物理史話之上帝的鞭子泡利

時間很快就來到了20世紀,我們的物理史話也就要在這裡結束了。今天要講的這位在物理學史上都是排得上號的毒舌,據說愛因斯坦的演講的時候,都要看一下他是否在場,如果他在的話,就要考慮一些演講的內容了,否則很容易被他抓住一個問題,窮追猛打,以至於招架不住。但他也因為在25歲的時候提出的最重要的原理而獲得諾貝爾獎(想想咱們25歲的時候在幹嘛?),他就是奧地利物理學家泡利。

物理史話之上帝的鞭子泡利

沃爾夫岡·恩斯特·泡利

沃爾夫岡·恩斯特·泡利於1900年(世紀之交)出生在奧地利首都維也納。而就在這年的年底,普朗克第一次提出了能量子的概念,在理論上打響了二十世紀物理學革命的第一槍,可以說,泡利是伴隨著物理學的新時代誕生的。泡利的父親是一個醫藥化學家,在當地頗有名望,也發表過很多的論文和著作。而泡利的教父則是馬赫(飛行器的速度與聲速的比馬赫即以他的名字來命名的,稱為馬赫數。馬赫數超過1為超音速,低於1為亞音速),按照泡利的學生後來的敘述,馬赫對泡利的思想產生過巨大的影響。

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恩斯特·馬赫

泡利在1918年從維也納的一所高中畢業,他所在的班級在該校的校史上以"天才班"聞名。當時班上有27個男生,後來有2個獲得諾貝爾獎(泡利和庫恩),兩個成為著名演員,三個成為大學教授,一個成為音樂史學家,一個成為政治家,還有多人成為實業家。當然了,在這些人中最著名的還要算是泡利了。泡利在中學時候自修了物理學,中學畢業後的第二年,他帶著父親的介紹信來到德國,找到了慕尼黑大學的著名物理學家索末菲,要求不上大學直接當索末菲的碩士研究生。索末菲表示你可以去聽我的課,但是你也未必能聽得懂啊。而泡利則表示:完全沒問題,我是否還可以參加討論班呢?所謂的討論班是當時索末菲為高年級的研究生安排的,討論的自然也就不是一般的問題了。索末菲認為泡利去參加討論班並沒有任何意義,但是後來卻發現泡利是這個討論班上掌握問題最快、理解問題最深的的一個人。索末菲後來也是泡利一生都非常尊重的人。泡利一生懟天懟地,但是在他老師面前,總是畢恭畢敬的。

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索末菲

1919年,泡利發表了兩篇論文,在文中指出了韋耳引力理論的一個錯誤,並以批判的角度評論了韋耳的理論。其立論之明確,思考之成熟,完全看不出來這兩篇論文竟然是出自一個不滿20歲的青年,同時,在這兩篇論文中也已經開始顯露出了泡利的毒舌天性。不久,有人要出一套《數學科學全書》,索末菲將其中的相對論方面的綜述文章的撰寫工作交給了泡利去完成。泡利沒有辜負老師的期許,很快就完成了一篇超過250頁的專題論文。在這篇論文中,他吸取了在該領域的眾家之長,同時也表明了自己的觀點,提出了相對論的數學基礎及其物理意義。這篇論文在理論物理學的發展史上有著決定性的意義,至今都被認為是相對論方面的經典著作之一。愛因斯坦也對這篇文章給予了很高的評價:人們簡直不知道先稱讚什麼好了。

泡利在慕尼黑度過了兩年,1921年,他一一篇關於分子模型的論文獲得了博士學位。隨後,他應邀作為玻恩的助手到哥廷根講學。當時海森堡還在索末菲那裡學習,他和泡利還有很多著名的物理學家一起參加了玻爾的講座,在討論問題的過程中,這兩個年輕人引起了玻爾的注意,後來玻爾找到了他們的導師以及他們本人,盛情邀請他們到剛成立不久的哥本哈根理論物理研究所去工作。當時,人們把玻爾叫做"國際化科學的象徵",他的研究所向一切國籍的科學家敞開大門,在這個研究所裡聚集了一些當時最聰明的大腦。泡利和他們都相處的很好,並且也是他們中的佼佼者。泡利的特點就是思維周密、反應敏銳、語言犀利、善於發現問題,經常會在討論問題時提出尖銳的意見,他的朋友曾經把泡利叫做"上帝的鞭子"來形容他批評別人時不留情面。

