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崭露头角
1900年4月25日,沃尔夫冈·泡利在奥地利首都维也纳出生。他的父亲是维也纳大学的化学教授,母亲是一位作家。泡利一家笃信天主教,他的教父就是当时著名的物理学家、哲学家恩斯特·马赫。正是这样优越的条件,使泡利从小就受到了良好的教育,为他以后的成长打下了坚实的基础。
勤于思考、敏而好学是泡利最显著的特点。他从来不满足于从课堂上学到的知识,也不受学校功课的束缚,而是自己积极地拓宽知识面。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,以至于在课堂上,他也偷偷地阅读。
高中毕业后,泡利拿着父亲的信找到穆尼和大学著名的物理学家索末菲,提出不上大学就直接读研究生。看在好友的份上,索末菲没有拒绝,他以为这个年轻人到时候自然会知难而退。出乎意料的是,他发现泡利比周围的研究生还要优秀。恰在此时,德国准备出版一本百科全书,介绍爱因斯坦相对论的任务,便委托给了索末菲。索末菲转手把这项任务交付给了泡利。泡利立即展开了工作,在较短的时间内就完成了一篇长达250页的专题论著。在文中,他以清新晓畅的文笔评述了广义相对论的数学基础及其物理意义,阐明了这一学科中最微妙的论证的深刻含义,并且在不少有争议的问题上大胆发表了自己独到的见解。后来,这篇论文被刊登在德国学界久负盛名的《哲学学报》上,泡利在学术界崭露头角,绽放光彩。
后来,爱因斯坦看过泡利的论著后说:“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,是任何一个人都会感到羡慕的。”泡利在学生时代就已展露了他的不同凡响的科学才华,引起了一些著名物理学家的注意。
1921年,泡利从慕尼黑大学毕业。他在当时德国学制所允许的最短期限(6个学期)内以最高的毕业评分获得了理论物理学的博士学位。在随后的两年多时间里,他又分别求教了当时著名物理学家马克斯·玻恩和尼尔斯·玻尔,使其理论知识和治学方法更加成熟了。此后,他走上了独立从事物理学研究的道路。
发现不相容原理
1900年,德国物理学家普朗克提出了“能量子”的概念,标志着一个与经典物理学完全不同的领域——量子力学诞生了。这是一次人类对自然万物认识水平的深化,同时也激化了新兴学科与传统观念、原理之间的尖锐矛盾。而这一矛盾最为突出的表现就是围绕“以太”存在与否问题的论争。
“以太”是当时物理学对构成物质世界的最小单位的称呼。在经典物理学家看来,“以太”是不可再分的,而且有着连续变化的特性,自然界的一切变化都是“以太”的特殊形态。然而,这一传统观念却被在科学实验中取得的一系列不连续现象的发现所打破。这一景观被当时的人们称为围绕在经典物理学上空的“第一朵乌云”。物质世界的真实面貌究竟是什么样的?物理学应当朝何处继续发展?这给所有已经习惯于经典物理学思维方法的学者们留下了深深的思考。
起初,泡利也一度在经典物理学这一困境面前一筹莫展。他在给友人的信中写道:“物理学混乱得可怕。无论如何,它对我来说是太困难了。我真希望我曾经是一个喜剧演员或者某种类似的人生,而从来没有听到过物理学。”然而,泡利很快从困惑中振作起来。围绕构成自然界的粒子理论,他率先选取了反常塞曼效应作为研究的切入点。而这一研究,最终导致了他一生最卓越的发现——“不相容原理”。
反常塞曼效应,是塞曼效应中的一种复杂情况。所谓塞曼效应,是指1896年德国物理学家塞曼在莱顿发现的原子光谱线的分裂现象。在这一现象中,原子光谱线在磁场的作用下分裂成三条,有时分裂成三条以上。前者被称为正常塞曼效应,后者被称为反常塞曼效应。对反常塞曼效应成因的解释,是科学界的一个难题。
