沃爾夫岡·泡利

沃爾夫岡·泡利

美籍奧地利科學家沃爾夫岡·泡利(Wolfgang E.Pauli,1900~1958),是迎著20世紀一同 來到世界的,父親是維也納大學的物理化學教授,教父是奧地利的物理學家兼哲學家。

  • 中文名稱
    沃爾夫岡·泡利
  • 外文名稱
    Wolfgang Ernst Pauli
  • 出生日期
    1900年4月25日 星期三
  • 出生地
    奧地利 維也納
  • 逝世日期
    1958年12月15日 星期一 (58歲)
  • 逝世地
    瑞士 蘇黎世
  • 父親
    Wolfgang Joseph Pauli
  • 母親
    Berta Camilla Schütz
  • 配偶
    Franca Bertram
  • 國籍
    奧地利
  • 職業
    物理學家
  • 畢業院校
    路德維希-馬克西米利安大學
  • 主要成就
    泡利不相容原理 泡利矩陣
  • 主要榮譽
    諾貝爾物理學獎 普朗克獎章

人物生平

沃爾夫岡·泡利(Wolfgang E.Pauli,1900~1958),1900年4月25日生于奧地利維也納一位醫學博士的家庭裏,從童年時代就受到科學的熏陶,在中學時就自修物理學。1918年中學畢業後,泡利帶著父親的介紹信,到慕尼黑大學訪問著名物理學家索末菲(A.Sommerfeld),要求不上大學而直接做索末菲的研究生,索末菲當時沒有拒絕,卻難免不放心,但不久就發現泡利的才華,于是泡利就成為慕尼黑大學最年輕的研究生。

1918年,18歲的泡利初露鋒芒,他發表了第一篇論文,是關于引力場中能量分量的問題。1919年,泡利在兩篇論文中指出韋耳(H.Wegl)引力理論的一個錯誤,並以批判的角度評論韋耳的理論。其立論之明確,思考之成熟,令人很難相信這出自一個不滿20歲的青年之手。

泡利在演講泡利在演講

1921年,泡利以一篇氫分子模型的論文獲得博士學位。同年,他為德國的《數學科學百科全書》寫了一片長達237頁的關于狹義和廣義相對論的詞條,該文到今天仍然是該領域的經典文獻之一,愛因斯坦曾經評價說:"任何該領域的專家都不會相信,該文出自一個僅21歲的青年人之手,作者在文中顯示出來的對這個領域的理解力、熟練的數學推導能力、對物理深刻的洞察力、使問題明晰的能力、系統的表述、對語言的把握、對該問題的完整處理、和對其評價,使任何一個人都會感到羨慕。"

1922年,泡利在格丁根大學任玻恩(Max Born)的助教,和玻恩就天體攝動理論在原子物理中的運用聯名發表論文。玻恩邀請丹麥著名物理學家尼爾斯.玻爾到格丁根講學,在談論中,玻爾了解到泡利的才華,和他廣泛交談,從此開始了他們之間的長期合作。當年秋,泡利就到了哥本哈根大學理論物理研究所從事研究工作。在哥本哈根,泡利先是與克拉默斯(H.A.Kramers)共同研究了譜帶理論,然後專註于反常的塞曼效應,泡利根據朗德(Lande)的研究成果,提出了朗德因子。

1923-1928年,泡利在漢堡大學任講師。其中,1925年1月,泡利提出了他一生中發現的最重要的原理--泡利不相容原理,為原子物理的發展奠定了重要基礎。1928年到瑞士蘇黎世的聯邦工業大學任理論物理學教授。

1935年,為躲避法西斯,移居到美國。

1940年,受聘為普林斯頓高級研究所理論物理學訪問教授。

1945年, 瑞典皇家科學院授予泡利諾貝爾物理學獎,以表彰他之前發現的不相容原理。

1946年,泡利重返蘇黎世的聯邦工業大學。

沃爾夫岡·泡利

1958年12月15日,泡利在蘇黎世逝世,享年58歲。

泡利在學問上嚴謹博學,生活上雖然為人刻薄,語言尖銳,但這並不影響他在同時代物理學家心目中的地位,在那個天才輩出群雄並起的物理學史上最輝煌的年代,泡利仍然是夜空中最耀眼的巨星之一。

