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沃尔夫冈·泡利

Wolfgang_Pauli

沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli,1900年4月25日-1958年12月15日),奥地利物理学家。他是20世纪最重要的物理学家之一和诺贝尔物理学奖获得者。他最突出的贡献在于对自旋的研究。

 

生平简介

 

泡利1900年出生于奥地利的维也纳化学家,全名是沃尔夫冈·约瑟夫·泡利,(东北狼Pascheles,1869至1955)和他的妻子卡米拉茨伯莎。他中间名字恩斯特在纪念他的教父物理学家恩斯特·马赫。泡利的祖父母是来自于布拉格著名的犹太家庭;他的曾祖父是捷克犹太人出版商狼Pascheles。他的爸爸从犹太教转换成罗马天主教不久前便在1899年结婚。他的母亲,茨伯莎,有人提出他的母亲是罗马天主教;他的父亲是犹太人作家佛里德里希茨。泡例提出罗马天主教,虽然最终他的父母亲离开了教会。他在维也纳上中学,与他同班的还有1938年获得诺贝尔化学奖的里夏德·库恩,泡利在维也纳的体育场出席了Doblinger,1918年泡利以成绩优秀毕业。毕业后仅仅只有两个月,年轻聪明的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的。他进入慕尼黑大学,便在是他的博士导师阿诺·索末菲下工作。在那里他接受了泡利的博士论文,1921年7月泡利就电离的氢分子的量力理论获得哲学博士学位。

索末菲请泡利审查一下《数学科学百科全书》(一本德语百科全书)中关于相对论的文章。泡利在获得他的博士学位两个月后完成了这篇文章,它一共有237页长。爱因斯坦对这篇文章高度赞扬并将它出版为书,直到今天这篇文章依然是相对论最经典的参考。

此后泡利一年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后来的尼尔斯玻尔理论物理研究所工作于1965年。从1923年到1928年他在汉堡大学教书,在这段时间里他建立了许多现代量子力学理论中重要的工具,尤其他提出了泡利不相容原理和非相对论的自旋理论。

1928年泡利被任命为瑞士苏黎世联邦理工学院理论物理教授。

1929年5月泡利退出罗马天主教会,同年12月他结婚,但他的婚姻并不美好,两人不到一年就于1930年离婚了。

1930年结束不久后,1931年泡利离婚和提出中微子的建议后于十一月,不久他产生严重的精神崩溃。他拜访了同他一样住在苏黎世附近的心理医生卡尔·古斯塔夫·容格,他家住附近的苏黎世而且也喜欢泡利。他立刻开始深深地分析他的原型梦并很快就成为容格优秀的学生。很快他就开始使用科学方法来批评荣格理论中的认识论问题,他的批评在一定程度上导致了荣格对他的理论的清晰化,尤其是荣格的共时性的想法。荣格与泡利之间的许多讨论纪录在两人的通信中,这些信后来被出版为《原子与原型》。荣格的精心分析400多泡莉的梦想是记录在心理学和炼金术。

1931年泡利赴密歇根大学任客座教授,1935年赴普林斯顿高等研究院。

1934年泡利再婚,这次婚姻一直持续到他逝世。

1935年他被授予勋章的洛伦兹

1938年德国占领奥地利后泡利成为了德国人,第二次世界大战于1939年爆发后他的处境就困难了。1940年他赴美国普林斯顿任理论物理教授。他任此职直到二战结束。1946年他返回苏黎世前加入美国国籍。又回到苏黎世,因为在那里他主要仍然是其他人的生命,此后他主要待在苏黎世。

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“通过他1925年发现的一个新的自然定律,泡利不相容原理,所做出的重要贡献”。

1958年泡利获马克斯·普朗克奖章,同年他患胰腺癌。泡利一生始终感到奇怪,为什么无单位的精细结构常数的值近似1/137。他进入苏黎世的红十字会医院后有一次他的助手查尔斯Enz去看望他在苏黎世,他就问他的助手:“你看到这间房的号码了吗?”他的病房的号码是137,终其一生,泡利一直忙于问题,无量纲基本不变,具有价值近似1/137。1958年12月15日泡利在这间病房中逝世,终年58岁。

 

科学成就

 

泡利在物理学上,尤其在量子力学方面,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)交换漫长的信件。他的许多主意从未被发表过,而只有在他的书信中出现。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。以下是他研究出来的,需归功于他最重要的结果:

