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沃尔夫冈泡利

沃尔夫冈泡利(Wolfgang E.Pauli),1900年4月25日生于奥地利维也纳,毕业于慕尼黑大学,1958年12月15日,在苏黎世逝世,享年58岁。美籍奥地利科学家、物理学家。

父亲是维也纳大学的物理化学教授,教父是奥地利的物理学家兼哲学家。

1900年4月25日生于奥地利维也纳一位医学博士的家庭里,从童年时代就受到科学的熏陶,在中学时就自修物理学。

1918年中学毕业后,泡利带着父亲的介绍信,到慕尼黑大学访问著名物理学家苏末菲(A.Sommerfeld),要求不上大学而直接做索末菲的研究生,索末菲当时没有拒绝,却难免不放心,但不久就发现泡利的才华,于是泡利就成为慕尼黑大学最年轻的研究生。

1918年,18岁的泡利初露锋芒,他发表了第一篇论文,是关于引力场中能量分量的问题。

1919年,泡利在两篇论文中指出韦耳(H.Wegl)引力理论的一个错误,并以批判的角度评论韦耳的理论。其立论之明确,思考之成熟,令人很难相信这出自一个不满20岁的青年之手。

1921年,泡利以一篇氢分子模型的论文获得博士学位。同年,他为德国的《数学科学百科全书》写了一篇长达237页的关于狭义和广义相对论的词条,该文到今天仍然是该领域的经典文献之一,爱因斯坦曾经评价说:“任何该领域的专家都不会相信,该文出自一个仅21岁的青年人之手,作者在文中显示出来的对这个领域的理解力、熟练的数学推导能力、对物理深刻的洞察力、使问题明晰的能力、系统的表述、对语言的把握、对该问题的完整处理、和对其评价,使任何一个人都会感到羡慕。”

1922年,泡利在哥廷根大学任玻恩(Max Born)的助教,和玻恩就天体摄动理论在原子物理中的运用联名发表论文。玻恩邀请丹麦著名物理学家尼尔斯.玻尔到格丁根讲学,在谈论中,玻尔了解到泡利的才华,和他广泛交谈,从此开始了他们之间的长期合作。当年秋,泡利就到了哥本哈根大学理论物理研究所从事研究工作。在哥本哈根,泡利先是与克拉默斯(H.A.Kramers)共同研究了谱带理论,然后专注于反常的塞曼效应,泡利根据朗德(Lande)的研究成果,提出了朗德因子。

19231928年,泡利在汉堡大学任讲师。

1925年1月,泡利提出了他一生中发现的最重要的原理泡利不相容原理,为原子物理的发展奠定了重要基础。

1928年到瑞士苏黎世的联邦工业大学任理论物理学教授。

1935年,为躲避法西斯,移居到美国。

1940年,受聘为普林斯顿高级研究所理论物理学访问教授。

1945年, 瑞典皇家科学院授予泡利诺贝尔物理学奖,以表彰他之前发现的不相容原理。

1946年,泡利重返苏黎世联邦理工学院。

1958年12月15日,泡利在苏黎世逝世,享年58岁。

1927年他引入了2× 2泡利矩阵作为自旋操作符号的基础,由此解决了非相对论自旋的理论。泡利的结果引发了保罗狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。虽然狄拉克说,他发明了这些相同的矩阵自己独立的时候,没有受泡利的影响。

狄拉克在结合狭义相对论与量子力学的过程中,发明类似的,但更大的(4 × 4)旋转矩阵,用以解释费米子的自旋。

泡利最重要的成就是泡利原理

泡利不相容原理(Pauli’s exclusion principle 又称泡利原理、不相容原理):在原子的同一轨道中不能容纳运动状态完全相同的电子。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。每一轨道中只能容纳自旋相反的两个电子,每个电子层中可能容纳轨道数是n个,因此每层最多容纳电子数是2n个。

1930年,泡利考虑了β衰变中能量不守恒的问题。12月4日,在一封给莉泽迈特纳的信中,泡利向迈特纳等人提出了一个当时尚未观测到过的、电中性的、质量不大于质子质量1%的假想粒子来解释β衰变的连续光谱。1934年,恩里科费米将这个粒子加入他的衰变理论并称之为中微子。首次证实中微子存在性的是1956年Frederick Reines和克莱德考恩的实验,两年半之后泡利才去世。在接到消息后,他回了一封电报:“感谢您的消息,对于懂得等待的人,一切终将了然。泡利。” [1]

命运给了泡利良好的生活、学习环境,他也自我证明了自己并未被命运宠坏。

上中学时,泡利就对当时鲜为人知的爱因斯坦的广义相对论产生了浓厚的兴趣,经常埋首研读。1918年中学毕业后就成为慕尼黑大学苏末菲教授的研究生。他的物理老师著名的索末菲教授请他为德国正准备出版的百科全书写一篇关于相对论的文章,泡利居然完成了一部250页的专题论著,使教授大为惊讶。1921年,泡利获慕尼黑大学博士学位。后来,爱因斯坦看过泡利的论著后说:“任何一个人看到这样成熟和富于想象力的著作,都不能相信作者只是个21岁的学生。”泡利在学生时代就已展露了不同凡响的科学才华,引起了一些著名物理学家的注意。

