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理論物理學家泡利:從中學時代對相對論的熱愛到成為博士的傳奇故事

更新時間:2024-08-30 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

這個故事講述了20世紀一位理論物理學家的故事。奧地利裔美國科學家沃爾夫岡·泡利( Pauli,1900-1958)出生于20世紀。他的父親是維也納大學的物理化學教授,教父是奧地利物理學家、哲學家。命運給了泡利良好的生活和學習環境,而他用事實證明自己并沒有被命運寵壞。中學時期,泡利對當時鮮為人知的愛因斯坦廣義相對論產生了濃厚的興趣,經常埋頭苦讀。1918年中學畢業后,他成為慕尼黑大學索末菲教授的研究生。他的物理老師、大名鼎鼎的索末菲教授請他為德國準備出版的百科全書撰寫一篇有關相對論的文章。泡利竟然完成了一部長達237頁的專著,這讓教授大吃一驚。 1921年,泡利獲得了慕尼黑大學的博士學位。后來網校頭條,愛因斯坦在讀過泡利的作品后說道:“任何人看到如此成熟和富有想象力的作品,都不會相信作者只是一個21歲的學生?!迸堇趯W生時代就已經展現出了非凡的科學天賦,引起了一些著名物理學家的注意。大學畢業后,泡利曾擔任馬克斯·玻恩和尼爾斯·玻爾的助手。這兩位當時站在世界物理學前沿、后來獲得諾貝爾獎的科學家,后來談起泡利,都記得他一絲不茍的研究精神和敏捷的思維。泡利總是有獨到的見解,絕不會輕易被別人說服。他喜歡爭論,但從不以自我為中心。eE0物理好資源網(原物理ok網)

當他驗證了一個學術觀點,得出了正確的結論時,不管是自己的還是別人的,他都異常興奮,仿佛找到了寶藏,完全忘記了辯論時的紅臉。正是他這種與世無爭、重視真理的科學態度,贏得了索末菲、玻恩、玻爾等人的喜愛。他也從這些名師身上學到了富有啟發性的思維方法和實驗技術,為他后來的科學研究打下了堅實的基礎,并最終以發現量子不相容原理而步入世界著名物理學家的行列。1925年春,從漢堡大學傳來了一個令世界物理學界矚目的消息:一個新的物理學原理——不相容原理誕生了。它的提出者,正是當時還默默無聞、在這所大學任教的年輕學者——年僅25歲的泡利。泡利的不相容原理可以表述為:在一個原子中,任何兩個軌道電子的四個量子數不可能完全相同。不相容原理并沒有立即顯示出它的價值,但泡利的才華卻因此得到了社會的認可。1928年,他被聘為瑞士聯邦工學院教授;1935年,他應邀到美國講學。1940年,他在美國普林斯頓高等研究院工作。在此期間,他還以科學遠見預言了中微子的存在,并獲得了普朗克獎章。直到1945年,即泡利提出不相容理論20年后,這一理論的正確性及其深遠影響才被證實。不相容原理被稱為量子力學的主要支柱之一,是大自然的基本定律,它使當時已知的許多關于原子結構的知識得以整理。eE0物理好資源網(原物理ok網)

人們可以利用泡利引入的代表電子自旋的第四個量子數,把各種元素的電子按照殼層和亞殼層排列起來,并根據元素性質主要取決于最外層電子數(價電子數)的理論,對門捷列夫元素周期律做出科學解釋。這里需要說明的一點是,很多人是通過高中化學的學習才知道泡利不相容原理的。在本科學習的時候,量子力學課程中就出現了泡利不相容原理,這時候對這個原理的理解往往變得非常簡單、容易接受,只是一個矩陣方程的解,甚至可以認為是可以推導的。其實泡利不相容原理是在量子力學出現之前就提出的,是他從浩瀚的原子光譜數據中總結出來的一個假說,無法通過推導得到,他的工作量和洞察力是難以想象的。生前擔任過中央研究院院長的物理學家吳大猷在自傳《回憶錄》中希望,在學校教學中,最好按照科學發展的原始順序進行講解。因為只有這樣,學生才能真正理解科學概念的本質,掌握科學研究的方法,以及其中涉及的巨大困難。泡利的主要成就在量子力學、量子場論和基本粒子理論,特別是建立了泡利不相容原理和β衰變中的中微子假設,為理論物理的發展做出了重要貢獻。1945年,泡利因“發現不相容原理”于1925年獲得諾貝爾物理學獎,當時他25歲。eE0物理好資源網(原物理ok網)

