年青時我以為自己是一個革命者。當偉大的問題到來時，我將是解決并書寫它們的人。偉大的問題來了又去了，他人解決并書寫了它們。我其實只是一個古典主義者，而不是革命者。
——泡利
撰文|張天蓉
在量子熱學誕生的那一年，沃爾夫岡·泡利（Pauli，1900年-1958年）也在英國的維也納呱呱墜落。二十多年后泡利，他成為量子熱學的先驅者之一，是一個頗富特色的理論化學學家。
天才的上帝皮鞭
泡利的教父，是被鼎鼎有名的被愛因斯坦稱呼為老師的馬赫。在中學結業時，年青的泡利就表現出過人的聰明，發表了他的第一篇科學論文。后來，泡利剛進學院便直接投奔到索末菲門下，以學生的身分成了赫爾辛基學院年紀最小的研究生。泡利在21歲的時侯為日本的《數學科學百科全書》寫了一篇237頁紙的有關狹義和廣義相對論的文章，除了令索末菲對他刮目相看，也得到愛因斯坦的高度稱贊和好評。愛氏曰：“該文出自21歲青年之手，專家皆難信也！其深刻理解力、推算之能力、物理洞察力、問題表述之明確、系統處理之完整、語言掌握之確切，無人不欽羨也！”
其實如泡利這些天才，更適宜做一個嚴格的衡量者。泡利善挑毛病，在化學學界以犀利和挖苦的評論而聞名，絲毫不給人留面子。但有意思的是，對發覺了他的天賦的第一個老總索末菲，泡利始終保持著畢恭畢敬的心態。
聽說泡利自己講過他中學生時代的一個故事。有一次在柏林學院聽高手愛因斯坦講相對論的報告，報告完畢，幾個資深院士都暫時沉默不言，其實正在相互猜想：誰應當提出第一個問題呢？忽然，只見一個年青學子站了上去說：“我認為，愛因斯坦院士明天所講的東西還不算太荒謬！”這愣頭愣腦的姑娘就是泡利。
泡利的措辭犀利、思想敏銳，對學術問題慎重，習慣于挑剔，且頗具一種發覺錯誤的能力。因而，玻爾將他譽為“物理學的良知”，同行們以“可怕的泡利”“上帝的皮鞭”“泡利效應”等愛稱和嘲諷來表明對他的崇敬之心。泡利有一句廣為留傳的評論之言：“這連錯誤都談不上！”此話足見其風格，被同學們傳為笑談。
非常有趣的是，聽說每次愛因斯坦在講演前，會自然地向聽眾席上觀看：“鞭子”是否在場？還有這位堪稱傲慢的朗道，作報告時假如有泡利在場，心態便乖巧如山羊。一次，朗道講演完畢后，發覺泡利在，便破天荒地敬稱自己所講的東西其實并非完全是錯的，泡利則開導他說：“噢，絕對不是完全錯，由于你講的東西亂作一團，我們根本弄不清什么是對的，什么是錯的。”
然而，泡利并不完全是個傲慢自負、目中無人的家伙。他心目中，有三個半他所敬仰的化學學家。前三個按名次排隊應當是：索末菲、玻爾、愛因斯坦；還有半個崇敬者的榮耀，則贈予了好同學海森堡。
當時的數學學界非常注重泡利對每一個新成果、新思想的尖銳評價。不僅僅是當時，雖然在泡利死后許久，當化學學界又有新的進展時，人們就會說：“如果泡利還活著的話，對此會有哪些高見呢？”
雖然泡利對學術問題批評挖苦，但他的中學生們依然能覺得出泡利親切和平易近人的一面，非常是，泡利對自己也一樣地挑剔，毫不留情！還有值得贊賞的一點是：中學生們在泡利面前不擔心問任何問題，也毋須害怕變得愚昧，由于對泡利而言，所有的問題都是荒謬的。
對于泡利的輕蔑，同行中留傳的笑話好多，其中有一個說的是他連上帝也不放過！人們說，假若泡利死后去見上帝，上帝把自己對世界的設計方案給他看，泡利看完后會聳聳肩，說道：“你原本可以做得更好些……”當然，其中好多故事只是傳說或稱八卦，博你們一笑。
泡利不相容原理
1925年，25歲的泡利，為了解釋反常塞曼效應，提出了“泡利不相容原理”，這是原子化學的最基本原理，也是量子熱學的重要基礎。
塞曼效應指的是在外磁場的作用下，原子波譜線由1條分裂成3條的現象。這一效應由德國化學學家塞曼于1896年發覺。同是德國化學學家的洛倫茲，用精典電磁理論解釋了這些現象。他覺得，基態發生分裂是因為電子的軌道磁矩方向在磁場作用下發生改變，促使每條譜線分裂成間隔相等的3條譜線。塞曼和洛倫茲由于這一發覺共同獲得了1902年的諾貝爾化學學獎。
