Principe d'exclusion de Pauli
En 1925, Wolfgang Pauli proposa un principe selon lequel les fermions (particules de spin semi-entier tels que les électrons, protons ou neutrons), ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique.
L'état quantique d'une particule est défini par des « nombres quantiques ». Le principe d'exclusion interdit à tout fermion appartenant à un système de fermions d'avoir les même nombres quantiques qu'un autre fermion du système. Par exemple, dans l'atome, les électrons sont caractérisés par les nombres correspondant aux lettres n, l, m et ms : si un électron a la combinaison (1, 0, 0, ½), il est nécessairement le seul.
Cela limite donc le nombre d'électrons par couche : dans la première couche caractérisée par n=1, (l=0, m=0), il n'y a que 2 possibilités, correspondant aux états ms=±½ ; cette couche ne peut donc accepter que deux électrons.
En astrophysique, l'effondrement d'étoiles à neutrons qui demande aux neutrons un même mouvement, donc une même énergie, est limité par le principe d'exclusion qui explique en partie la cohésion de ces étoiles mortes extrêmement massives qui normalement devraient s'effondrer sous l'effet de la gravitation. Cependant, lorsque l'étoile est trop massive, le principe d'exclusion ne tient plus et alors l'étoile s'effondre en un trou noir.
La version quantique de la relativité prévoit l'existence de niveaux d'énergie négative : le principe d'exclusion permet d'expliquer pourquoi toutes les particules ne disparaissent pas toutes dans ces niveaux-là (car toute particule tend à aller vers l'état d'énergie le plus bas possible) si l'on considère comme le fit Dirac que tous les états d'énergies sont occupés. Ils ne peuvent donc pas être habités par d'autres fermions identiques.