他把一生獻給科學研究,34歲結婚,不幸于1958年因病去世。1946年泡利加入美國國籍,是美國科學促進會的創始人之一。關于泡利的故事很多物理學就是物理學家所做的,他以嚴謹博學著稱,但也以尖刻和吹毛求疵著稱。據說泡利在一次國際會議上結識了愛因斯坦,愛因斯坦演講結束后,泡利站起來說:“我不認為愛因斯坦完全是傻子?!庇幸淮?,后來發現反質子的意大利物理學家塞格雷做完報告,和泡利等人一起離開會議室時,泡利對他說:“我從來沒聽過像你這么糟糕的報告。”塞格雷當時一句話也沒說。泡利想了想,轉身對同行的瑞士物理化學家布里舍爾說:“如果是你做報告,情況會更糟。當然,除了你上次在蘇黎世的開幕報告?!边€有一次泡利想去某個地方,但不知道怎么去,同事告訴他的。后來,同事問他那天找到那個地方了嗎。他反而嘲笑他說:“當你不談論物理的時候,你的思路就很清晰?!迸堇麑Υ龑W生也很粗魯。有一次,一個學生寫了一篇論文,請泡利看。兩天后,學生向泡利征求意見。泡利把論文還給他,說:“這連錯誤都算不上?!钡堇徊柗Q為“物理學的良心”,因為他的敏銳和細心挑剔使他能一眼就發現錯誤。在物理學界曾經流傳著一個笑話,說存在“泡利效應”——當泡利出現在某個地方時,那里的人無論是進行理論推導,還是實驗操作,都一定會出錯。eE0物理好資源網(原物理ok網)

泡利酷愛跳舞和夜總會,他寧愿放棄聚集了幾乎所有世界頂尖物理學家的第二屆索爾默會議,而去參加一場舞蹈比賽,也只管發論文。泡利對物理學幾乎所有領域都有深入研究,因此他有著極好的洞察力和直覺力,最奇怪的是他幾乎從不犯錯。他的威望如此之高,以至于當時物理學界的一切新成果物理學就是物理學家所做的,如果得不到泡利的首肯,大家都會感到心神不寧。原子物理學中反常的塞曼效應剛被發現時,它的理論解釋就遇到了很大的困難。當時,有些人經??匆娕堇荒槕n慮地獨自徘徊在巴黎街頭,便上前好奇地問泡利為什么這么難過?泡利很不禮貌地回答道:當一個人在思考反常的塞曼效應時,你怎么能指望他露出開心的表情呢?于是大家都知道反常的塞曼效應是個大難題,這也難倒了“偉大的泡利”。1925年,當時正在攻讀博士學位的荷蘭物理學家G.烏倫貝克和他的老師W.古德斯米特發現并提出了電子具有內稟自旋,這是一個極其大膽和革命性的假說。他們把寫好的論文寄給雜志社時,也把一份復印件寄給了泡利。泡利回信說他們的結論是錯誤的,這無異于給這兩位荷蘭人潑了一盆冷水。烏倫貝克建議趕緊從雜志社拿回論文,以免尷尬。古德斯米特苦笑著說:“已經寄出去了,再拿回來就太可惜了?!?span style="display:none">eE0物理好資源網(原物理ok網)

幸虧你還年輕,又不出名,犯點錯誤也沒什么大不了的。 “但隨后泡利又來信說,他們是對的,他是錯的。這也許是泡利犯下的唯一一個錯誤,雖然只持續了幾天,他就自己改正了。說起來,當時泡利才25歲,只比烏倫貝克大8個月,但在物理學界卻已經有了如此的威望。現代物理學中唯一能讓美國驕傲的美國理論物理學家理查德·費曼被稱為最聰明的美國人,他在自傳《開玩笑的物理學家》中,以泡利為例,講了聰明人和天才的區別。費曼剛開始工作時,師??從后來擔任美國哲學學會會長的J.惠勒教授。兩人合作研究了一個關于量子電動力學中延遲勢的問題。工作了幾個月,他們覺得差不多可以報告了。恰巧當時有一個國際會議,兩人同意報告這項工作,并指派費曼負責費曼講上半部分,惠勒講下半部分。會議進行到一半,大家喝茶休息的時候,泡利過來跟費曼打招呼。就連費曼這樣大大咧咧的人,也緊張得不行。泡利問費曼最近在忙什么,在會上要做什么報告。費曼如實回答了他和惠勒要講的題目,以及報告內容如何分配。泡利想了想,神秘地笑了笑,在費曼耳邊低聲說:“放心吧,惠勒教授不會做他的報告部分的?!?span style="display:none">eE0物理好資源網(原物理ok網)

