这个毒舌的“仪器杀手”改变了物理学 | 纪念泡利逝世60周年

20 世纪初堪称量子力学的黄金年代,大师云集,泡利就是其中一位。泡利提出的不相容原理为探索物质结构指明了新的方向,如今已经被写进高中课本;他的“毒舌”属性和弄坏...


20 世纪初堪称量子力学的黄金年代,大师云集,泡利就是其中一位。泡利提出的不相容原理为探索物质结构指明了新的方向,如今已经被写进高中课本;他的“毒舌”属性和弄坏实验设备的神秘能力也被物理爱好者们津津乐道。

今天是泡利逝世 60 周年,让我们回顾这位大师传奇的一生。

泡利(左)与波恩(右)| 图片来源:UC Berkeley, Bancroft Library

撰文 徐文慧

编辑 戚译引

锋芒初现

沃尔夫冈·恩斯特·泡利(Wolfgang Ernst Pauli)出生在 1900 年,量子论诞生的年份。他的父亲沃尔夫冈·约瑟夫·泡利(Wolfgang Joseph Pauli)是一位化学家,在维也纳大学任教;他的中间名“恩斯特”(Ernst)来自于教父恩斯特·马赫(Ernst Mach),一位物理学家兼哲学家。得益于这样的家庭背景和维也纳当时良好的教育条件,泡利中学就开始读爱因斯坦的相对论,高中的时候甚至独立完成了 3 篇关于广义相对论研究的论文,受到其他物理学家的广泛关注和好评。

18 岁那年,泡利拿着父亲的介绍信,只身一人前往德国慕尼黑大学(Ludwig-Maximilians-Universität München),找到著名的物理学家阿诺德·索末菲(Arnold Sommerfeld),说要做他的研究生。这在慕尼黑大学是从未有过的——一个高中生凭着自己父亲的介绍信,就能跳过大学的基础学习阶段直接做教授的研究生?

学生时代的泡利 | 图片来源:W Weis, Vienna (Austria)

索末菲并没有直接答应或是拒绝他的请求,而是决定先相处一段时间。随后,他真实地感受到了泡利的天才之处,于是破格招收了泡利。

泡利只用了三年时间就读完了博士学位,这是学校允许的最短的时间。这时候,数学家菲利克斯·克莱因(Felix Christian Klein)请索末菲为《数学百科全书》(Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaften)写一篇有关相对论的评述性文章时,索末菲把这一重任直接交给了泡利。

泡利在两个月内便写出了一篇长 237 页、包含了 349 条脚注的文章。直到现在这篇文章都还是对相对论的最佳诠释之一。爱因斯坦本人对这篇文章的评论是:“读了这篇构思宏伟的成熟著作,任何该领域的专家都不敢相信这竟出自一个仅 21 岁的年轻人之手。

“上帝之鞭”

或许是因为泡利才华过人,老师和同事们都容忍了他的任性——比如喜欢睡懒觉,常常翘掉上午的课。而且,泡利还是个有名的“毒舌段子手”。荷兰物理学家艾伦菲斯特 (Paul Ehrenfest) 曾给他取过一个外号,“上帝之鞭”(God’s whip)[1]。

还在慕尼黑大学做学生的时候,泡利去听了一次爱因斯坦的讲座,在爱因斯坦回答了在场的一个提问之后,泡利总结道:“爱因斯坦所说的也并不是那么愚蠢嘛。”(Was Herr Einstein hat gesagt ist nicht so blode.)[2] 后来每次爱因斯坦上台之前都会偷偷扫一眼座位,看看那位嘴上不饶人的泡利是否在场,好提前做好心理准备。

爱因斯坦(左)与泡利(右)| 图片来源:Science Museum / Science & Society Picture Library

当然,泡利并不是针对爱因斯坦,他对物理学界的所有同行都一视同仁。无论谁的理论或发言不够完美,他都会毫不留情地进行批评。

博士毕业的第二年,泡利在哥本哈根理论物理研究所(Institute for Theoretical Physics in Copenhagen,现为尼尔斯·玻尔研究所,Niels Bohr Institute)工作,他的上司是尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)。两人经常因一些理论发生争执,泡利总是对玻尔大喊:“闭嘴,你这是在犯傻。”而玻尔则会温和地跟他解释:“泡利你听我说……”泡利:“我不听,我一句也不想听!”然而在玻尔决定不跟他争的时候泡利又会说:“在我每次说些什么的时候,你要做的就是与我力争到底啊。”[3]