1924年泡利提出了一个新的量子自由度(或量子数),有两个可能的值,以解释观测到的分子光谱和发展中的量子力学之间的矛盾。他还提出了泡利不相容原理,这可能是他最重要的成果了。这个原理指出任何两个电子无法同时存在于同一个量子状态。确立了四个量子数包含新的二值自由度。这个想法源自于自旋和拉尔夫·克罗尼格。一年后乔治·尤金·乌伦贝克和塞缪尔·高德斯密特证实电子自旋就是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。泡利的结果引发了保罗·狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。虽然狄拉克说,他发明了这些相同的矩阵自己独立的时候,没有受泡利的影响。

狄拉克发明类似,但更大的(4 × 4)旋转矩阵使用在他的相对论治疗费米子的自旋。

1930年,泡利认为问题的β衰变。在12月4日在一封给莉泽·迈特纳的信中向莎莉迈特纳等人,泡利提出了一个到此为止电中性迄今观测到的一个小肿块、不大于1%的质子质量来解释β衰变的连续光谱。1934年恩里科·费米将这个粒子加入他的衰变理论并称之为中微子。把他的理论的β衰变。该实验首次证实中微子是在1959年中微子被实验证实,由Frederick Reines和克莱德考恩,两年半的时间才泡利的死亡。在接到消息后,他回答了一封电报:“感谢您的消息,一切涉及到他谁知道如何等待。圣保利。。

1940年泡利证明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,他发表了一篇论文在泡利 - 维拉尔规范化:规范化是长远的技术,使它们在有限的计算中,有着无限的数学积分的修改。这样一方面可以识别无限量的本质理论(质量,电荷,波函数)是否形成一个有限的、可计算的设置,可以重新定义他们的实验条件值,这被称为重整化标准,并删除从量子场论无穷,而且重要的是可以计算高阶修正的微扰理论。

 

人品和声誉

 

泡利效应被命名后,打破了他的实验设备竟能简单地被设置在附近,传闻着这离奇的能力。泡利知道他的声誉后,对于泡利效应的表现很欣喜。这些奇怪的事件是符合他的合法性超心理学的调查工作,特别是他与荣格的合作的同步性概念。

在物理上泡利是一个完美主义者,这不光涉及他自己的工作,也涉及到他人的工作。因此他获得了“物理理智”的称号,他的同行非常尊重他的评论。他可以在他的严厉中解雇任何理论,在他的评论中为最不完善的,他最著名的评价是“完全错误”(德语:Ganz falsch)。不过有一次他对这样的一篇论文的评价是“这论文不只不正确,它甚至连错误都算不上”,成为了一句物理学家中的内行笑话。另一个关于泡利的笑话是泡利死后受到上帝的接见。他问上帝,为什么精细结构常数的值是1/(137.036...)。上帝点点头,开始快速地在黑板上写公式。泡利看着他,非常满意地点头,但是很快他就开始摇头了……

另一个故事说有一次海森堡给泡利写信报道他的新理论,泡利的回信上只有一个方框,下面写着一行小字:“我的画画得同提香一样好,只是缺乏细节。”

假如泡利在附近的话,试验往往就会不成功,有时甚至试验装置会被破坏,这个现象被称为“泡利现象”。泡利本人对此不以为然,经常以之取笑。

据说还在泡利上中学的时候有一次物理教授在黑板上推导犯了一个错误,但是他找来找去找不到这个错误。最后他说:“泡利,你肯定早就找到这个错了,你说吧,错在哪里。”

他在会议时虚构的发言,另一个领先的物理学家保罗艾伦费斯特,说明了嚣张泡利的这个概念。两个人的第一次相遇,是在某一次的会议上。艾伦费斯特对泡利的论文很熟悉,而且有着相当深刻的印象。过了几分钟的交谈,艾伦费斯特说:“我想我喜欢你的百科全书文章[根据相对论]来的更喜欢你,”边拍泡利的背,“真是奇怪,你们对于我来说,刚好相反。从此两人成了很好的朋友。

 

个人生活

 

在1929年5月,泡利离开了罗马天主教教会。在那年十二月,他娶玛格丽特德普。这是一个不快乐的婚姻,结束于1930年。 离婚后不到一年,1934年他到弗兰齐斯卡伯特伦再次结婚。再婚后他们并没有孩子。

Niels Bohr, Werner Heisenberg, and Wolfgang Pauli talking in the Niels Bohr Institute lunchroom, possibly 1934 or 1936.