”果然,惠勒最后還是沒有把那部分報告做成,因為那是錯的。當然,我們不是說泡利沒有弱點,物理學界有個術語叫“泡利效應”。這不是什么物理現象,而是指那些精通理論,卻對實驗一竅不通的人的行為。泡利以手腳笨拙而聞名,有一次他在車站停留了半個小時,想去附近的物理實驗室參觀。實驗室領導礙于他的名聲,攔不住他,只好讓他在實驗室里鼓搗鼓搗。果然,半小時后當他回到馬車上時,實驗室里已經煙霧繚繞。另外,泡利也不是個好老師,在給學生上課的時候,經常邊講邊忘了自己是在上課,自己在教室里推導公式,把學生放在一邊。而且,他的板書也寫得很糟糕,從一個角到另一個角都是斜的,字越來越小,把學生弄得眼花繚亂。但他在教學中的敬業精神,卻能培養出優秀的學生。泡利當年翻譯過一本德文的《易經》書,并因此結識了吳健雄,他對吳健雄評價頗高,后來他和吳健雄一直保持著親密的友誼。我見過的泡利的照片中,他和吳健雄的那張是最有精神的,吳健雄也精神抖擻?,F代物理學中有一個非常神秘的無量綱常數,叫精細結構常數,等于1/137。多年來,物理學家們一直試圖解釋這個常數,但都無功而返。泡利也為此花費了很多精力,可惜上帝嫉妒他的才華,他在58歲時就早早去世了。eE0物理好資源網(原物理ok網)

他死在蘇黎世紅十字醫院時,房間號正好是137。在黑暗中,有人在控制著我們的喜怒哀樂……蘇聯天才物理學家朗道曾用二分法尺度來表達科學家的智力,他認為愛因斯坦的智力是2,別人是1,自己是1.5。沒有人嘲笑朗道的自信,因為他配得上這1.5。但我總覺得他忘了泡利。其實,泡利怎么能被忘掉呢?奧地利這個小國,應該因為孟德爾、泡利、薛定諤、弗洛伊德而對人類科學的進步作出應有的貢獻。注:“上帝的鞭子”一詞原本是貶義的,是他死后約500年左右給中世紀兇殘的匈奴人阿提拉起的最流行的綽號(我忘了《讀史筆記》哪一節提到過這個人)。它最早出現在10世紀摩德納主教用拉丁文寫成的匈奴入侵歐洲的歷史中。但后來,它被用來形容泡利,更多是指他嚴謹、尖銳、無情的科學批判態度。 克洛尼格的不幸 一個理論物理學家在自然面前——以及在學生面前——顯得多么寒磣??!---愛因斯坦致埃倫費斯特的信 這部分講的是泡利的錯誤。由于泡利的錯誤,克洛尼格失去了一次重大發現的機會,這對克洛尼格來說當然是非常不幸的。泡利具有異常敏銳的反應能力,而且他批人很不留情面,所以關于他有很多非常有趣的傳聞。eE0物理好資源網(原物理ok網)

有一次,他的老師玻爾在討論會上發言時,泡利突然大聲喊道:“閉嘴,別說傻話!”玻爾溫和地說:“但是泡利,你聽我說……”泡利馬上反駁道:“不,我一句話都不想聽了!”在哥本哈根,對問題的討論往往很激烈,尤其是泡利。這種不禮貌的辯論往往閃耀著智慧的光芒,引人深思,所以辯論者不會生氣,他們的信念是真理越辯越明朗。還有一次是1954年2月下旬,楊振寧教授應奧本海默的邀請回到普林斯頓高等研究院作關于規范場的報告。當時泡利也在場。楊振寧剛在黑板上寫出一個公式,泡利馬上就問:“規范場的質量是多少?”這是當時根本無法回答的問題。也正是因為這個原因,很多物理學家覺得不能把規范場論當回事。在泡利的嚴詞質問下,楊振寧教授只好離開講臺,坐下不說話。在奧本海默插話后,報告才勉強完成。更有意思的是,1958年他去世后,人們被他尖銳的言辭所折服,編造出泡利升天后靈魂遇見上帝的故事。泡利想了想,自己一生的愿望就是搞清楚為什么精細結構常數α等于1/137,但eE0物理好資源網(原物理ok網)

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