赛先生文章转载自公众号中国物理学会期刊网作者陈难先译
许多量子物理学家认为自己的工作要是没经过泡利当面的苛刻批评绝不能算正式完成要是当时泡利不在场他们也要问一声泡利会怎么说
你要是把一些尚未结束的工作或者一些新的推断或猜想去请教泡利你一定会获得重要的经验和感受因为他的洞察力和知识分子的清高绝不会马马虎虎敷衍了事泡利的评论是绝不会照顾伙伴们的脸面的
著名物理学家沃尔夫冈泡利19001958图源enwikipediaorg
翻译陈难先清华大学
量子力学可称作是量子论的现代版它从诞生成长到成熟一共只有5年1925年到1930年这5年完成的事比此前25年要多和此后70年相比也是一样
1925年前的进展常因为概念上的困惑而受阻各种悖论打乱了前进的步伐例如波粒两象性的干扰和束缚即爱因斯坦光的粒子说和经典光的波动学说之间的矛盾到了1925年这些困难不再成为发展的障碍或许是由于理论物理家对量子领域中的奇特概念已经习以为常不再为此困惑并开始构建与这些奇特概念相匹配的新物理结果发现一旦放下这些概念上的争执进展马上就快得惊人对于经历那个时期的人来说突然间就像云雾顿开似的各方面都呈现出新的清晰景象
著名物理学家沃尔夫冈泡利图源enwikipediaorg
新生代的量子物理学家几乎都是1920年进入这个行列的他们多可算作是第二代量子物理学家几乎都在1900年普朗克到柏林物理学会作出划时代报告之后出生可以想象普朗克的报告简直就是催促新生代诞生的号角泡利WolfgangPauli居里奥FrederieJoliot和乌伦贝克GeorgeUhlenbeck是1900年生人海森伯WernerHeisenberg费米EnricoFermi和劳伦斯ErnestLaurence都是1901年生人奥本海默RobertOppenheimer冯纽曼JohnvonNeumann和伽莫夫GeorgeGamow则是1904年生人
泡利会怎么说
这些精英中最聪明最活跃的莫过于泡利他不仅在自己领域里做出重大贡献而且有点像玻尔Bohr似的在与同事长期的切磋讨论中指点着他们的成长那时候许多量子物理学家认为自己的工作要是没经过泡利当面的苛刻批评绝不能算正式完成要是当时泡利不在场他们也要问一声泡利会怎么说
泡利有位助手派尔斯RudolfPeierls谈起过泡利对人的评论你要是把一些尚未结束的工作或者一些新的推断或猜想去请教泡利你一定会获得重要的经验和感受因为他的洞察力和知识分子的清高绝不会马马虎虎敷衍了事泡利的评论是绝不会照顾伙伴们的脸面的对此泡利打了个比方说有些人有严重的玉米过敏和他们相处的唯一办法就是让他们踩在玉米堆上直到他们习以为常为止
如果泡利看到一篇无关重要的或者缺少连贯性的文章他就会说这甚至不仅是对错的问题了Itisnotevenwrong又一回他的同事拿来一篇质量不高的文稿他给出的意见是我不在乎你想问题有点慢但我绝不赞成你发文章的速度比你想问题还要快IdonotmindifyouthinkslowlybutIdoobjectwhenyoupublishmorequicklythanyouthink
不管什么级别的工作它的水平和重要性都会成为泡利尖刻批评的对象他和苏联理论物理学家朗道LevLandau之间就有过争论他认为朗道的工作很出色但表述得不好他在回应朗道的辩解时说我并没有说你做的每一件事都没有意义问题远不仅如此你的表述含混不清使人既没法告诉你哪些是有意义的也没法告诉你哪些是没有意义的
泡利在慕尼黑学生时代干的那事可作为他自命不凡的处女作在一次报告会上爱因斯坦发表了一条意见泡利居然从拥挤的报告厅后排跳出来说爱因斯坦先生讲的话真不算太笨真的不是废话YouknowwhatMrEinsteinsaidisnotsostupid
泡利的破坏性魔力
从年轻时泡利的脸蛋和身体都是滚圆的身体显得很笨拙有一位传记作家声称泡利经历了一百次驾驶课才通过他的驾照反过来说他在智力上的表现一点也不笨拙