 

泡利-荣格-对话

 

直到约1990年为止泡利与容格之间的书信对话未受到注意。但后来这些书信被仔细研究。这些书信从1932年开始,一直到1958年。这些讨论的中心内容是人内部的心理与外部物质世界之间的联系。

 

科学研究

 

沃尔夫冈·泡利(Wolfgang E.Pauli,1900~1958),1900年4月25日生于奥地利维也纳一位医学博士的家庭里,从童年时代就受到科学的熏陶,在中学时就自修物理学。1918年中学毕业后,泡利带着父亲的介绍信,到慕尼黑大学访问著名物理学家索末菲(A.Sommerfeld),要求不上大学而直接做索末菲的研究生,索末菲当时没有拒绝,却难免不放心,但不久就发现泡利的才华,于是泡利就成为慕尼黑大学最年轻的研究生。

1918年,18岁的泡利初露锋芒,他发表了第一篇论文,是关于引力场中能量分量的问题。1919年,泡利在两篇论文中指出韦耳(H.Wegl)引力理论的一个错误,并以批判的角度评论韦耳的理论。其立论之明确,思考之成熟,令人很难相信这出自一个不满20岁的青年之手。

1921年,泡利以一篇氢分子模型的论文获得博士学位。同年,他为德国的《数学科学百科全书》写了一片长达237页的关于狭义和广义相对论的词条,该文到今天仍然是该领域的经典文献之一,爱因斯坦曾经评价说:“任何该领域的专家都不会相信,该文出自一个仅21岁的青年之手,作者在文中显示出来的对这个领域的理解力、熟练的数学推导能力、对物理深刻的洞察力、使问题明晰的能力、系统的表述、对语言的把握、对该问题的完整处理、和对其评价,使任何一个人都会感到羡慕。”

1922年,泡利在格丁根大学任玻恩(Max Born)的助教,和玻恩就天体摄动理论在原子物理中的运用联名发表论文。玻恩邀请丹麦著名物理学家尼尔斯.玻尔到格丁根讲学,在谈论中,玻尔了解到泡利的才华,和他广泛交谈,从此开始了他们之间的长期合作。当年秋,泡利就到了哥本哈根大学理论物理研究所从事研究工作。在哥本哈根,泡利先是与克拉默斯(H.A.Kramers)共同研究了谱带理论,然后专注于反常的塞曼效应,泡利根据朗德(Lande)的研究成果,提出了朗德因子。

1923—1928年,泡利在汉堡大学任讲师。其中,1925年1月,泡利提出了他一生中发现的最重要的原理——泡利不相容原理,为原子物理的发展奠定了重要基础。1928年到瑞士苏黎世的联邦工业大学任理论物理学教授。

1935年,为躲避法西斯,移居到美国。

1940年,受聘为普林斯顿高级研究所理论物理学访问教授。

1945年, 瑞典皇家科学院授予泡利诺贝尔物理学奖,以表彰他之前发现的不相容原理。

1946年,泡利重返苏黎世的联邦工业大学。

1958年12月15日,泡利在苏黎世逝世,享年58岁。

泡利在学问上严谨博学,生活上虽然为人刻薄,语言尖锐,但这并不影响他在同时代物理学家心目中的地位,在那个天才辈出群雄并起的物理学史上最辉煌的年代,泡利仍然是夜空中最耀眼的巨星之一。

Wolfgang_Pauli_young.

 

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 又称泡利原理、不相容原理):指在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。每一轨道中只能容纳自旋相反的两个电子,每个电子层中可能容纳轨道数是n个、每层最多容纳电子数是2n个。

 

传奇人生

 

命运给了泡利良好的生活、学习环境,他也自我证明了自己并未被命运宠坏。

上中学时,泡利就对当时鲜为人知的爱因斯坦的广义相对论产生了浓厚的兴趣,经常埋首研读。1918年中学毕业后就成为慕尼黑大学索末菲教授的研究生。他的物理老师——著名的索末菲教授请他为德国正准备出版的百科全书写一篇关于相对论的文章,泡利居然完成了一部250页的专题论著,使教授大为惊讶。1921年,泡利获慕尼黑大学博士学位。后来,爱因斯坦看过泡利的论著后说:“任何一个人看到这样成熟和富于想象力的著作,都不能相信作者只是个21岁的学生。”泡利在学生时代就已展露了不同凡响的科学才华,引起了一些著名物理学家的注意。