1954年瑞典隆德物理研究所(Institute of Physics at Lund)的落成典礼上,泡利和玻尔在玩陀螺 | 图片来源:American Institute of Physics

物理学家保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)曾带有讽刺意味地对泡利说:“嘿泡利,相比你这个人,我更喜欢你《数学百科全书》那篇相对论的注释文章。”谁知泡利毫不客气地回他:“那很奇怪了,因为要问我对你的看法的话,情况刚好相反呢。”

如果你或你的研究总被导师说得一无是处,或许在知道泡利是如何评价他的学生之后,心里会好受点。一个学生曾拿着自己写的论文去找泡利,向他询问修改意见,结果泡利直接把论文还给他说:“这不对,这连错都算不上。”(“That's not right. It's not even wrong.”[4])

只有极少数人能够逃脱泡利毫不留情的评价。泡利一生对爱因斯坦、玻尔和索末菲极其敬重,奥地利物理学家韦斯科夫(Victor Weisskopf)回忆,当泡利和导师索末菲会面的时候,“看到这样一个规规矩矩、 富有礼貌、 恭恭敬敬的泡利是一件很爽的事情”[1]。

防不胜防的“泡利效应”

理论物理学家和实验物理学家本来应该是相互辅助的关系,然而泡利似乎对物理学实验造成了一些“危害”——据说在泡利出现的地方,总能有实验莫名出问题[5],这种现象被戏称为泡利效应。泡利自己也对此深信不疑,甚至还有些得意。

“泡利效应”最初只是物理学圈子内的流言,后来以讹传讹,衍生出很多版本,但有据可查的至少有两件事。一次是1950年2月,泡利在普林斯顿大学(Princeton University)的时候,有一台回旋加速器直接烧毁了。泡利还询问这是不是他的错。

还有一次,哥廷根大学(University of Göttingen)物理研究所里一台昂贵的设备突然停止工作,几个小时之后又重新启动,恢复正常,谁也不知道是什么原因。研究所所长詹姆斯·弗兰克(James Franck,1925年诺贝尔物理学奖得主)还给泡利写信打趣说:“至少这次事件你是清白的。”因为泡利当时人并不在哥廷根大学。[6]

谁知泡利回信说自己并不是完全没有责任的:“我那时正坐在从苏黎世去哥本哈根的火车上,计算了一下时间,仪器出问题的时候火车应该刚好停在哥廷根站。

为了避免“泡利效应”,泡利的朋友奥托·斯特恩(Otto Stern,1943年诺贝尔物理学奖得主)下达了禁令,坚决不允许泡利踏入自己的实验室[6]。

斯特恩(左)与泡利(右)在游船上 | 图片来源:UC Berkeley, Bancroft Library

泡利觉得这种超心理学现象(parapsychology)是值得进一步研究的[1],他和瑞士心理学家卡尔·荣格(Carl G. Jung)一直保持着紧密的联系,并对彼此的研究做出了双向性的深刻影响[7]。

“物理学之王”继承人

尽管说话刻薄了点,做实验的运气坏了点,泡利的人缘却不坏。他的尖刻批评更多是出于完美主义,或许正是这种较真的性格让他作出了成就。

泡利最为人熟知的贡献就是提出了泡利不相容原理(Pauli exclusion principle),当时他二十多岁,在汉堡大学(University of Hamburg)担任讲师。不相容原理指出,在同一个量子系统中,两个全同的费米子不能处于相同的量子态,例如同一轨道上的两个电子不能有相同的自旋。

不相容原理在刚提出来的时候没有引起足够的重视,但是接下来,它解答了很多与原子结构有关的问题,进而催生了自旋理论,为探索物质结构打开了一扇新的大门。到了 1945 年,泡利因此被授予诺贝尔物理学奖,并且被年迈的爱因斯坦指定为“物理学之王”继承人。

