיזיקה, בזה אין ספק", סיפר תלמי בעבר. "אבל הוא היה איש קשה מאוד כשהוא היה צעיר. רקח [יואל רקח, שהיה מורהו של תלמי בישראל – י"ב] היה שנה בהשתלמות פוסט דוקטורט אצלו, והוא בא לשאול את פאולי על משהו. פאולי ענה לו – אם את זה אתה לא מבין, אז אין לך מה לעשות פה. בזקנתו הוא כבר היה הרבה יותר נינוח ולא גירש אנשים במקל…". 

הקשר בין פאולי למכון ויצמן כולו המשיך במהלך שנות ה-50, והוא אף ביקר במכון ב-1957. בשנה שלאחר מכן חלה בסרטן הלבלב, וכאשר אושפז בחדר שמספרו 137 – מספר מיוחד במכניקת הקוונטים, הקשור לבעיית אטום המימן – ראה בכך סימן שמהחדר הזה כבר לא ייצא בחיים. הוא צדק. בגיל 58 הלך לעולמו אחד ממאורותיה הגדולים של הפיזיקה המודרנית, וולפגנג ארנסט פאולי.