大学毕业后,泡利先后给马克斯·玻恩和尼尔斯·玻尔当助手。这两位当时站在世界物理学前沿、尔后又都获得诺贝尔奖的科学家后来说到泡利时,都对他那寻根究底追本溯源一丝不苟的钻研精神和他那闪现灵敏的思想火花记忆犹新。泡利总是有与众不同的见解而且绝不轻易为别人说服,他好争论但绝不唯我独尊。当他验证了一个学术观点并得出正确结论后,不管这个观点是他自己的还是别人的,他都兴奋异常,如获至宝,而把争论时的面红耳赤忘得一干二净。正是他这种远世俗重真理的科学态度,赢得了索末菲、玻恩和玻尔的厚爱。他也从这些名师那里学到了富有教益的思维方法和实验技巧,为他后来的科研攀登打下了坚实的基础,终于以发现量子的不相容原理而迈入世界著名物理学家的行列。

1925年春,从汉堡大学传出一个令世界物理学界瞩目的消息:一个新的物理学原理——不相容原理诞生了。它的提出者正是当时在这个大学任教的、尚名不见经传的年轻学者——25岁的泡利。

泡利的不相容原理可以这样表述:一个原子中,任何两个轨道电子的4个量子数不能完全相同。

不相容原理并没有立刻呈现出它的价值,可是泡利的才华却因此而得到社会的承认。1928年,他被任命为苏黎世联邦工学院教授;1935年,他应邀前往美国讲学。1940年在美国普林斯顿高级研究所工作。此间,他还以科学的预见预言了中微子的存在,获得普朗克奖章。直到泡利提出不相容理论20年后的1945年,这个理论的正确性和它产生的广泛深远的影响才得以确认。不相容原理被称为量子力学的主要支柱之一,是自然界的基本定律,它使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得条理化。人们可以利用泡利引入的第四个、表示电子自旋的量子数,把各种元素的电子按壳层和支壳层排列起来,并根据元素性质主要取决于最外层的电子数(价电子数)这一理论,对门捷列夫元素周期律给以科学的解释。

他把一生投入了科学研究,34岁才结婚。

1945年,泡利因他在1925年即25岁时发现的“不相容原理”,获诺贝尔物理学奖

1958年,不幸病逝。

泡利于1946年加入美国国籍,是美国科学发展协会的创始人之一。

泡利的主要成就是在量子力学、量子场论和基本粒子理论方面,特别是泡利不相容原理的建立和β衰变中的中微子假说等,对理论物理学的发展做出了重要贡献。

沃尔夫冈·泡利

 

趣闻轶事

 

一、天才的教父

 

泡利出生于维也纳一个研究胶体化学的教授的家中,他的教父是著名的马赫先生。马赫先生被爱因斯坦称为相对论的先驱——虽然马赫先生并不给爱因斯坦这个面子,声称他对于相对论的相信程度,像他对分子论的相信程度一样。而众所周知,马赫先生极其反对分子论,而这种反对是使那个统计物理的天才波尔兹曼最终绝望而自杀的原因之一。

 

二、卓越的贡献

 

少数年轻人大约以为这个物理学的王子的名字只是与不相容原理联系在一起,甚至他们以为这个原理只是量子力学的一个推论。实际上,这个原理的提出是在1925年,甚至早于海森堡提出量子力学。泡利是用他天才的洞察力从浩如烟海的光谱数据中得出的不相容原理,其难度甚至远大过开普勒整理行星轨道的数据。泡利的贡献遍及当时物理学的各个领域,他参与了量子力学的基础建设,量子场论的基础建设,相对论……在物理学领域,泡利似乎是一个征服者而不是一个殖民者,他大量的工作没有发表,而是遗留在私人信件里。在今天能查到的信件中,我们发现大量这样的例子,他的关于矩阵力学和波动力学的等价性证明是写在给Jordan的信件里,测不准原理首先出现在他给海森堡的信件里,狄拉克的泊松括号量子化被Hendrik Kramers 独立发现,而他指出,泡利早就指出了这种对易关系的表示方法。或许有些天才的生命是注定短暂的,泡利生于1900年,于1958年去世,仅比他心中的帝王(爱因斯坦1879-1955)晚去世3年,他唯一的遗憾就是一生中觉得没有做出像他的king一样伟大的工作。

 

三、锐利的眼光

 

作为一个物理学家,泡利眼光是相当锐利的。比如费曼说的那个故事,泡利预言惠勒永远做不出那个什么超前推迟势的量子力学推广(果然他没作出),费曼事后着实被泡利的眼光震惊了。