盡管塞曼效應雖然有所解釋，但在1897年，好多實驗中觀察到波譜線并非總是分裂成3條，有時是4條、5條、6條、9條……間隔也不相同，雖然復雜而無規則。人們把這些現象稱作為反常塞曼效應。原先用以解釋正常塞曼效應的機制對反常塞曼效應完全無能為力。這個問題困擾著數學界，也困擾著阿姆斯特丹學派的掌門人玻爾。剛好這時侯泡利申請到玻爾研究所工作，玻爾便把這個困局交給了他。
泡利給人挑毛病堪稱淋漓盡致、十分暢快，評論文章也能滔滔不絕泡利，口若懸河。這下可好了，自己遇到了困局。反常塞曼效應是如何回事??？想來想去總感覺非常棘手，一籌莫展。當初塞曼在他的諾獎講演中以前談到了無法理解的反常塞曼效應，聲稱他和洛倫茲受到了“意外襲擊”。那時候的泡利還是個兩歲的娃娃，沒想到過了20年后，這個困局一直是困局，還“意外襲擊”到了泡利。
為此，那段時間，人們見泡利時常漫無目標地徘徊于赫爾辛基的大道小巷，眼眉緊閉、怏怏不樂。那是1922年到1923年，泡利憑直覺明白，現有的舊量子論不能徹底解決反常塞曼效應的問題。但是，量子的新理論才剛才開始在敲擊著海森堡、薛定諤等人的脖子！泡利其實是天才，但他擅長的是與中學生討論、與朋友交流，在與人互動中貢獻他的才氣，他不是那個喜歡自己寫文章開拓新天地的人，這就正是他徜徉街頭悶悶不樂的誘因。
泡利自己后來在一篇追憶文章中描述過當初的心情，大意是說，當你被反常塞曼效應這些困局糾纏的時侯，你能開心得上去嗎？
雖然暫時沒有新理論，泡利顯然算是當初化學界的革命右派。20出頭的年青人，思想前衛，總能想出一些怪引來。面對從反常塞曼效應得到的一大堆波譜實驗數據，泡利決定首先從這種經驗數據中摸索規律。
有一些外磁場十分強悍時得到的實驗數據對泡利有所幫助。那是1912年和1913年分別被帕邢和巴克獨立發覺的帕邢-巴克效應（-）。在這種實驗中，當外磁場很強時，譜線又恢復到了3條。也就是說，強磁場破壞了導致反常塞曼效應的“某種誘因”，致使反常塞曼效應回到了正常的塞曼效應。
正常塞曼效應的緣由是軌道磁矩量子化，這么，這“某種誘因”又是哪些呢？一定也是與磁效應有關的。于是，在1924年，泡利方式化地引入了一個他稱之為“雙值性”的量子自由度，即最內層電子的一個額外量子數，可以取兩個數值中的一個。這樣一來，雖然可以方式地解決反常塞曼效應問題。
據悉，泡利最后判定反常塞曼效應的譜線分裂只與原子最內層的價電子有關。從原子譜線分裂的規律，應當可以找出原子中電子的運動形式。于是，泡利引入了4個量子數來描述電子的行為。它們分別是：主量子數n、角量子數l、總角量子數j、總磁量子數mj。這種量子數稍為不同于今人所習慣使用的量子數！它們的取值相互有關，例如說，角量子數給定為l時，弱冠量子數j可以等于l加（減）1/2。在磁場中，這種量子數的不同取值促使電子的狀態得到不同的附加能量，從而促使原先磁場為0時的譜線分裂成多條譜線。
1924年左右，一位美國理論化學學家埃德蒙·斯托納（）研究了原子基態分層結構中最多可能容納的電子數，最早給出電子數量與角量子數的關系。他的文章啟發了泡利的思路。1925年，泡利在如上所述的4個量子數基礎上，得到不相容原理，以限令的方式表示如下：
電子在原子中的狀態由四個量子數（n、l、j、mj）決定。在外磁場里，處于不同量子態的電子具有不同的能量。假如有一個電子的四個量子早已有明晰的數值，則意味著這四個量子數所決定的狀態已被占有，一個原子中，不可能有兩個或多個電子處于同樣的狀態。