大学毕业后,泡利先后给马克斯玻恩和尼尔斯玻尔当助手。这两位当时站在世界物理学前沿,而后又都获得诺贝尔奖的科学家后来说到泡利时,都对他那寻根究底追本溯源一丝不苟的钻研精神和他那闪现灵敏的思想火花记忆犹新。泡利总是有与众不同的见解而且绝不轻易为别人说服,他好争论但绝不唯我独尊。当他验证了一个学术观点并得出正确结论后,不管这个观点是他自己的还是别人的,他都兴奋异常,如获至宝,而把争论时的面红耳赤忘得一干二净。正是他这种远世俗重真理的科学态度,赢得了索末菲、玻恩和玻尔的厚爱。他也从这些名师那里学到了富有教益的思维方法和实验技巧,为他后来的科研攀登打下了坚实的基础,终于以发现量子的不相容原理而迈入世界著名物理学家的行列。

1925年春,从汉堡大学传出一个令世界物理学界瞩目的消息:一个新的物理学原理不相容原理诞生了。它的提出者正是当时在这个大学任教的、尚名不见经传的年轻学者25岁的泡利。

泡利的不相容原理可以这样表述:一个原子中,任何两个轨道电子的4个量子数不能完全相同。

不相容原理并没有立刻呈现出它的价值,可是泡利的才华却因此而得到社会的承认。1928年,他被任命为苏黎世联邦工学院教授;1935年,他应邀前往美国讲学。1940年在美国普林斯顿高级研究所工作。此间,他还以科学的预见预言了中微子的存在,获得普朗克奖章。直到泡利提出不相容理论20年后的1945年,这个理论的正确性和它产生的广泛深远的影响才得以确认。不相容原理被称为量子力学的主要支柱之一,是自然界的基本定律,它使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得条理化。人们可以利用泡利引入的第四个、表示电子自旋的量子数,把各种元素的电子按壳层和支壳层排列起来,并根据元素性质主要取决于最外层的电子数(价电子数)这一理论,对门捷列夫元素周期律给以科学的解释。

他把一生投入了科学研究,34岁才结婚。

1945年,泡利因他在1925年即25岁时发现的“不相容原理”,获诺贝尔物理学奖。

1958年,不幸病逝。

泡利于1946年加入美国国籍,是美国科学发展协会的创始人之一。

泡利的主要成就是在量子力学、量子场论和基本粒子理论方面,特别是泡利不相容原理的建立和β衰变中的中微子假说等,对理论物理学的发展做出了重要贡献。

天才的教父

泡利出生于维也纳一个研究胶体化学的教授的家中,他的教父是著名的马赫先生。马赫先生被爱因斯坦称为相对论的先驱虽然马赫先生并不给爱因斯坦这个面子,声称他对于相对论的相信程度,像他对分子论的相信程度一样。而众所周知,马赫先生极其反对分子论,而这种反对是使那个统计物理的天才波尔兹曼最终绝望而自杀的原因之一。

泡利与实验(泡利效应)

泡利大概天生不适合作实验。据说他出现在哪里,哪里的实验室仪器就会有故障。有次,实验物理学家弗兰克(J.Frank-1925年诺贝尔物理学奖得主,Franck-Hertz实验中的那位弗兰克)位于哥廷根大学的实验室仪器突然失灵。于是弗兰克写信给泡利,很欣慰地告诉他说你总算无辜了一回。后来过了不久,泡利回信很诚实地“自首”说自己虽不在第一现场,但事发当时自己乘坐的从苏黎世到哥本哈根的火车却恰好在哥廷根的站台上停留了一会儿!据说弗兰克在总结这次实验失败的原因时,一本正经地在其中加了一个备注‘泡利经过此地’。

卓越的贡献

少数年轻人大约以为这个物理学的王子的名字只是与不相容原理联系在一起,甚至他们以为这个原理只是量子力学的一个推论。实际上,这个原理的提出是在1925年,甚至早于海森堡提出量子力学。泡利是用他天才的洞察力从浩如烟海的光谱数据中得出的不相容原理,其难度甚至远大过开普勒整理行星轨道的数据。泡利的贡献遍及当时物理学的各个领域,他参与了量子力学的基础建设,量子场论的基础建设,相对论 ……在物理学领域,泡利似乎是一个征服者而不是一个殖民者,他大量的工作没有发表,而是遗留在私人信件里。在今天能查到的信件中,我们发现大量这样的例子,他的关于矩阵力学和波动力学的等价性证明是写在给若尔当的信件里,测不准原理首先出现在他给海森堡的信件里,狄拉克的泊松括号量子化被Hendrik Kramers 独立发现,而他指出,泡利早就指出了这种对易关系的表示方法。或许有些天才的生命是注定短暂的,泡利生于1900年,于1958年去世,仅比他心中的帝王(爱因斯坦1879-1955)晚去世3年,他唯一的遗憾就是一生中觉得没有做出像他的king一样伟大的工作。

