物理群星
沃尔夫冈·泡利 肖像

图:Bettina Katzenstein / ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv / CC BY-SA 3.0

沃尔夫冈·泡利

Wolfgang Pauli

1900–1958 · 生于奥地利维也纳 · 奥地利 → 瑞士 / 美国

量子力学粒子物理

「物理学的良心」——为电子立下规矩、为中微子留下名字的人

诺贝尔物理学奖 1945 发现不相容原理

「这连错误都算不上。」

—— 据物理学家佩尔斯回忆,泡利对一篇立论含混的论文的评语(意译)

人生时间线

  1. 1900

    生于维也纳,教父是物理学家兼哲学家恩斯特·马赫

  2. 1918

    中学毕业后赴慕尼黑,投入索末菲门下

  3. 1921

    获博士学位;为《数学科学百科全书》撰写的相对论长文出版,令爱因斯坦叹服

  4. 1925

    提出不相容原理——两个电子不能占据同一个量子态

  5. 1928

    出任苏黎世联邦理工学院理论物理教授

  6. 1930

    在致「放射性女士们、先生们」的信中提出中微子假说

  7. 1945

    因发现不相容原理获诺贝尔物理学奖

  8. 1956

    莱因斯与考恩来电报告探测到中微子,泡利回电「一切都会来到懂得等待的人身边」

  9. 1958

    病逝于苏黎世红十字医院——137 号病房

伟大发现

代表方程

全同费米子波函数的反对称性

ψ(1,2)=ψ(2,1)\psi(1,2) = -\psi(2,1)

把两个一模一样的费米子互换位置,波函数就要变一次号。若它们硬要挤进同一个量子态,波函数便等于自己的负值——只能是零。「不相容」的禁令,就藏在这个负号里。

在量子力学的开创者中,泡利也许是最不留情面的一位。同行敬他,也怕他:敬他眼光毒辣、判断精准,怕他一句话就能把一篇论文钉在墙上。但正是这位「毒舌判官」,为微观世界立下了一条最基本的规矩——不相容原理,还凭一封信预言了宇宙中数量最多、也最难捉摸的粒子之一。

维也纳神童

泡利 1900 年生于维也纳,教父是大名鼎鼎的恩斯特·马赫——那位连爱因斯坦都自认受其启发的物理学家兼哲学家。中学时代他就偷偷读广义相对论的论文,十八岁投入慕尼黑名师索末菲门下。索末菲把一件大事交给了这个学生:为权威的《数学科学百科全书》撰写相对论综述。二十一岁的泡利交出一部两百多页的长文,从数学结构到实验检验无一遗漏。爱因斯坦读后公开撰文称赞,大意是:读过这部成熟而气势恢宏的著作,谁能相信作者只是个二十一岁的年轻人?这部「学生作业」至今仍是相对论的经典文献。

物理学的良心

此后泡利先后在哥廷根与哥本哈根工作,跟随玻恩与玻尔,很快成了整个量子圈的「质检员」。同行把新想法寄给他「过堂」,他的评语毫不留情:最著名的一句是评价某篇含混的论文——「这连错误都算不上」(not even wrong)。错误至少还能被证伪,而含混连被反驳的资格都没有。人们叫他「物理学的良心」,因为经他挑剔而幸存的理论,才让人放心。物理圈还流传着「泡利效应」的玩笑:只要他一走进实验室,仪器就会莫名其妙地坏掉——据说有一次哥廷根实验室的设备无故损毁,事后查明,那一刻泡利乘坐的火车正好停靠在哥廷根车站。

为电子立规矩

1925 年,原子光谱中的反常塞曼效应和电子诡异的「二值性」困扰着所有人:为什么电子在原子里的排布呈现出 2、8、18 的分层结构?泡利给出了答案:电子除了已知的三个量子数,还有第四个只能取两个值的量子数(几个月后乌伦贝克与古兹密特指出它就是自旋);而且——任何两个电子都不能占据完全相同的量子态。这条不相容原理解释了元素周期表,也解释了物质为什么占据体积而不塌缩。1945 年,在爱因斯坦提名下,它为泡利赢得了诺贝尔奖。

绝望之举

1930 年,β 衰变中的能量似乎凭空消失了,连玻尔都准备放弃能量守恒。泡利想出了另一条路:衰变时还放出了一个看不见的中性粒子,带走了缺失的能量。他没有发论文,只在一封以「亲爱的放射性女士们、先生们」开头的信里向图宾根的一场会议提出这个「绝望之举」。他后来对天文学家巴德说过大意如此的话:我做了一件理论物理学家绝不该做的事——预言了一个也许永远探测不到的粒子。二十六年后的 1956 年,莱因斯与考恩发来电报:中微子找到了。泡利回电,大意是:「谢谢你们的消息。一切都会来到懂得等待的人身边。」

137 号病房

泡利的内心远比外表复杂。三十年代初经历离婚与酗酒危机后,他求助于心理学家荣格,此后与荣格通信二十余年,讨论梦境、原型与物理直觉,这批信件后来结集出版。他一生痴迷于精细结构常数为何约等于 1/137,视之为物理学最深的谜。1958 年底他因胰腺癌住进苏黎世红十字医院,据助手恩茨回忆,泡利问他:你看到病房号了吗?——137。他于当年 12 月 15 日在这间病房去世,谜题留给了后人。

思想的传承

曾受影响于

阿诺德·索末菲 尼尔斯·玻尔

深刻影响了

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