泡利不相容原理看上去并不是哪些大不了的理論，實在來說只是一個總結實驗資料得出的假說，但它是從精典邁向量子公路上富有革命性的一步。這個原理高深的革命意義有兩點：一是與全同粒子概念相關（全同粒子有兩種：費米子和玻骰子，泡利不相容原理描述的是費米子行為），二是與載流子的概念緊密聯系。并且全同粒子和載流子，都是量子化學中特有的現象，沒有相應的精典對應物。這個原理的深層意義，雖然是當時的泡利也認識不到，由于在精典熱學中，并沒有這些奇怪的費米子行為，也沒有作為粒子內稟屬性的載流子。
泡利和載流子
泡利提出的不相容原理，與載流子的概念只有一步之遙，但頗為奇怪的是，他除了自己沒有跨越這一步，還抵擋了別的同行（克羅尼格）提出“自旋”。
從泡利引入的四個量子數的取值規律來看，載流子的概念早已到了呼之欲出的地步，由于從四個量子數得到的譜線數量恰好是原先理論預測數的兩倍。這兩倍從何而至？或則說，應當怎樣解釋剛剛我們說過的“總角量子數j等于l加（減）1/2”的問題？這個額外1/2的角量子數是哪些？
克羅尼格生于美國，后來到日本倫敦波蘭學院讀博士。他當時對泡利的研究課題形成了興趣。具體來說，克羅尼格對我們在上一段提出的問題企圖給出答案?？肆_尼格想，玻爾的原子模型類似于太陽系的行星：行星不僅公轉之外還有自轉。假如原子模型中的角量子數l描述的是電子繞核轉動的軌道角動量的話，那種額外加在角量子數上的1/2是否就描述了電子的“自轉”呢？
克羅尼格迫不及待地將他的電子載流子的看法告訴泡利，泡利卻冷冷地說：“這確實很聰明，而且和現實毫無關系?！笨肆_尼格深受泡利這么強烈的反對，就舍棄了自己的看法，也未寫成論文發表。
但是，僅僅半年以后，另外兩個年青化學學家烏倫貝克（E.）和高斯密特（.A.）提出了同樣的看法，并在導師埃倫費斯特支持下發表了文章。她們的文章得到了玻爾和愛因斯坦等人的好評。
這令克羅尼格因喪失了首先發覺載流子的機會而頗感沮喪。不過，克羅尼格認識到，泡利只是由于接受不了電子自轉的精典圖象而批評他，并非故意欺瞞，因而后來仍然和泡利維持良好的關系。胸襟厚實的克羅尼格活到91歲高齡，于1995年逝世。
泡利當時覺得，載流子難以用精典熱學的自轉圖象來解釋，由于自轉造成的超光速將違背狹義相對論。有人把電子的載流子解釋為因帶電體自轉而產生的磁偶極子，這些解釋也很難令人信服。由于實際上，不僅電子外，一些不帶電的粒子也具有載流子，例如，中子不帶電荷，并且也和電子一樣，載流子量子數為1/2。泡利對載流子的疑問之處，如今也依然存在，不過一言以蔽之：內稟屬性！
泡利其實反對將載流子理解為“自轉”，但仍然都在努力思索載流子的物理模型。他開創性地使用了三個不對易的泡利矩陣作為載流子算子的群敘述，而且引入了一個二元旋量波函數來表示電子兩種不同的載流子態。
泡利隨即用泡利矩陣和二份量波函數完成了電子載流子的物理描述，使之不再是一個假說。但是這對于泡利來說，又意味著更大的遺憾，由于狄拉克因而遭到啟發，完成了量子熱學基本多項式之狄拉克多項式。不過，其實泡利不遺憾，泡利就是泡利！
事實也是這么，載流子的確有它的神秘之處，無論從數學意義、數學模型、實際應用上而言，都還有許多的謎團等待我們去研究、去出爐。
在電子載流子的數學意義上，可探究的問題好多：這個內稟角動量究竟是哪些意思？載流子到底是如何產生的？為何費米子會遵守泡利不相容原理？為何載流子是整數還是半整數決定了微觀粒子的統計行為？
據悉，載流子在實際應用上也神通廣大，它解釋了元素周期律的產生，波譜的精細結構，光子的偏振光性，量子信息的糾纏等等。
泡利的遺憾
泡利過分聰明和自負，又不在意學術上的桂冠和聲譽，因而錯過了不少“首次發覺”的機會，昨天所說的“自旋和全同粒子”即是一例。
聽說泡利在海森堡之前提出了測不準原理，狄拉克也承認泊松括弧量子化最早是由泡利強調的。