泡利大概天生不适合做实验据说只要他出现在哪里哪里的实验室仪器就会发生故障泡利传奇中最有名的就是被戏称为所谓的泡利效应派尔斯告诉我们实验室档案有一条正式纪录描述有一回泡利刚到一个实验室就引起了机械破坏真空系统泄露玻璃装置破碎
泡利的破坏性魔力非常厉害有一次哥廷根实验室发生爆炸正好是他乘火车到达哥廷根车站的时候这些不幸都没有殃及泡利自身有一次泡利刚抵达招待会一个精心设计的装置使一盏枝形吊灯突然坠毁大家都相信是泡利效应的必然结果泡利一来滑轮卡壳吊灯也没法挪动了
青年泡利图源thefamouspeoplecom
反形而上学的血统
泡利在智力上有很强的遗传特征他的父亲约瑟夫WolfgangJoseph是维也纳大学的教授专攻蛋白质的物理化学他的母亲舒慈BerthaSchutz是一名新闻记者外祖父是维也纳皇家歌剧院歌唱家约瑟夫出身在布拉格的著名犹太家庭Pascheles家族他在布拉格查尔斯大学学医有位同班同学是马赫ErnstMach的儿子大约在马赫搬到维也纳大学时WolfgangPascheles就当上了查尔斯大学的教授并把名字改成泡利Pauli入了天主教
老泡利在1900年生下了他的独生子受洗时取名WolfgangErnstFriederich中间的名字Ernst来自泡利的教父马赫每当有人问起泡利的宗教背景时他总是这么解释在接受洗礼的那段时期马赫的观念比教堂里神父给我的影象更深使我实际上受到了反形而上学的洗礼而不是天主教的洗礼这就使我身上总像是保留着一种反形而上学的血统
泡利的研究之路
在上学的所有阶段少年泡利一直是公认的神童不仅仅是数学物理方面古代历史方面也是如此在健身房上体育课的间隙他居然会拿起刚刚发表两三年的爱因斯坦关于广义相对论的文章阅读起来并发表了3篇文章使专门研究相对论的大数学家外尔HermannWeyl不禁对他另目相看
泡利是慕尼黑大学理论物理教授索末菲Sommerfeld的研究生所以他和海森伯常在一起相识相知没过两年海森伯就开启了革命性的量子力学泡利喜欢和他开玩笑地议论索末菲的八字胡子和严肃的表情你看他像不像一个典型的老派匈牙利军官可是玩笑归玩笑学生对老师的敬重还是很持久的派尔斯写道令人惊讶的是当索末菲拜访泡利时人们可以看到他对老师那种毕恭毕敬的态度这对一个通常不会因人而异待人的泡利来说简直难以想象
索末菲很赞赏这位很有天赋的学生他曾把写一篇百科全书文章的艰巨任务交给了年方十九的泡利索末菲认为泡利写的洋洋237页的文章挥洒自如无暇可击爱因斯坦更是十分称赞任何该领域的专家都不会相信文章出自一位年仅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深刻的物理洞察力使问题明晰化的能力表述的系统性对语言的把握对该问题的完整处理和相应评价实在令人钦佩
离开慕尼黑之后泡利到了哥廷根展现出他灿烂而又挑剔的人生画面1921年他成为玻恩MaxBorn的助手那时玻恩正在哥廷根创建理论物理研究中心与玻尔的哥本哈根研究所互相呼应玻恩一开始就发现泡利充满活力可是也有问题泡利爱睡懒觉玻恩上午11点上课要求作为副手的泡利也能到场可泡利偏偏经常缺席以至于玻恩不得不请系里的女秘书在十点半钟去叫他反客为主大家似乎都成了泡利的助手玻恩以极大的幽默心态对他十分宽容玻恩对科学家天赋的判断和玻尔一样有经验他认为泡利无疑是绝顶聪明的天才
在哥廷根待了一年后泡利转到玻尔那里形成了现代物理学中最富有成果延续时间最长的合作关系虽然他俩从来没有合写过文章可能是对问题的看法从未达到一致但是他们各自都需要批评交流
玻尔遇到任何人都要宣传和辩论以完善和发展他的思想在与学生或助手争辩时几乎都以玻尔的大声谈论了结别的情况比如和爱因斯坦薛定谔ErwinSchrdinger讨论时争论常常因为基本概念问题僵持不下但是泡利凭借他出类拔萃的评论才能一直是玻尔在辩论中最需要的合作者他们的争论从未结束但是他们一直在前进玻尔离不开他们
