沃尔夫冈·欧内斯特·泡利 [ 註 1] [ 註 2] (德語:Wolfgang Ernst Pauli ,1900年4月25日—1958年12月15日),奥地利 理论物理学 家,是量子力学 研究先驱者之一。1945年,在愛因斯坦 的提名下,他因泡利不相容原理 而获得诺贝尔物理学奖 。泡利不相容原理涉及自旋 理论,是理解物质结构乃至化学的基础。
生平
家庭背景
1900年,泡利出生于奥地利 维也纳 ,父亲是化學家沃尔夫冈·約瑟夫·泡利 (Wolfgang Joseph Pauli,本名为Wolf Pascheles,1869-1955),母亲是贝尔塔·许茨 (Bertha Schütz)。物理學家恩斯特·马赫 是泡利的教父 ,為了紀念他,泡利的中間名為「恩斯特」。
泡利的祖父母來自於布拉格 顯赫的猶太 家庭;他的曾祖父是捷克猶太人出版商Wolf Pascheles。[ 3] 在結婚前不久,1899年,泡利的父亲從猶太教 转信羅馬天主教 。泡利的母親伯莎從小薰陶於外祖母篤信的羅馬天主教 ;他的外祖父是猶太作家弗里德里希·许茨 (Friederich Schütz)。
泡利信奉羅馬天主教,不過後來和他的父母都脱离了教會。[ 4] 他可能是自然神論者 。[ 5]
早期经历
泡利就讀於维也納的一所文理中學 (Döblinger-Gymnasium),1918年以优秀的成绩毕业。畢業仅兩個月后,神童 泡利就发表了他的第一份科学论文,这篇论文是关于阿尔伯特·爱因斯坦 的廣義相对论 。他进入慕尼黑大学 ,他的博士导师是物理大師阿諾·索末菲 。在索末菲的嚴格督導下,泡利專心研究關於电离化氢 分子的量力理论。1921年7月,泡利获得哲學博士 学位。
阿諾·索末菲 很看重泡利的能力,他要求泡利為《数学科学百科全书》(Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften)寫一篇關於相对论 的評審文章。在获得博士学位两个月之後,泡利完成了这篇一共有237页长的文章。爱因斯坦对这篇文章高度赞賞,它也被出版成书。直到今天,这篇文章依然是相对论最经典的参考文獻。
此后一年,泡利在哥廷根大学 马克斯·玻恩 手下做助手,然后他又在哥本哈根 的理論物理研究所工作了一年,這研究所在1965年成為尼爾斯·波耳研究所 。从1923年到1928年,他在汉堡大学 擔任講師。在这段时间里,他發展出许多现代量子力学 的關鍵理论,尤其是提出了泡利不相容原理 和非相对论性自旋 理论。
瑞士
1928年,泡利任聘为瑞士苏黎世联邦理工学院 理论物理教授。在那裏,他研究出很多重要科學結果。1931年,泡利被聘為密歇根大学 客座教授。1935年,又獲聘為普林斯顿高等研究院 客座教授。1931年,他被授予洛侖茲獎章 (Lorentz Medal)。
1929年5月,泡利退出罗马天主教 会。同年12月,他与Käthe Margarethe Deppner结婚,但他的婚姻并不美滿,两人结婚不到一年,就于1930年11月离婚了。
1930年年底,泡利離婚並提出中微子 的假說之後不久,他出现嚴重的神经衰弱症。泡利拜访了與他同样住在苏黎世 附近的心理医生卡尔·荣格 。荣格开始深層分析泡利的原型 梦。[ 6] 泡利成为荣格的最優秀学生。可是很快地,他开始使用科学方法批評荣格理论中的认识论 问题,他的評論一定程度影響了後世的思想,尤其是共时性 的觀念。荣格与泡利之间的许多讨论都纪录在两人的通信中,这些信后来被出版为著作《原子与原型》。榮格對於泡利的400多個夢的詳細分析全都記錄在著作《心理學和煉金術》。
1934年,泡利与Franziska Bertram再婚,这次婚姻一直持续到他逝世。
1938年,德国 與奥地利合併 後,泡利成为了德国人。1939年,第二次世界大战 爆发后,他的处境變得很困难。1940年,他試圖申請成為瑞士公民,這樣他就可以繼續在苏黎世联邦理工学院教書[ 7] ,可惜未果。他只好遠赴美國普林斯顿高等研究院 擔任理论物理教授。二战過後,在1946年,泡利在返回苏黎世之前加入美国 国籍。1949年,他終於獲得了瑞士国籍。他回到蘇黎世,並在那裡度過餘生。