1924年,经过紧张反复的思考、论证和实验,泡利终于找到了“不相容原理”。这一原理能够很好地解释反常塞曼效应的成因及其物理、光学机制。泡利将这一原理反复推敲,并最终把它精练地表述为:“在一个原子当中,绝不可能存在两个或多个等价电子,因为这些电子在强场中所有量子数n、R1、R2、m都取同值。如果有一个电子,它的这些量子数在强场中都具有确定的值,那么这个状态就是‘被占态’。”这年他才24岁!后人也把这个原理称为泡利原理。
根据这一原理,泡利指出,在塞曼效应中,原子光谱线分裂的根本原因不应该从原子的结构中去找,而应该到电子的运动中去找。他假设了“在电子的量子论性质”中有一种“在经典上无法描述的二值性质”,因而,对于一个电子的运动态不能像前人一样用两个量子数,而应该用四个量子数来表示。这就使人们能非常准确地计算出在原子光谱线分裂中的电子运动态,从而极大地推动了量子理论的发展。
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。
在不相容原理被发现的20年当中,随着“电子自旋”概念的确立和描述基本粒子运动方法的进一步完善,这一原理的应用范围已扩大到了更多的基本粒子和核子,其正确性和普遍性反复被证实。正是因为有了这一原理,对元素周期表的完整解释才成为可能,费米量子统计方法也得以创立。有人认为,这一原理的发现是量子理论大厦“封顶”的标志。之后,海森堡等人的论文接二连三地发表,最终导致了在数学上一致的量子力学的创立。1945年,诺贝尔物理学奖授予给了泡利。
上帝的鞭子
泡利是一个天份很高的科学家,也是一个勤奋、严谨的人。上中学时,老师课堂上的讲授就已经无法满足他惊人的理解力和旺盛的求知欲了。于是,他很早就开始了比较系统的自学。他严格地恪守自己制定的学习计划,即使在假期当中,别人都在放松、休息,而他仍在读书直至深夜。在哥本哈根向玻尔求教的日子里,他的勤奋甚至引起了当地居民的不安。泡利不仅在时间上这样严格要求自己,而且在工作的内容上也是如此。他要求自己做真正有意义的工作,而以做那些“容易出成果”的事为耻。
泡利在学术讨论中是以语言犀利著称的。在一次聆听爱因斯坦的演讲时,泡利坐在最后一排座位。他问题火力之猛,连爱因斯坦 都招架不住。据说此后演讲,爱因斯坦的眼光都要特别扫过最后一排,查验有无熟悉的身影出现。
一次,在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。”
在一次他做主席的报告会上,他就毫不客气地批评一位报告人说:“根据我的观点,我们刚刚听完的这篇论文毫无价值。如果这位报告人是会议主席的话,他也会第一个得出这个结论。”
对于自己的这种刻薄,泡利自有道理:“我不反对思考得慢,但反对说得比思考得快。”一位学生把自己写的论文送给老师泡利看后,得到的答复是:“这论文不仅不正确,甚至连错误都算不上。”还有泡利的师弟海森堡,这个1932年的诺贝尔物理学奖得主,也经常被泡利责备批评。
泡利就是这样地敢爱敢恨,然而,这一切都指向一个目的,这就是“科学的真理”。因此,很多人戏称泡利为“上帝的鞭子”。
这个发现了“泡利不相容原理”的人,似乎处处与人不相容。然而,泡利的那些批评,并没有带来人们对他的怨恨。人们认为,泡利不讲怜悯,不动感情,批评尖刻,但经常于人有益。一则笑话说,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……”
1958年秋,正当泡利的研究工作蒸蒸日上时,他却患上了重病。1958年12月5日,泡利病逝。他唯一的遗憾就是,没有做出像爱因斯坦那样伟大的工作。在他的葬礼上,玻尔动情地说:“我们永远是从泡利的评论中获益匪浅的。”
除了在相对论和不相容原理上的贡献之外,泡利的许多科学创见和发现至今仍然有着重要的影响,如泡利矩阵、“中微子”的存在思想等等。正如有位传记作家所指出的那样:“几乎在理论物理学的每个领域里,都留下了泡利的巨大影响。”
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。”