玻尔的助手之一罗申菲尔德LeonRosenfeld说过如果泡利不在场玻尔就会把注意力集中到泡利给他的信泡利来信可是件大事呀玻尔去上班时总把他的信带在身上要么反复地看要么拿给好几位感兴趣的人看在起草回信时他终日像是和一个缺席的朋友进行着假想的对话似乎泡利就坐在旁边面带轻蔑的微笑听着
泡利在这批量子物理学家中属于奔波折腾较多的一个在慕尼黑哥廷根和哥本哈根之后他去了汉堡Hamburg开始在学术界有了很高的位置1928年泡利受邀到苏黎世理工学院ETH担任物理学讲席教授度过一生只有19401945年期间在普林斯顿高等研究院度过了5年
课堂上的泡利图源enwikiquoteorg
在1934年之前泡利的私人生活有点曲折1929年他和年轻的舞蹈演员德普娜KatheDeppner结了婚但不久她就和一位药剂师私奔了这使泡利很气恼要是跟一位斗牛士跑了我还能理解怎么会和一个普通的药剂师接踵而来的一段危机他在琼格CarlJung指导下接受了精神分析的治疗并于1934年与弗兰西丝卡帕特伦FranciscaBertram组成家庭
泡利不相容原理
泡利很早就被量子论的神秘感及其遇到的挫折所吸引那时他还是在索末菲课堂里听讲理论的学生他很快就熟悉了索末菲对玻尔理论复杂而精心的推广并发展了一种对氢分子结构理论的复杂应用与此同时泡利对玻尔索末菲理论有所批判并对他的低班同学海森伯指出前辈所为整个就没跳出原子论的框框
泡利凭借他的超常敏感和精细很善于找出前人的争论中是否有共同的交集可取他的结论是那时的量子论实在是一塌糊涂泡利对海森伯抱怨说每个人都在伸手不见五指的浓雾中摸索前进这团浓雾至少要几年才能驱散索末菲期望实验会帮助我们找到新的规律他相信数字中的关系有点数字神秘主义
从玻尔的第一项工作开始代表原子性能的定态具有离散的能量他们可以从量子数来计算而且当原子能量发生变化时它就会在这些定态之间进行量子跃迁在玻尔1913年文章之后十年以来许多量子论的主题都集中在量子数以量子数为基础的原子模型总要回答一个问题为了描述原子可观察的物理和化学性能对于每个电子态至少需要多少个量子数才行呢首先玻尔模型只有一个量子数然后变成两个三个最后按照泡利的提议要四个
泡利发现他可以用许多组四量子数集合创造奇迹每一组四个量子数对应着原子中每一个电子的状态模型的关键是一组规则它规定每个电子选择哪些量子数玻尔引进的两组规则仍然适用所有原子中的每个电子态对应的一组量子数都是一样的电子按能量最低原理占据这些定态泡利还加上一条普遍原理即泡利不相容原理它和之后更精巧的理论相比几乎同样清晰地阐述了原子分子理论运用在量子物理中非同寻常的简单自由度泡利断言原子中每个电子所占据的状态的四个量子数必须是唯一的在同一原子中没有两个电子可以占据同一个状态即不可能有两个状态用同样的四个量子数表征
泡利原理在1925年提出时间早于海森伯提出量子力学泡利以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
后来的理论确定泡利原理适用于任何电子系统不管是原子中的电子分子中的电子固体中的电子它们必须按泡利原理来构建任何两个靠得很近的电子绝不会完全相同即表征它俩状态的量子数不可能完全相同这意味着电子总是互相回避在原子中它们聚在一堆同心壳层里
不愿提起的自旋
四个量子数而不是三个才能使电子的故事完美在当时可是理论上很深层次的谜早期的理论中明确认为对电子态用几个量子数描述是电子运动所在空间的维度问题原子中电子沿轨道运动是在三维空间中的运动所以只需要三个量子数来描述那么第四个量子数将带来什么物理意义呢如果经典物理的类比还成立那就会有一个明显的猜测即电子和行星一样除了轨道运动还有绕着内轴的自转
好几位理论家曾经有过这个想法诸如康普顿海森伯玻尔和泡利但是这有问题首先行星和垒球的自转是三维空间中的转动如果电子的自旋也是如此并不需要引进第四个量子数那么就算电子自旋和垒球自转不同它是在一个超出经典物理想象的三维空间以外的旋转吗虽然泡利对自旋的概念也说不清楚但是泡利相信他的第四个量子数涉及到某些用经典物理观点描述不了东西