科學成就

泡利矩陣

1927年他引入了2× 2泡利矩陣作為自旋操作符號的基礎,由此解決了非相對論自旋的理論。泡利的結果引發了保羅·狄拉克發現描述相對論電子的狄拉克方程式。雖然狄拉克說,他發明了這些相同的矩陣自己獨立的時候,沒有受泡利的影響。

狄拉克在結合狹義相對論與量子力學的過程中,發明類似的,但更大的(4 × 4)旋轉矩陣,用以解釋費米子的自旋。

泡利原理

泡利最重要的成就是泡利原理

泡利不相容原理(Pauli's exclusion principle 又稱泡利原理、不相容原理):在原子的同一軌道中不能容納運動狀態完全相同的電子。一個原子中不可能有電子層、電子亞層、電子雲伸展方向和自旋方向完全相同的兩個電子。如氦原子的兩個電子,都在第一層(K層),電子雲形狀是球形對稱、隻有一種完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。每一軌道中隻能容納自旋相反的兩個電子,每個電子層中可能容納軌道數是n個,因此每層最多容納電子數是2n個。

β衰變

1930年,泡利考慮了β衰變中能量不守恆的問題。12月4日,在一封給莉澤·邁特納的信中,泡利向邁特納等人提出了一個當時尚未觀測到過的、電中性的、質量不大于質子質量1%的假想粒子來解釋β衰變的連續光譜。1934年,恩裏科·費米將這個粒子加入他的衰變理論並稱之為中微子。首次證實中微子存在性的是1956年Frederick Reines和克萊德考恩的實驗,兩年半之後泡利才去世。在接到訊息後,他回了一封電報:"感謝您的訊息,對于懂得等待的人,一切終將了然。泡利。"

個人履歷

命運給了泡利良好的生活、學習環境,他也自我證明了自己並未被命運寵壞。

上中學時,泡利就對當時鮮為人知的愛因斯坦的廣義相對論產生了濃厚的興趣,經常埋首研讀。1918年中學畢業後就成為慕尼黑大學索末菲教授的研究生。他的物理老師--著名的索末菲教授請他為德國正準備出版的百科全書寫一篇關于相對論的文章,泡利居然完成了一部250頁的專題論著,使教授大為驚訝。1921年,泡利獲慕尼黑大學博士學位。後來,愛因斯坦看過泡利的論著後說:"任何一個人看到這樣成熟和富于想象力的著作,都不能相信作者隻是個21歲的學生。"泡利在學生時代就已展露了不同凡響的科學才華,引起了一些著名物理學家的註意。

大學畢業後,泡利先後給馬克斯·玻恩和尼爾斯·玻爾當助手。這兩位當時站在世界物理學前沿、爾後又都獲得諾貝爾獎的科學家後來說到泡利時,都對他那尋根究底追本溯源一絲不苟的鑽研精神和他那閃現靈敏的思想火花記憶猶新。泡利總是有與眾不同的見解而且絕不輕易為別人說服,他好爭論但絕不唯我獨尊。當他驗證了一個學術觀點並得出正確結論後,不管這個觀點是他自己的還是別人的,他都興奮異常,如獲至寶,而把爭論時的面紅耳赤忘得一幹二凈。正是他這種遠世俗重真理的科學態度,贏得了索末菲、玻恩和玻爾的厚愛。他也從這些名師那裏學到了富有教益的思維方法和實驗技巧,為他後來的科研攀登打下了堅實的基礎,終于以發現量子的不相容原理而邁入世界著名物理學家的行列。

1925年春,從漢堡大學傳出一個令世界物理學界矚目的訊息:一個新的物理學原理--不相容原理誕生了。它的提出者正是當時在這個大學任教的、尚名不見經傳的年輕學者--25歲的泡利。

泡利的不相容原理可以這樣表述:一個原子中,任何兩個軌道電子的4個量子數不能完全相同。

不相容原理並沒有立刻呈現出它的價值,可是泡利的才華卻因此而得到社會的承認。1928年,他被任命為蘇黎世聯邦工學院教授;1935年,他應邀前往美國講學。1940年在美國普林斯頓高級研究所工作。此間,他還以科學的預見預言了中微子的存在,獲得普朗克獎章。直到泡利提出不相容理論20年後的1945年,這個理論的正確性和它產生的廣泛深遠的影響才得以確認。不相容原理被稱為量子力學的主要支柱之一,是自然界的基本定律,它使得當時所知的許多有關原子結構的知識變得條理化。人們可以利用泡利引入的第四個、表示電子自旋的量子數,把各種元素的電子按殼層和支殼層排列起來,並根據元素性質主要取決于最外層的電子數(價電子數)這一理論,對門捷列夫元素周期律給以科學的解釋。