1945年泡利获得诺贝尔物理学奖,提名泡利的是爱因斯坦,理由是他“於泡利不相容原理此一新自然定律做出的重要贡献”。
1958年泡利获頒马克斯·普朗克奖章 。同年,他被發現患有胰腺癌 。泡利进入苏黎世的红十字会医院后,有一次他的助手查爾斯·恩斯(Charles Enz)去看望他,泡利问他的助手:“你看到这间房的号码了吗?”他的病房的号码是137。終其一生,泡利時常思考一個奇異的問題──為什麼精细结构常数 (一個無量綱 的基本常數)會近似於1/137。1958年12月15日,泡利在这间病房中逝世,享年58歲。[ 8]
科学成就
泡利在物理学上,尤其是量子力学,做了许多非常重要的贡献,但是泡利很少发表论文,他比較喜歡與同行(比如與他往來非常密切的尼尔斯·玻尔 和沃纳·海森堡 )交换長篇的信件。他在书信中的許多主意从未被发表过,他的收信人總是将他的信拷贝后给其他同行们看。泡利显然並不是很關心他的发现,因此后来没有归功于他。以下是泡利研究出來的,需归功于他的重要成果:
1924年,泡利提出了一個有兩個可能值的新量子自由度(或量子數),它可以解釋觀測到的分子光譜和量子力學之間的矛盾。他还提出了泡利不相容原理,这个原理指出同原子裡的两个电子 无法同時存在於同一個量子状态,而這個量子狀態可以透過四個量子數來描述。(即主量子數、角量子數、磁量子數與自旋量子數)自旋的想法源自於拉尔夫·克罗尼格 。一年后乔治·尤金·乌伦贝克 和塞缪尔·高德斯密特 將电子自旋視為泡利所提出的新的自由度。
1926年,海森堡发表了量子力学的矩阵理论后不久,泡利就使用这个理论推导出了氢原子的光谱。这个结果对于验证海森堡理论的可信度非常重要。
1927年,他引入了2× 2泡利矩陣 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。泡利可能影響保罗·狄拉克 发现狄拉克方程式 。不過狄拉克說,這些相同的矩陣是他獨立發明的,沒有受泡利的影響。狄拉克發明了類似但更大的(4 × 4)旋轉矩陣來處理費米子的自旋。
1930年,泡利思考了β衰變的問題。在12月4日在一封给莉泽·迈特纳 等人的以“親愛的放射性女士先生們”為開頭的信中,泡利提出存在一種电中性的迄今为止未被觀測到的小質量粒子、其質量不大於質子質量的1%,並以此来解释β衰变 的连续光谱。1934年恩里科·费米 将这个被称为中微子的粒子引入他的β衰变理论。在泡利去世之前的兩年半,中微子首次在1956年,由Frederick Reines和克萊德考恩的实验证实。在接到這個消息後,他回覆了一封電報:“感謝您的消息,對於懂得等待的人一切終將變得瞭然。泡利。”
1940年,泡利证明了自旋統計定理 --带半数自旋 的粒子是费米子 ,带整数的自旋 的粒子是玻色子 。
1949年,他發表了一篇关于泡立-維拉斯正規化的論文,正規化 是處理無限大、發散以及一些不合理表示式的方法。
泡利多次批評進化生物學 裡的現代演化綜論 ,[ 9] [ 10] 他的當代支持者認為表觀遺傳學 可以支持泡利的看法。
[ 11] 此外,泡利修正保罗·德鲁德 在1900年提出的金属 内电子运动的经典模型。他首先意识到自由电子在金属内部的行为必须遵守费米-狄拉克统计 。基于这个思路,他在1926年发展出順磁性理論 。泡利开启了现代固体物理学 的发展,而他仍批評“固体物理学 是脏东西的物理”,[ 12] 可以看出泡利的态度。
轶事趣闻
在物理上泡利是一个完美主义 者,这不光表现在自己的工作,也同样适用在他看待他人成果的态度。泡利的这种刻薄與挑剔被玻尔称为“物理学的良知”(Conscience of physics),他的同行非常尊重他的评论。面对有缺失的理论泡利给予严厉无情的批评,将它们视为“彻底错误”(德语:Ganz falsch)。不过这还不是最严厉的,有一次他对针对某位年轻物理学家的一篇论文发表的评价是“甚至连错误都算不上(Not even wrong )”,成为了一句物理学家中的内行笑话。后来有人将“Not even wrong”引申为与科学哲学上的可证伪性原理(principle of falsifiability)相联系的概念:从可证伪性原理的角度上讲,"错误"好歹算是能被证伪的东西,“Not even wrong”则是连可证伪性都不具有,因而连错误都不如。[ 13]
