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物理史话之上帝的鞭子泡利

时间很快就来到了20世纪,我们的物理史话也就要在这里结束了。今天要讲的这位在物理学史上都是排得上号的毒舌,据说爱因斯坦的演讲的时候,都要看一下他是否在场,如果他在的话,就要考虑一些演讲的内容了,否则很容易被他抓住一个问题,穷追猛打,以至于招架不住。但他也因为在25岁的时候提出的最重要的原理而获得诺贝尔奖(想想咱们25岁的时候在干嘛?),他就是奥地利物理学家泡利。

沃尔夫冈·恩斯特·泡利

沃尔夫冈·恩斯特·泡利于1900年(世纪之交)出生在奥地利首都维也纳。而就在这年的年底,普朗克第一次提出了能量子的概念,在理论上打响了二十世纪物理学革命的第一枪,可以说,泡利是伴随着物理学的新时代诞生的。泡利的父亲是一个医药化学家,在当地颇有名望,也发表过很多的论文和著作。而泡利的教父则是马赫(飞行器的速度与声速的比马赫即以他的名字来命名的,称为马赫数。马赫数超过1为超音速,低于1为亚音速),按照泡利的学生后来的叙述,马赫对泡利的思想产生过巨大的影响。

恩斯特·马赫

泡利在1918年从维也纳的一所高中毕业,他所在的班级在该校的校史上以"天才班"闻名。当时班上有27个男生,后来有2个获得诺贝尔奖(泡利和库恩),两个成为著名演员,三个成为大学教授,一个成为音乐史学家,一个成为政治家,还有多人成为实业家。当然了,在这些人中最著名的还要算是泡利了。泡利在中学时候自修了物理学,中学毕业后的第二年,他带着父亲的介绍信来到德国,找到了慕尼黑大学的著名物理学家索末菲,要求不上大学直接当索末菲的硕士研究生。索末菲表示你可以去听我的课,但是你也未必能听得懂啊。而泡利则表示:完全没问题,我是否还可以参加讨论班呢?所谓的讨论班是当时索末菲为高年级的研究生安排的,讨论的自然也就不是一般的问题了。索末菲认为泡利去参加讨论班并没有任何意义,但是后来却发现泡利是这个讨论班上掌握问题最快、理解问题最深的的一个人。索末菲后来也是泡利一生都非常尊重的人。泡利一生怼天怼地,但是在他老师面前,总是毕恭毕敬的。

索末菲

1919年,泡利发表了两篇论文,在文中指出了韦耳引力理论的一个错误,并以批判的角度评论了韦耳的理论。其立论之明确,思考之成熟,完全看不出来这两篇论文竟然是出自一个不满20岁的青年,同时,在这两篇论文中也已经开始显露出了泡利的毒舌天性。不久,有人要出一套《数学科学全书》,索末菲将其中的相对论方面的综述文章的撰写工作交给了泡利去完成。泡利没有辜负老师的期许,很快就完成了一篇超过250页的专题论文。在这篇论文中,他吸取了在该领域的众家之长,同时也表明了自己的观点,提出了相对论的数学基础及其物理意义。这篇论文在理论物理学的发展史上有着决定性的意义,至今都被认为是相对论方面的经典著作之一。爱因斯坦也对这篇文章给予了很高的评价:人们简直不知道先称赞什么好了。

泡利在慕尼黑度过了两年,1921年,他一一篇关于分子模型的论文获得了博士学位。随后,他应邀作为玻恩的助手到哥廷根讲学。当时海森堡还在索末菲那里学习,他和泡利还有很多著名的物理学家一起参加了玻尔的讲座,在讨论问题的过程中,这两个年轻人引起了玻尔的注意,后来玻尔找到了他们的导师以及他们本人,盛情邀请他们到刚成立不久的哥本哈根理论物理研究所去工作。当时,人们把玻尔叫做"国际化科学的象征",他的研究所向一切国籍的科学家敞开大门,在这个研究所里聚集了一些当时最聪明的大脑。泡利和他们都相处的很好,并且也是他们中的佼佼者。泡利的特点就是思维周密、反应敏锐、语言犀利、善于发现问题,经常会在讨论问题时提出尖锐的意见,他的朋友曾经把泡利叫做"上帝的鞭子"来形容他批评别人时不留情面。