他把一生投入了科學研究,34歲才結婚。

1945年,泡利因他在1925年即25歲時發現的"不相容原理",獲諾貝爾物理學獎。

1958年,不幸病逝。

泡利于1946年加入美國國籍,是美國科學發展協會的創始人之一。

泡利的主要成就是在量子力學、量子場論和基本粒子理論方面,特別是泡利不相容原理的建立和β衰變中的中微子假說等,對理論物理學的發展做出了重要貢獻。

逸聞趣事

天才的教父

泡利出生于維也納一個研究膠體化學的教授的家中,他的教父是著名的馬赫先生。馬赫先生被愛因斯坦稱為相對論的先驅--雖然馬赫先生並不給愛因斯坦這個面子,聲稱他對于相對論的相信程度,像他對分子論的相信程度一樣。而眾所周知,馬赫先生極其反對分子論,而這種反對是使那個統計物理的天才波爾茲曼最終絕望而自殺的原因之一。

泡利與實驗(泡利效應)

泡利大概天生不適合作實驗。據說他出現在哪裏,哪裏的實驗室儀器就會有故障。有次,實驗物理學家弗蘭克(J.Frank-1925年諾貝爾物理學獎得主,Franck-Hertz實驗中的那位弗蘭克)位于哥廷根大學的實驗室儀器突然失靈。于是弗蘭克寫信給泡利,很欣慰地告訴他說你總算無辜了一回。後來過了不久,泡利回信很誠實地"自首"說自己雖不在第一現場,但事發當時自己乘坐的從蘇黎世到哥本哈根的火車卻恰好在哥廷根的站台上停留了一會兒!據說弗蘭克在總結這次實驗失敗的原因時,一本正經地在其中加了一個備註--'泡利經過此地'。

卓越的貢獻

少數年輕人大約以為這個物理學的王子的名字隻是與不相容原理聯系在一起,甚至他們以為這個原理隻是量子力學的一個推論。實際上,這個原理的提出是在1925年,甚至早于海森堡提出量子力學。泡利是用他天才的洞察力從浩如煙海的光譜資料中得出的不相容原理,其難度甚至遠大過開普勒整理行星軌道的資料。泡利的貢獻遍及當時物理學的各個領域,他參與了量子力學的基礎建設,量子場論的基礎建設,相對論……在物理學領域,泡利似乎是一個征服者而不是一個殖民者,他大量的工作沒有發表,而是遺留在私人信件裏。在今天能查到的信件中,我們發現大量這樣的例子,他的關于矩陣力學和波動力學的等價性證明是寫在給Jordan的信件裏,測不準原理首先出現在他給海森堡的信件裏,狄拉克的泊松括弧量子化被Hendrik Kramers 獨立發現,而他指出,泡利早就指出了這種對易關系的表示方法。或許有些天才的生命是註定短暫的,泡利生于1900年,于1958年去世,僅比他心中的帝王(愛因斯坦1879-1955)晚去世3年,他唯一的遺憾就是一生中覺得沒有做出像他的king一樣偉大的工作。

銳利的眼光

作為一個物理學家,泡利眼光是相當銳利的。比如費曼說的那個故事,泡利預言惠勒永遠做不出那個什麽超前延後勢的量子力學推廣(果然他沒作出),費曼事後著實被泡利的眼光震驚了。

泡利年輕的時候大概是他最牛的時候,他和海森堡認識的時候,雖然不一樣大,但是海森堡對他當真是言聽計從,看來十分崇拜。海森堡剛開始想做相對論方向的工作,泡利作為已經在相對論方面已經算是一個小專家的人物,他告訴海森堡,他覺得相對論方面近期的進展是沒有希望的了,但在原子物理方面機會卻是大大的。要是海森堡去做相對論,就不是現在的樣子了。