锐利的眼光

作为一个物理学家,泡利眼光是相当锐利的。比如费曼说的那个故事,泡利预言惠勒永远做不出那个什么超前推迟势的量子力学推广(果然他没作出),费曼事后着实被泡利的眼光震惊了。

泡利年轻的时候大概是他最牛的时候,他和海森堡认识的时候,虽然不一样大,但是海森堡对他当真是言听计从,看来十分崇拜。海森堡刚开始想做相对论方向的工作,泡利作为已经在相对论方面已经算是一个小专家的人物,他告诉海森堡,他觉得相对论方面近期的进展是没有希望的了,但在原子物理方面机会却是大大的。要是海森堡去做相对论,就不是现在的样子了。

独特的个性

泡利以严谨博学而著称,也以尖刻和爱挑刺而闻名。

1、泡利在二十岁时,有一次前去聆听爱因斯坦的演讲,坐在最后一排座位,他向爱因斯坦提出了一些问题,其火力之猛,连爱因斯坦都招架不住。据说此后爱因斯坦演讲时,眼光都要特别扫过最后一排,查验有无熟悉的身影出现。

另外还传闻,爱因斯坦在一次国际会议上做报告,结束后泡利站起来说:“我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的。”

2、一次,在听了意大利物理学家塞格雷(后来发现反质子)的报告之后,泡利说:“我从来没有听过像你这么糟糕的报告。”塞格雷一言未发。泡利想了一想,回身对同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说:“如果你来做报告,情况会更加糟糕。当然,你上次在苏黎世的开幕式报告除外。”

3、一次,泡利想去某地,但不知该怎么走,一位同事告诉了他。后来那位同事问他找到没有,他说:“不谈物理学的时候,你的思路应该说是清楚的。”

4、他曾经批评学生的论文, “连错误都算不上。”他对一篇文章最好的评价就是:“这章几乎没有错。”Kronig最早提出电子自旋的概念,可是拿着论文去找泡利,被骂了一顿,因为泡利指出计算不符合相对论。于是他们没敢发这篇文章,悲惨啊。

5、泡利被玻尔称为“物理学的良知”,因为他的敏锐、谨慎和挑剔,使他具有一眼就能发现错误的能力。物理学界笑谈存在一种“泡利效应”──泡利出现在哪里,那里的人不管是在做理论推导还是实验操作都会出岔子。

6、以放荡不羁著名的物理学家费曼对别人的意见常常摆出一副“你管别人怎么说的”神气,但当有人提起泡利对当代物理学家的批判时,费曼却迫不及待想知道泡利对他做了何种评判,结果泡利仍然是不脱一贯的尖刻,说“费曼那家伙,讲起话来简直就像是纽约的黑社会人物”。费曼听了也只能哈哈大笑。

7、泡利说:“哦,这竟然没什么错。”这通常表示一种高度赞许。

有人编了一个笑话:泡利死后去见上帝,上帝把自己对世界的设计方案给他看,泡利看完后耸耸肩,说道:“你本来可以做得更好些……”

这个笑话的另一版本是:泡利死后,来到天堂见到上帝。上帝把他关于宇宙的设计给泡利看。泡利看了半天,挠了挠头,说:“居然找不到什么错。”

最后补充一点,泡利虽然为人刻薄,语言尖锐,但这并不影响他在同时代物理学家心目中的地位。在那个天才辈出,群雄并起的物理学史上最辉煌的年代,英年早逝的泡利仍然是夜空中最耀眼的几颗巨星之一,以致在他死后很久,当物理学界又有新的进展时,人们还常常想起他:“不知道如果泡利还活着的话,对此又有什么高见。”

泡利和爱因斯坦

对于所有热爱科学的人来说,爱因斯坦在上一世纪简直就是上帝。波恩曾经认为,泡利也许是比爱因斯坦还牛的科学家,不过他又补充说,泡利完全是另一类人,“在我看来,他不可能像爱因斯坦一样伟大。”

那么泡利是怎么看爱因斯坦的呢?在1945年,泡利终于拿到了那个他觉得自己20年前就应该拿到的诺贝尔奖后,普林斯顿高等研究院为泡利开了庆祝会,爱因斯坦为此在会上演讲表示祝贺。泡利后来写信给波恩回忆这一段,说“当时的情景就像物理学的王传位于他的继承者。”泡利倒是一点都不客气,认为自己就是继承者了。

天才的遗憾

泡利一生最遗憾的是,他是那个时代公认最聪明的物理学家,却没有做一个划时代的发现。

他一生喜欢评论别人的东西,经常是一针见血,不过很可惜,他一生反对错了最重要的两件事情,一个电子自旋, [2] 一个宇称不守恒。可能一个人过于敏锐了,对于一些违反常规的想法有一种本能的抵制。 [2]


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