沃尔夫冈·泡利

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Wolfgang Ernst Pauli
沃尔夫冈·欧内斯特·泡利

出生 1900年4月25日
奥地利维也纳
逝世 1958年12月15日
瑞士苏黎世
国籍 Flag of Austria.svg奥地利
Flag of the United States.svg美国
Flag of Switzerland.svg瑞士
任职於 格丁根大学
哥本哈根大学
汉堡大学
苏黎世联邦理工学院
密歇根大学
普林斯顿高等研究院
母校 慕尼黑大学
博士導師 阿诺·索末菲
著名成就 泡利不相容原理
獲獎 Nobel prize medal.svg诺贝尔物理学奖(1945年)

沃尔夫冈·泡利Wolfgang 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,他因发现泡利不相容原理而获得诺贝尔物理学奖,这一原理涉及到自旋的理论,这是理解物质结构乃至化学的基础。

生平[编辑]

家庭背景[编辑]

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),母亲是伯莎·舒兹(Bertha Schütz)。為了紀念他的教父,物理學家恩斯特·马赫,他中間名取名為「恩斯特」。

泡利的祖父母來自於布拉格顯著的猶太家庭;他的曾祖父是捷克猶太人出版商Wolf Pascheles。[1]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斐德里·舒兹(Friederich Schütz)。

泡利信奉羅馬天主教,雖然後來他和他的父母都脱离了教會。[2] 他可能是自然神論者[3]

早期经历[编辑]

他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分子的量力理论。1921年7月,泡利获得哲學博士学位。

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,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,這研究所後来變為尼爾斯·波耳研究所。从1923年到1928年,他成為汉堡大学的講師。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[编辑]

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,在提出中微子的假說之後不久,也就是離婚之後,泡利出现嚴重的神经衰弱症。他拜访了同他一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。[4]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,他的批评在一定程度上导致了荣格对自己理论的清晰化,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多個夢的精心分析全都記錄在著作《心理學和煉金術》裏。

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[5],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。二战结束,1946年,返回苏黎世前,他加入美国国籍。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“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,获頒马克斯·普朗克奖章。同年,他被發現患有胰腺癌。泡利一生始终感到奇怪,为什么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,有一次他的助手查爾斯。恩斯(Charles Enz)去看望他,泡利就问他的助手:“你看到这间房的号码了吗?”他的病房的号码是137。終其一生,泡利時常會思考一個奇異的問題──為什麼無量綱精细结构常数具有近似1/137的數值?1958年12月15日,泡利在这间病房中往生,年僅58歲。

科学成就[编辑]

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,他比較喜歡與同行(比如與他往來非常密切的尼尔斯·玻尔沃纳·海森堡)交换漫长的信件。他的許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。以下是他研究出來的,需归功于他最重要的结果:

1924年泡利提出了一個新的量子自由度(或量子數),有兩個可能的值,以解釋觀測到的分子光譜和發展中的量子力學之間的矛盾。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時存在於同一個量子状态。確立了四個量子數包含新的二值自由度。這個想法源自於自旋和拉尔夫·克罗尼格。一年后乔治·尤金·乌伦贝克塞缪尔·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。雖然狄拉克說,他發明了這些相同的矩陣自己獨立的時候,沒有受泡利的影響。

狄拉克發明類似,但更大的(4 × 4)旋轉矩陣使用在他的相對論治療費米子的自旋。

1930年,泡利認為問題的β衰變。在12月4日在一封给莉泽·迈特纳的信中向莎莉邁特納等人,泡利提出了一个到此为止电中性迄今觀測到的一個小腫塊、不大於1%的質子質量来解释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。把他的理論的β衰變。該實驗首次證實中微子是在1959年中微子被实验证实,由Frederick Reines和克萊德考恩,兩年半的時間才泡利的死亡。在接到消息後,他回答了一封電報:“感謝您的消息,一切涉及到他誰知道如何等待。聖保利。”

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,他發表了一篇关于泡利 - 維拉爾規範化的論文:規範化是長遠的技術,使它們在有限的計算中,有著無限的數學積分的修改。這樣一方面可以識別無限量的本質理論(質量,電荷,波函數)是否形成一個有限的、可計算的設置,可以重新定義他們的實驗條件值,這被稱為重整化標準,並刪除從量子場論無窮,而且重要的是可以計算高階修正的微擾理論。

轶事趣闻[编辑]

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。泡利的这种刻薄的挑剔被玻尔称为“物理学的良知”,他的同行非常尊重他的評論。他可以在他的嚴厲中解僱任何理論,在他的評論中為最不完善的,他最著名的评价是“完全错误”(德语:Ganz falsch)。不过有一次他对针对某位年轻物理学家的一篇论文发表的评价是“这论文不只不正确,它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。

一次,意大利物理学家塞格雷做完报告,离开会议室时,泡利对他说:“我从来没听过这么糟糕的报告。”说完,泡利突然回过头,对同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说:“我想如果你做报告的话,情况可能更糟糕。”另一次,泡利想去一个地方,但不知道怎么走,一位同事告诉了他。后来这位同事问他那天是否找到想去的地方,他不仅没有表达谢意,反而讽刺地说:“在不谈论物理学的时候,你的思路很清晰。”

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……

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——泡利出现在哪里,那里的人不管是理论推导会出岔子甚至實驗設備都会遭殃的奇特現象。泡利意識到此現象,對於泡利效應很欣喜。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。

他在會議時虛構的發言,另一個領先的物理學家保羅艾倫費斯特,說明了囂張泡利的這個概念。兩個人的第一次相遇,是在某一次的會議上。艾倫費斯特對泡利的論文很熟悉,而且有著相當深刻的印象。經過幾分鐘的交談,艾倫費斯特說:“我想我相較于你的百科全書文章[關於相對論的]來說更喜歡你,”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。

泡利与荣格的书信对话[编辑]

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。这些中心内容是人内部的心理与外部物质世界之间的联系。

参考资料[编辑]

  1. ^ Ernst Mach and Wolfgang Pauli's ancestors in Prague
  2. ^ Jewish Physicists. [2006-09-30]. 
  3. ^ Charles Paul Enz. No Time to Be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli. Oxford University Press. 2002. ISBN 9780198564799. "At the same time Pauli writes on 11 October 1957 to the science historian Shmuel Sambursky whom he had met on his trip to Israel (see Ref. [7], p. 964): 'In opposition to the monotheist religions — but in unison with the mysticism of all peoples, including the Jewish mysticism - I believe that the ultimate reality is not personal.'" 
  4. ^ Varlaki, P.; Nadai L.; Bokor, J. Number Archetypes and Background Control Theory Concerning the Fine Structure Constant. Acta Polytechnica Hungarica. 2008, 5 (2) [2009-02-12]. 
  5. ^ Charles Paul Enz: No Time to be Brief: A scientific biography of Wolfgang Pauli, first published 2002, reprinted 2004, ISBN 0-19-856479-1, p. 338]

外部链接[编辑]