这就是1925年末的情况就像沃登Wearden所说清规戒律被粉碎了那些备受尊敬的理论家不敢做的事情被莱顿大学的两名荷兰研究生乌伦贝克GeorgeUhlenbeck和古德斯密特SamualGoudsmit迅速而轻松地完成了在泡利的启发下他们抓住了自旋概念的要害乌伦贝克曾说明过事情的原由
古德斯密特和我突然意识到这个想法起源于学习泡利的一篇文章他的文章表述了著名的不相容原理并用四个量子数表征电子这篇文章写得比较抽象没有具体的图像对我们而言比较神秘那时我们已经熟悉每个量子数对应着一个自由度的看法而另一方面按照电子是点电荷的概念没有行星或垒球那样的三维结构电子显然只有三个自由度我们没法处置第四个量子数
两位研究生很快就看出要是能把第四个量子数和电子超出通常三维空间的特殊的自旋运动联系起来有很大的好处稍后他们又慢慢地看到自己认识中的不足这时他俩去请教莱顿大学理论物理教授他们的导师厄伦菲斯特PaulEhlenfest还得到了莱顿中学创建校长洛伦兹HendrikLorentz的帮助厄伦菲斯特是后任校长洛伦兹对此有兴趣但不积极为了这个发现他俩为厄伦菲斯特准备了一份摘要后来经过更周详的考虑并告诉导师他们决定不发表
但是厄伦菲斯特的职业生涯使他比学生们更为精明他说已经把文章投给一个杂志当时许多有名的理论物理家都觉得自旋概念过于怪异这对乌伦贝克和古德斯密特是一个很好的机会厄伦菲斯特告诉他们你们还太年轻不怕犯傻
在完成一篇好的电子自旋理论文章的竞争中不少人都被淘汰下来泡利的助手柯隆尼克RaiphKronig就是一例在乌伦贝克和古德斯密特通过厄伦菲斯特向杂志投稿之前好几个月柯隆尼克就得出了类似的结论他还就此和泡利讨论过但是柯隆尼克很不幸遭到泡利劈头盖脸骂了一通并说服他放弃发表派尔斯在回忆中说泡利在晚年对此事一直不愿提起电子自旋无疑是20世纪物理和化学中有重大影响的概念迄今乌伦贝克和古德斯密特没有因为他们的理论得到诺贝尔奖柯隆尼克的故事可以解释诺奖为何把他们漏掉
不仅是电子所有基本粒子例如质子中子和正电子都有自旋而且大多数基本粒子都只有两个自旋态12和12一个向上一个向下半整数的出现也是出乎意外的
按照量子数个数代表电子运动的空间自由度的说法读者可能要问在三维空间运动的氢原子中也包含自旋为什么在玻尔理论中只用了一个量子数实际上和其他原子中的电子一样氢中电子状态也要用四个量子数表征但是氢有点特别电子态能量几乎只取决于头一个量子数和其他三个几乎没有关系玻尔很幸运他建立的氢原子模型就像在一维空间似的
和爱因斯坦相提并论
泡利对物理问题的悟性在他的同辈中几乎是最高的甚至可以说超过了爱因斯坦玻恩说自从他在哥廷根当我助手起我就发现他是可以和爱因斯坦相提并论的天才从纯科学的角度看他可能超过爱因斯坦泡利对量子力学和量子场论的基础建立都有重大贡献对不相容原理的阐述对核物理和粒子物理的重大贡献他绝对够得上是一名现代物理学大师然而他的伟大和爱因斯坦玻尔或海森伯是不同的
在一定程度上泡利被他的才智约束住了有时他对物理的理解太好了他的批判意识变得那么精细和广泛以至于他不能用同时代人所拥有的想象力和直觉能力来发挥他的创造力他的大量工作都没有发表而是遗留在私人的信件中泡利是开辟现代物理的开路先锋但没有成为占据名寺大刹的鼻祖
珍贵的科学界最牛合影图源pixabaycom
以海森伯为例他对经典物理原理的大胆背离很快就获得惊人的成功泡利评论道或许一个人不太熟悉经典物理的伟大统一性就容易找到自己的路就会有明显的优势然后他又以赞赏的口吻说当然缺乏知识是不可能获取成功的
如果泡利良好的批判意识只是对个人的一种约束那么对他的许多同事来说无疑是一种鼓舞和启发对于所有具有智慧去倾听的人来说泡利很像是一位伟大的文学评论家他的言辞既精辟准确又一针见血其实是经过洞察力和经验之间的反复平衡升华出来的心声在现代物理学中许多最好的理论工作的完成都有泡利的参与个人的直接介入或者思想上的影响他总是坐在那里倾听面带轻蔑的微笑
1958年泡利英年早逝后人碰到问题仍然会想着泡利会怎么说