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玻爾

1923-1924年間,泡利連續發表了幾篇解釋反常塞曼效應的論文,他在1924年年底提交的第三篇論文中,以一種還不是很明顯的方式引入了後來所說的自旋量子數。他將這種量子性叫做"經典的不可描述的二值性"。當時電子自旋的概念還沒有提出,當泡利於1925年得悉了由不同研究者提出的電子自旋的概念時, 他曾由於這種概念的經典模型和狹義相對論不能相容而對它表示過強烈的不相信,直到1926年他才被湯瑪斯的計算所說服。1925年初,泡利把自己的研究成果寫成《論複雜光譜結構同原子中電子組態彼啟的關係》一文。在這篇文章中,泡利首次提出了著名的不相容原理。泡利指出,磁性反常現象是電子具有雙值性的反映,這是電子的重要的量子化特徵,無法用經典方法加以描述。他還指出,原子核不具有角動量和磁矩,原則上可以用量子數來表述。除了已知的三個量子數m,I,n外,他又提出了第四個量子數,即自旋量子數s,從而豐富和發展了量子理論。不相容原理的發現,標誌著舊量子論的終結。從此之後,經過海森堡、狄拉克和薛定諤等人的努力,量子力學終於以更嚴密的理論體系和嶄新的面貌呈現在人們面前。泡利也因為提出不相容原理而獲得了1945年的諾貝爾物理學獎。

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泡利不相容原理

1928年,泡利去了瑞士的蘇黎世聯邦工業大學擔任理論物理學教授。在此期間,他最大的貢獻就是提出了中微子假說。1930年,邁特納等人對RaE的β能譜進行了量熱學的測量,測得的能量和能譜的平均能量相對應而不是和它的最大能量相對應,衰變後的總能量要比衰變前稍微小了一點。這就和能量守恆定律相矛盾了,當時包括玻爾在內的一些科學家認為能量守恆和轉化定律不適合於原子核內的運動,而準備放棄經典的能量守恆定律。而泡利則正好相反,他堅持認為能量守恆定律是正確的。因此,他以此為基礎,於1930年底提出了"當β衰變時,假設中子和電子一起放射,則連續的β光譜將是可以理解的。"當時,中子尚未被發現,泡利所說的中子是指另外一種粒子,費米將它稱作"中微子"。泡利指出,在β衰變中有一部分能量被一種靜止質量接近於0的中子(中微子)帶走了(1956年,實驗直接探測到了中微子的存在,證實了泡利"β衰變過程能量守恆"論斷的正確性。)

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在費米實驗室中看到了中微子的振盪

1935年,當戰爭的陰影在歐洲上空密佈的時候,泡利為了躲避納粹政府,移居到了美國。1940年,泡利受聘為普林斯頓高級研究所理論物理學訪問教授。第二年,他的門下來了一個來自中國的女孩子吳健雄,泡利對這位女學生讚賞有加,一直保持著一種亦師亦友的關係。後來,當泡利得知吳健雄要幫助楊振寧和李政道做實驗時,表示出了極大的遺憾,他認為以吳健雄的能力應該去做更重要的事情,而不是在一個明顯不成立的理論上消耗時間。這個明顯不成立的理論就是後來的"宇稱不守恆定律"。最後,到1957年,《物理評論》雜誌收到了吳健雄等人的論文《β衰變中宇稱守恆的實驗檢驗》,為宇稱不守恆提供了實驗證明(吳健雄的事情以後如果有機會的話,還可以展開講講。特別是他的丈夫一家,簡直就是中國近代史的一個縮影)。至此,泡利完敗在自己的學生手裡,這是泡利一生中兩個錯誤中的一個,另一個是否定了電子自旋。當時泡利的學生、德國物理學家克羅尼格提出了電子自旋的假設,他拿著自己的論文去找泡利,結果讓泡利臭罵了一頓,指出了其中的計算不符合相對論。克羅尼格碰了一鼻子灰,沒敢發表這篇文章,結果荷蘭物理學家烏倫貝克和古茲密特率先提出了這一概念。克羅尼格估計悔得腸子都青了。

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吳健雄

1946年,泡利回到了蘇黎世聯邦工業大學。1958年,泡利在蘇黎世紅十字醫院病逝,享年58歲。本來,在他逝世之前,他的朋友們曾經籌備出版論文集以慶祝他的六十大壽。結果泡利不幸早逝,沒有活到60歲。不過計劃中的文集還是出版了,只不過原來的慶賀文集變成了紀念文集。

行文至此,物理史話也就要結束了。從8月1日開始在頭條號上連載,一直到12月初,持續4個多月。共完成物理史話94篇,文字26萬左右。這些都是在沒有耽誤本職工作的情況下,利用業餘時間寫出來的。在這裡,我要感謝我的妻子,是我最堅強的後盾;我要感謝我的孩子,是我快樂的源泉,你們在我最迷茫的時候給了我信心和希望。今年海軍節的時候,張召忠將軍在一次節目中潸然淚下,當時我看到這個視頻的時候,不禁想起了我自己,感同身受。但是既然自己選擇了,咬著牙也要做下去。現在《物理史話》更完了,我也終於可以自豪地說,今年我還是做出一些成績的。從年初的《數學史話》系列開始,在摸索中進行創作,到年中的《物理史話》系列,共完成了《數學史話》87篇,15萬字,《物理史話》94篇,26萬字。也算是對自己有個交代了,也算是對廣大的關注了吉林省科技館頭條號的自然科學的愛好者有個交代了。很不捨,但總是需要有個告別,畢竟沒有不散的筵席。江淹說:黯然銷魂者,惟別而已矣。有別必怨,有怨必盈,使人意奪神駭,心折骨驚。但願我們還能很快再見吧!誰知道呢。


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