楊振寧在1954年2月，應邀到耶魯研究院作楊-米爾斯規范場論的報告時，泡利提出了一個尖銳的“質量”問題，使楊振寧無法回答。但這也說明泡利當時早已思索過推廣規范場到強弱互相作用的問題，而且意識到了規范理論中有一個不這么容易解決的質量難點。
后來，晚年的泡利又接到了青年化學學家楊振寧和李政道的論文，就是那篇知名的《宇稱在弱互相作用中守恒嗎？》。年老的泡利仍然鋒芒不減，在給同學的信中寫道：“我不相信上帝是一個弱左撇子，我打算押很高的賭注，賭這些實驗將會顯示……對稱的角分布……”“對稱的角分布”指的就是宇稱守恒，言下之意，泡利覺得年青人的看法根本就不值一提。
特別辛運的是沒有人參與泡利的賭約，否則泡利就要破產了。由于在泡利押賭的七天之前，被泡利稱為“無論作為實驗化學學家，還是聰敏而美麗的年青中國男士”的吳健雄博士，就早已發出了證明“宇稱不守恒”實驗的論文，泡利并不知情。泡利此次沒有損失金錢，只是損失了一點名譽。
聽說弱互相作用下宇稱不守恒本身就也是肇始于泡利，由于泡利第一個預言了中微子的存在。其實中微子由費米命名，但確實是泡利在研究β衰變時提出的假想粒子。中微子是弱互相作用的重要粒子，其狀態和互相作用會造成弱互相作用的宇稱不守恒，假如泡利當時就此深入研究下去，那么他在弱互相作用中的宇稱不守恒研究中也會起到重要的作用。泡利又一次咽下了苦酒。
1945年，諾貝爾化學獎總算頒授給了泡利。對于泡利來說，等待的時間太長了，二六年前他就應當得到諾貝爾獎了，在他之前，他的同事甚至長輩紛紛獲得了諾貝爾獎。
為了歡慶這個遲來的諾貝爾獎，耶魯高等研究院為泡利開了歡慶會，愛因斯坦專門在歡慶會上講演祝詞。泡利后來寄信給玻恩追憶這一段，說：“我永遠也不會忘掉1945年當我獲得諾貝爾獎以后，他（愛因斯坦）在耶魯所作的有關我的講話。那就像一位國王在退位時將我選為了如長子般的承繼人?！?span style="display:none">Yww物理好資源網(原物理ok網)
泡利和愛因斯坦
聰明過頭的人常常不快樂。年青的泡利在經受了父親自盡和結婚風波的嚴打后，患上了嚴重的神經紊亂癥，因此不得不求救于當時也在慕尼黑而且住得離他不遠的心理大夫卡爾·榮格。
榮格是弗洛伊德的中學生，知名心理學家，剖析心理學創始人。從那時侯開始，榮格記錄和研究了泡利的400多個“原型夢”，這種夢境伴隨著泡利的數學研究夢。榮格二十多年如一日，研究仍然持續到泡利去世為止。泡利也和榮格討論心理學、物理學、和宗教等。
后人將泡利與榮格有關這種夢境的書信來往整理成書，這種內容為探求科學家的內部心理狀況與科學研究之間的關聯留下了寶貴的原始資料。偉人愛因斯坦，虛數i，與精細結構常數有關的137……都以前來到過泡利的夢里。其實，在泡利不短不長的生命中，清醒和夢境，科學和宗教，總是常常融合糾纏在一起。
泡利、榮格及費米子的不相容原理
雖然泡利不重名利，但晚年對自己的學術生涯也有清晰的認識：“年輕時我以為自己是一個革命者。當偉大的問題到來時，我將是解決并書寫它們的人。偉大的問題來了又去了，他人解決并書寫了它們。我其實只是一個古典主義者，而不是革命者。”
泡利活得不長，1958年，58歲時因患食道癌而離世。聽說，他死前以前問去探望他的助手：看見這間病區的號碼了嗎？原先，他的病區號碼是137，精細結構常數的倒數！不用我再多寫，各位就曉得泡利臨死之前一段時間耳朵中在想些哪些了！唉，這就是執著迷戀的科學家！
英國在我們眼里是一個音樂的國度，維也納更是知名的音樂之鄉，是“音樂之聲”遍地飄蕩的地方！論起科學來，西班牙也是毫不遜色的人才輩出之地。泡利便是在法國維也納出生的。明天，我們將給你們帶來另一位誕生于維也納的量子高手。敬請關注！
（小提示：你曉得他的名子，其實是由于他的女同事，其實是由于他的貓。）
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