泡利

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沃尔夫冈·欧内斯特·泡利(德语: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,在爱因斯坦的提名下,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。

沃尔夫冈·泡利

生平
家庭背景
1900年,泡利出生于奥地利维也纳,父亲是化学家沃尔夫冈·约瑟夫·泡利(Wolfgang Joseph Pauli,本名为Wolf Pascheles,1869-1955),母亲是贝尔塔·许茨(Bertha Schütz)。物理学家欧内斯特·马赫是泡利的教父,为了纪念他,泡利的中间名为“欧内斯特”。

泡利的祖父母来自于布拉格显赫的犹太家庭;他的曾祖父是捷克犹太人出版商Wolf Pascheles。在结婚前不久,1899年,泡利的父亲从犹太教转信罗马天主教。泡利的母亲伯莎从小熏陶于外祖母笃信的罗马天主教;他的外祖父是犹太作家弗里德里希·许茨(Friederich Schütz)。

泡利信奉罗马天主教,不过后来和他的父母都脱离了教会。他可能是自然神论者。

早期经历
泡利就读于维也纳的一所文理中学(Döblinger-Gymnasium),1918年以优秀的成绩毕业。毕业仅两个月后,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·爱因斯坦的广义相对论。他进入慕尼黑大学,他的博士导师是物理大师阿诺·索末菲。在索末菲的严格督导下,泡利专心研究关于电离化氢分子的量力理论。1921年7月,泡利获得哲学博士学位。

索末菲很看重泡利的能力,他要求泡利为《数学科学百科全书》(Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften)写一篇关于相对论的评审文章。在获得博士学位两个月之后,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赏,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献。

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论物理研究所工作了一年,这研究所在1965年成为尼尔斯·波耳研究所。从1923年到1928年,他在汉堡大学担任讲师。在这段时间里,他发展出许多现代量子力学的关键理论,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。在那里,他研究出很多重要科学结果。1931年,泡利被聘为密歇根大学客座教授。1935年,又获聘为普林斯顿高等研究院客座教授。1931年,他被授予洛仑兹奖章(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,但他的婚姻并不美满,两人结婚不到一年,就于1930年11月离婚了。

1930年年底,泡利离婚并提出中微子的假说之后不久,他出现严重的神经衰弱症。泡利拜访了与他同样住在苏黎世附近的心理医生卡尔·荣格。荣格开始深层分析泡利的原型梦。泡利成为荣格的最优秀学生。可是很快地,他开始使用科学方法批评荣格理论中的认识论问题,他的评论一定程度影响了后世的思想,尤其是共时性的观念。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》。荣格对于泡利的400多个梦的详细分析全都记录在著作《心理学和炼金术》。

1934年,泡利与Franziska Bertram再婚,这次婚姻一直持续到他逝世。

1938年,德国与奥地利合并后,泡利成为了德国人。1939年,第二次世界大战爆发后,他的处境变得很困难。1940年,他试图申请成为瑞士公民,这样他就可以继续在苏黎世联邦理工学院教书,可惜未果。他只好远赴美国普林斯顿高等研究院担任理论物理教授。二战过后,在1946年,泡利在返回苏黎世之前加入美国国籍。1949年,他终于获得了瑞士国籍。他回到苏黎世,并在那里度过余生。

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“于泡利不相容原理此一新自然定律做出的重要贡献”。

1958年泡利获颁马克斯·普朗克奖章。同年,他被发现患有胰腺癌。泡利进入苏黎世的红十字会医院后,有一次他的助手查尔斯·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。终其一生,泡利时常思考一个奇异的问题──为什么精细结构常数(一个无量纲的基本常数)会近似于1/137。1958年12月15日,泡利在这间病房中逝世,享年58岁。

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,他比较喜欢与同行(比如与他往来非常密切的尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡)交换长篇的信件。他在书信中的许多主意从未被发表过,他的收信人总是将他的信拷贝后给其他同行们看。泡利显然并不是很关心他的发现,因此后来没有归功于他。以下是泡利研究出来的,需归功于他的重要成果:

1924年,泡利提出了一个有两个可能值的新量子自由度(或量子数),它可以解释观测到的分子光谱和量子力学之间的矛盾。他还提出了泡利不相容原理,这个原理指出同原子里的两个电子无法同时存在于同一个量子状态,而这个量子状态可以透过四个量子数来描述。(即主量子数、角量子数、磁量子数与自旋量子数)自旋的想法源自于拉尔夫·克罗尼格。一年后乔治·尤金·乌伦贝克和塞缪尔·高德斯密特将电子自旋视为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。泡利可能影响保罗·狄拉克发现狄拉克方程式。不过狄拉克说,这些相同的矩阵是他独立发明的,没有受泡利的影响。狄拉克发明了类似但更大的(4 × 4)旋转矩阵来处理费米子的自旋。

1930年,泡利思考了β衰变的问题。在12月4日在一封给莉泽·迈特纳等人的以“亲爱的放射性女士先生们”为开头的信中,泡利提出存在一种电中性的迄今为止未被观测到的小质量粒子、其质量不大于质子质量的1%,并以此来解释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。在泡利去世之前的两年半,中微子首次在1956年,由Frederick Reines和克莱德考恩的实验证实。在接到这个消息后,他回复了一封电报:“感谢您的消息,对于懂得等待的人一切终将变得了然。泡利。”

1940年,泡利证明了自旋统计定理–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,他发表了一篇关于泡立-维拉斯正规化的论文,正规化是处理无限大、发散以及一些不合理表示式的方法。

泡利多次批评进化生物学里的现代演化综论,他的当代支持者认为表观遗传学可以支持泡利的看法。

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。泡利的这种刻薄与挑剔被玻尔称为“物理学的良知”,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。

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,那里的理论推导就会出岔子、实验设备都会遭殃的奇特现象。泡利对这个现象很欣喜,因为这些奇怪的事件符合他对超心理学的研究,特别是他与荣格合作的同步性概念。

顶尖物理学家保罗·埃伦费斯特与泡利的第一次相遇是在某一次的会议上。埃伦费斯特对泡利的论文很熟悉,而且相当的印象深刻。经过几分钟的交谈,埃伦费斯特说:“我想我喜欢你的百科文章更甚于喜欢你本人”泡利回话说,“真是奇怪,你对于我来说,刚好相反。”从此两人成了很好的朋友。

海森堡回忆在1927年的索尔维会议里,他与爱因斯坦及普朗克进行了一次关于宗教观点的友好交谈。沃尔夫冈·泡利、海森堡、狄拉克都参加了这次会议。狄拉克对于宗教在政治上的操纵给了犀利严正的批评。波尔对他的洞察力大加赞赏。除此之外,狄拉克说:“我无法理解为什么要浪费时间讨论宗教。如果我们是诚实的 – 且作为科学家诚实是我们明确的职责 – 我们不得不承认所有宗教都是一派胡言,完全没有实际的根据。上帝的存在是人类想像的产物。[…]我不承认任何宗教神话,至少因为他们互相矛盾。[…]”海森堡则采用的宽和的观点。泡利在这些初步言论后一直保持沉默。不过终于有人问起他的意见时,他开玩笑的说:“好吧,我想我们的朋友狄拉克也找到了自己的宗教,这个宗教的第一诫是‘上帝不存在,而保罗·狄拉克是他的先知’”。大家哄堂大笑,包括狄拉克。(见《部分与整体》,1971年)

关于弱交互作用中宇称不守恒的现象
美籍华裔的核物理学家吴健雄,有“东方居里夫人”的称号。吴健雄最广为人知的事件之一是以实验证明了杨振宁和李政道所提出的弱交互作用中宇称不守恒的现象。在实验结果揭晓之前,泡利写了一封信给朋友说:“我不相信上帝是个左撇子。”等到实验结果出来违反他的想法,他只能惊讶地说,他现在好奇的是为什么在强交互作用中,左右对称仍然成立?

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。这些书信的中心内容是关于人的内部心理与外部物质之间的关联。

高中物理知识点总结

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