泡利年轻的时候大概是他最牛的时候,他和海森堡认识的时候,虽然不一样大,但是海森堡对他当真是言听计从,看来十分崇拜。海森堡刚开始想做相对论方向的工作,泡利作为已经在相对论方面已经算是一个小专家的人物,他告诉海森堡,他觉得相对论方面近期的进展是没有希望的了,但在原子物理方面机会却是大大的。要是海森堡去做相对论,就不是现在的样子了。

 

四、独特的个性

 

泡利以严谨博学而著称,也以尖刻和爱挑刺而闻名。

1、泡利在二十岁时,有一次前去聆听爱因斯坦的演讲,坐在最后一排座位,他向爱因斯坦提出了一些问题,其火力之猛,连爱因斯坦都招架不住。据说此后爱因斯坦演讲时,眼光都要特别扫过最后一排,查验有无熟悉的身影出现。

另外还传闻,爱因斯坦在一次国际会议上做报告,结束后泡利站起来说:“我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的。”

2、一次,在听了意大利物理学家塞格雷(后来发现反质子)的报告之后,泡利说:“我从来没有听过像你这么糟糕的报告。”塞格雷一言未发。泡利想了一想,回身对同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说:“如果你来做报告,情况会更加糟糕。当然,你上次在苏黎世的开幕式报告除外。”

3、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。”

4、他曾经批评学生的论文, “连错误都算不上。”他对一篇文章最好的评价就是:“这章几乎没有错。”Kronig最早提出电子自旋的概念,可是拿着论文去找泡利,被骂了一顿,因为泡利指出计算不符合相对论。于是他们没敢发这篇文章,悲惨啊。

5、泡利被玻尔称为“物理学的良知”,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”──泡利出现在哪里,那里的人不管是在做理论推导还是实验操作都会出岔子。

6、以放荡不羁著名的物理学家费曼对别人的意见常常摆出一副“你管别人怎么说的”神气,但当有人提起泡利对当代物理学家的批判时,费曼却迫不及待想知道泡利对他做了何种评判,结果泡利仍然是不脱一贯的尖刻,说“费曼那家伙,讲起话来简直就像是纽约的黑社会人物”。费曼听了也只能哈哈大笑。

7、泡利说:“哦,这竟然没什么错。”这通常表示一种高度赞许。

有人编了一个笑话:泡利死后去见上帝,上帝把自己对世界的设计方案给他看,泡利看完后耸耸肩,说道:“你本来可以做得更好些……”

这个笑话的另一版本是:Pauli死后,来到天堂见到上帝。上帝把他关于宇宙的设计给Pauli看。Pauli看了半天,挠了挠头,说:“居然找不到什么错。”

最后补充一点,泡利虽然为人刻薄,语言尖锐,但这并不影响他在同时代物理学家心目中的地位。在那个天才辈出,群雄并起的物理学史上最辉煌的年代,英年早逝的泡利仍然是夜空中最耀眼的几颗巨星之一,以致在他死后很久,当物理学界又有新的进展时,人们还常常想起他:“不知道如果泡利还活着的话,对此又有什么高见。”

 

五、泡利与实验

 

泡利大概天生不适合作实验。据说他出现在哪里,那里的实验室仪器就会有故障。有次,某个老大的实验室仪器突然失灵。他们就开玩笑说,今儿泡利没来这地方啊。后来过了不久,泡利告诉他们,那天他乘坐的火车在那个时刻在他们的城市短暂停留了一下。

 

六、关于泡利和爱因斯坦的地位

 

对于所有热爱科学的人来说,爱因斯坦在上一世纪简直就是God。波恩曾经认为,泡利也许是比爱因斯坦还牛的科学家,不过他又补充说,泡利完全是另一类人,“在我看来,他不可能像爱因斯坦一样伟大。”

那么泡利是怎么看爱因斯坦的呢?在1945年,泡利终于拿到了那个他觉得自己20年前就应该拿到的Nobel后,普林斯顿高等研究院为泡利开了庆祝会,爱因斯坦为此在会上演讲表示祝贺。泡利后来写信给波恩回忆这一段,说“当时的情景就像物理学的王传位于他的继承者。”泡利倒是一点都不客气,认为自己就是继承者了。

 

七、天才的遗憾

 

泡利一生最遗憾的是,他是那个时代公认最聪明的物理学家,却没有做一个划时代的发现。

他一生喜欢评论别人的东西,经常是一针见血,不过很可惜,他一生反对错了最重要的两件事情,一个电子自旋,一个宇称不守恒。可能一个人过于敏锐了,对于一些违反常规的想法有一种本能的抵制。

 

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