獨特的個性

泡利以嚴謹博學而著稱,也以尖刻和愛挑刺而聞名。

1、泡利在二十歲時,有一次前去聆聽愛因斯坦的演講,坐在最後一排座位,他向愛因斯坦提出了一些問題,其火力之猛,連愛因斯坦都招架不住。據說此後愛因斯坦演講時,眼光都要特別掃過最後一排,查驗有無熟悉的身影出現。

另外還傳聞,愛因斯坦在一次國際會議上做報告,結束後泡利站起來說:"我覺得愛因斯坦並不完全是愚蠢的。"

2、一次,在聽了義大利物理學家塞格雷(後來發現反質子)的報告之後,泡利說:"我從來沒有聽過像你這麽糟糕的報告。"塞格雷一言未發。泡利想了一想,回身對同行的瑞士物理化學家布瑞斯徹說:"如果你來做報告,情況會更加糟糕。當然,你上次在蘇黎世的開幕式報告除外。"

3、一次,泡利想去某地,但不知該怎麽走,一位同事告訴了他。後來那位同事問他找到沒有,他說:"不談物理學的時候,你的思路應該說是清楚的。"

4、他曾經批評學生的論文, "連錯誤都算不上。"他對一篇文章最好的評價就是:"這章幾乎沒有錯。"Kronig最早提出電子自旋的概念,可是拿著論文去找泡利,被罵了一頓,因為泡利指出計算不符合相對論。于是他們沒敢發這篇文章,悲慘啊。

5、泡利被玻爾稱為"物理學的良知",因為他的敏銳、謹慎和挑剔,使他具有一眼就能發現錯誤的能力。物理學界笑談存在一種"泡利效應"──泡利出現在哪裏,那裏的人不管是在做理論推導還是實驗操作都會出岔子。

6、以放蕩不羈著名的物理學家費曼對別人的意見常常擺出一副"你管別人怎麽說的"神氣,但當有人提起泡利對當代物理學家的批判時,費曼卻迫不及待想知道泡利對他做了何種評判,結果泡利仍然是不脫一貫的尖刻,說"費曼那家伙,講起話來簡直就像是紐約的黑社會人物"。費曼聽了也隻能哈哈大笑。

7、泡利說:"喔,這竟然沒什麽錯。"這通常表示一種高度贊許。

有人編了一個笑話:泡利死後去見上帝,上帝把自己對世界的設計方案給他看,泡利看完後聳聳肩,說道:"你本來可以做得更好些……"

這個笑話的另一版本是:泡利死後,來到天堂見到上帝。上帝把他關于宇宙的設計給泡利看。泡利看了半天,撓了撓頭,說:"居然找不到什麽錯。"

最後補充一點,泡利雖然為人刻薄,語言尖銳,但這並不影響他在同時代物理學家心目中的地位。在那個天才輩出,群雄並起的物理學史上最輝煌的年代,英年早逝的泡利仍然是夜空中最耀眼的幾顆巨星之一,以致在他死後很久,當物理學界又有新的進展時,人們還常常想起他:"不知道如果泡利還活著的話,對此又有什麽高見。"

泡利和愛因斯坦

對于所有熱愛科學的人來說,愛因斯坦在上一世紀簡直就是上帝。波恩曾經認為,泡利也許是比愛因斯坦還牛的科學家,不過他又補充說,泡利完全是另一類人,"在我看來,他不可能像愛因斯坦一樣偉大。"

那麽泡利是怎麽看愛因斯坦的呢?在1945年,泡利終于拿到了那個他覺得自己20年前就應該拿到的諾貝爾獎後,普林斯頓高等研究院為泡利開了慶祝會,愛因斯坦為此在會上演講表示祝賀。泡利後來寫信給波恩回憶這一段,說"當時的情景就像物理學的王傳位于他的繼承者。"泡利倒是一點都不客氣,認為自己就是繼承者了。

天才的遺憾

泡利一生最遺憾的是,他是那個時代公認最聰明的物理學家,卻沒有做一個劃時代的發現。

他一生喜歡評論別人的東西,經常是一針見血,不過很可惜,他一生反對錯了最重要的兩件事情,一個電子自旋, 一個宇稱不守恆。可能一個人過于敏銳了,對于一些違反常規的想法有一種本能的抵製。

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