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「泡利效應 」——泡利出现在哪,那里的理论推导就会出岔子、實驗設備都会遭殃的奇特現象。泡利對這個現象很欣喜,因為這些奇怪的事件符合他對超心理學的研究,特別是他與榮格合作的同步性概念。
有一次泡利想去某地,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。”
頂尖物理學家保羅·埃倫費斯特 與泡利的第一次相遇是在某一次的會議上。埃倫費斯特對泡利的論文很熟悉,而且相當的印象深刻。經過幾分鐘的交談,埃倫費斯特說:“我想我喜歡你的百科文章更甚於喜歡你本人”泡利回話說,“真是奇怪,你對於我來說,剛好相反。”從此兩人成了很好的朋友。[ 14]
海森堡回憶在1927年的索爾維會議 裡,他與愛因斯坦 及普朗克 進行了一次關於宗教 觀點的友好交談。沃爾夫岡·泡利、海森堡 、狄拉克 都參加了這次會議。狄拉克對於宗教在政治上的操縱給了犀利嚴正的批評。波爾 對他的洞察力大加讚賞。除此之外,狄拉克說:「我無法理解為什麼要浪費時間討論宗教。如果我們是誠實的 – 且作為科學家誠實是我們明確的職責 – 我們不得不承認所有宗教都是一派胡言,完全沒有實際的根據。上帝 的存在是人類想像的產物。[…]我不承認任何宗教神話,至少因為他們互相矛盾 。[…]」海森堡則採用的寬和的觀點。泡利在這些初步言論後一直保持沉默。不過終於有人問起他的意見時,他開玩笑的說:「好吧,我想我們的朋友狄拉克也找到了自己的宗教,這個宗教的第一誡是『上帝不存在,而保羅·狄拉克是他的先知』」。大家哄堂大笑,包括狄拉克。(見《部分與整體》,1971年)
關於弱交互作用中宇稱不守恆的現象
美籍華裔的核物理學家吳健雄 ,有「東方居里夫人」的稱號。吳健雄最廣為人知的事件之一是以實驗證明了楊振寧 和李政道 所提出的弱交互作用 中宇稱不守恆 的現象。在實驗結果揭曉之前,泡利寫了一封信給朋友說:「我不相信上帝是個左撇子。」等到實驗結果出來違反他的想法,他只能驚訝地說,他現在好奇的是為什麼在強交互作用中,左右對稱仍然成立?[ 15] :319
泡利与荣格的书信对话
直到约1990年为止泡利与荣格 之间的书信对话未受到注意,但后来被仔细研究。这些书信是从1932年开始的,一直到1958年结束。这些書信的中心内容是關於人的内部心理与外部物质之间的關聯。
注释
参考资料
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^ Pauli, Wolfgang 泡利 1900—1958 奥地利 理论物理学家 (PDF) . 外国科学家译名手册(试用稿). 全国科学技术名词审定委员会 : 100. 2012 (中文) .
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^ Varlaki, P.; Nadai L.; Bokor, J. Number Archetypes and Background Control Theory Concerning the Fine Structure Constant (PDF) . Acta Polytechnica Hungarica. 2008, 5 (2) [2009-02-12 ] . (原始内容存档 (PDF) 于2010-12-12).
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外部链接
1901年-1925年 1926年-1950年 1951年-1975年 1976年-2000年 2001年-至今 注:年份不一定是實際獲獎時間,1917年、1918年、1921年、1924年、1925年、1928年、1932年、1943年的獎項都延後一年頒發。
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