玻尔

1923-1924年间,泡利连续发表了几篇解释反常塞曼效应的论文,他在1924年年底提交的第三篇论文中,以一种还不是很明显的方式引入了后来所说的自旋量子数。他将这种量子性叫做"经典的不可描述的二值性"。当时电子自旋的概念还没有提出,当泡利于1925年得悉了由不同研究者提出的电子自旋的概念时, 他曾由于这种概念的经典模型和狭义相对论不能相容而对它表示过强烈的不相信,直到1926年他才被汤玛斯的计算所说服。1925年初,泡利把自己的研究成果写成《论复杂光谱结构同原子中电子组态彼启的关系》一文。在这篇文章中,泡利首次提出了著名的不相容原理。泡利指出,磁性反常现象是电子具有双值性的反映,这是电子的重要的量子化特征,无法用经典方法加以描述。他还指出,原子核不具有角动量和磁矩,原则上可以用量子数来表述。除了已知的三个量子数m,I,n外,他又提出了第四个量子数,即自旋量子数s,从而丰富和发展了量子理论。不相容原理的发现,标志着旧量子论的终结。从此之后,经过海森堡、狄拉克和薛定谔等人的努力,量子力学终于以更严密的理论体系和崭新的面貌呈现在人们面前。泡利也因为提出不相容原理而获得了1945年的诺贝尔物理学奖。

泡利不相容原理

1928年,泡利去了瑞士的苏黎世联邦工业大学担任理论物理学教授。在此期间,他最大的贡献就是提出了中微子假说。1930年,迈特纳等人对RaE的β能谱进行了量热学的测量,测得的能量和能谱的平均能量相对应而不是和它的最大能量相对应,衰变后的总能量要比衰变前稍微小了一点。这就和能量守恒定律相矛盾了,当时包括玻尔在内的一些科学家认为能量守恒和转化定律不适合于原子核内的运动,而准备放弃经典的能量守恒定律。而泡利则正好相反,他坚持认为能量守恒定律是正确的。因此,他以此为基础,于1930年底提出了"当β衰变时,假设中子和电子一起放射,则连续的β光谱将是可以理解的。"当时,中子尚未被发现,泡利所说的中子是指另外一种粒子,费米将它称作"中微子"。泡利指出,在β衰变中有一部分能量被一种静止质量接近于0的中子(中微子)带走了(1956年,实验直接探测到了中微子的存在,证实了泡利"β衰变过程能量守恒"论断的正确性。)

在费米实验室中看到了中微子的振荡

1935年,当战争的阴影在欧洲上空密布的时候,泡利为了躲避纳粹政府,移居到了美国。1940年,泡利受聘为普林斯顿高级研究所理论物理学访问教授。第二年,他的门下来了一个来自中国的女孩子吴健雄,泡利对这位女学生赞赏有加,一直保持着一种亦师亦友的关系。后来,当泡利得知吴健雄要帮助杨振宁和李政道做实验时,表示出了极大的遗憾,他认为以吴健雄的能力应该去做更重要的事情,而不是在一个明显不成立的理论上消耗时间。这个明显不成立的理论就是后来的"宇称不守恒定律"。最后,到1957年,《物理评论》杂志收到了吴健雄等人的论文《β衰变中宇称守恒的实验检验》,为宇称不守恒提供了实验证明(吴健雄的事情以后如果有机会的话,还可以展开讲讲。特别是他的丈夫一家,简直就是中国近代史的一个缩影)。至此,泡利完败在自己的学生手里,这是泡利一生中两个错误中的一个,另一个是否定了电子自旋。当时泡利的学生、德国物理学家克罗尼格提出了电子自旋的假设,他拿着自己的论文去找泡利,结果让泡利臭骂了一顿,指出了其中的计算不符合相对论。克罗尼格碰了一鼻子灰,没敢发表这篇文章,结果荷兰物理学家乌伦贝克和古兹密特率先提出了这一概念。克罗尼格估计悔得肠子都青了。

吴健雄

1946年,泡利回到了苏黎世联邦工业大学。1958年,泡利在苏黎世红十字医院病逝,享年58岁。本来,在他逝世之前,他的朋友们曾经筹备出版论文集以庆祝他的六十大寿。结果泡利不幸早逝,没有活到60岁。不过计划中的文集还是出版了,只不过原来的庆贺文集变成了纪念文集。

行文至此,物理史话也就要结束了。从8月1日开始在头条号上连载,一直到12月初,持续4个多月。共完成物理史话94篇,文字26万左右。这些都是在没有耽误本职工作的情况下,利用业余时间写出来的。在这里,我要感谢我的妻子,是我最坚强的后盾;我要感谢我的孩子,是我快乐的源泉,你们在我最迷茫的时候给了我信心和希望。今年海军节的时候,张召忠将军在一次节目中潸然泪下,当时我看到这个视频的时候,不禁想起了我自己,感同身受。但是既然自己选择了,咬着牙也要做下去。现在《物理史话》更完了,我也终于可以自豪地说,今年我还是做出一些成绩的。从年初的《数学史话》系列开始,在摸索中进行创作,到年中的《物理史话》系列,共完成了《数学史话》87篇,15万字,《物理史话》94篇,26万字。也算是对自己有个交代了,也算是对广大的关注了吉林省科技馆头条号的自然科学的爱好者有个交代了。很不舍,但总是需要有个告别,毕竟没有不散的筵席。江淹说:黯然销魂者,惟别而已矣。有别必怨,有怨必盈,使人意夺神骇,心折骨惊。但愿我们还能很快再见吧!谁知道呢。

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