泡利对物理学的贡献还不止于此,他为人低调,很大一部分成果并没有正式发布,而是遗留在与其他科学家交流的信件中,例如中微子的概念。1930 年,在给原子物理学家莉泽·迈特纳(Lise Meitner)的信中,泡利指出,要解释 β 衰变的能量为何是连续谱,或许存在一种还没被发现的电中性粒子,质量不到质子的 1%。这种粒子后来被恩里科·费米(Enrico Fermi)命名为中微子(neutrino)。

由于中微子极其难以探测,泡利曾说:“我干了一件糟糕的事情,我提出了一种无法探测的粒子。”到 1956 年,弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)和克莱德·考恩(Clyde Cowan)终于用实验证明了中微子的存在。得知消息后,泡利通过电报回复:“感谢来函。知道如何等待的人总能得到一切。泡利。(Thanks for message. Everything comes to him who knows how to wait. Pauli.)”

不过,泡利也曾对两件事发表了错误的言论,一是电子自旋假说,二是宇称不守恒。

当得知自己的学生吴健雄要去帮李政道和杨振宁完成β衰变中宇称守恒的实验检验时,泡利是极力反对的,因为他认为“上帝不可能是个左撇子”。但在 1957 年 1 月 15 日,三位华裔成功证明了宇称不守恒。

泡利(左)与吴健雄(右)| 图片来源:CERN

对于“打脸”般的结果,他在给朋友的一封信中幽默地说道:“幸亏当初没人跟我打赌,不然我可能要输掉好大一笔钱。现在只损失了一点名誉,好在我的名誉也不小,损失一点也无所谓了。”

不过,就在事业上如日中天的那几年,泡利的家庭生活却很不如意[10]。泡利一向和母亲非常亲密,然而 1927 年母亲自杀,对他造成了很大的打击。次年父亲再婚,而泡利与继母关系非常糟糕。不久后泡利自己也结婚了,不到一年后这段关系以离婚告终。

在接二连三的打击下,泡利开始寻求荣格的帮助。他还开始酗酒。在密歇根大学访问期间,他因为醉酒从楼梯上摔下来,摔伤了肩膀。当时美国正是禁酒令时期,校方只好宣称他是在游泳池滑倒受伤的。

或许受到酗酒的影响,泡利患上了胰腺癌,于 1958 年 12 月 15 日在苏黎世红十字医院(Rotkreuz Hospital)去世,时年 58 岁。挑剔的他对很多东西都不满意,对别人不满意,对自己也不满意,就算在死前也在为物理学中一个神秘的无量纲常数绞尽脑汁。

▽ 精彩回顾 

参考资料

[1] 卢昌海(2012),让泡利敬重的三个半物理学家, 《现代物理知识》二零一二年第四期, 中国科学院高能物理研究所), [online] Available at: . [Accessed 13 Dec. 2018].

[2] Bernstein, J. (2006). Einstein's Theory of Relativity. In: Secrets of the Old One. Springer, New York, NY. pp. 55-101.

[3] Bizony, P. (2017). Part Three Not Even Wrong. In: Atom (Icon Science). Icon Books.

[4] Peierls R. (1960) "Wolfgang Ernst Pauli, 1900-1958". Biographical memoirs of fellows of the Royal Society (Royal Society (Great Britain)) 5: 174–92.

[5] Enz, Charles P (2002). No Time to be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli. New York: Oxford University Press.

[6] Swiss Physical Society - 50th anniversary of Wolfgang Pauli's death (2008). 50th anniversary of Wolfgang Pauli's death, 15th December 2008.  [ONLINE] Available at: . [Accessed 13 December 2018].

[7] Pauli, Wolfgang; Jung, C. G. (2001). Atom and Archetype: the Pauli/Jung Letters, 1932-1958. ed. C.A. Meier. Princeton: Princeton University Press. pp. 179–196.

[8] Mehra, J. and Rechenberg, H. (2000), The Historical Development of Quantum Theory. Springer Science & Business Media. pp. 488.