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| | 泡利
| | | | “不相容原理”的发现者
[奥地利一瑞士』泡利(1900—1958)
1945年12月l0日，瑞典首都斯德哥尔摩金碧辉煌的皇家音乐宫内，正在举行隆重的诺贝尔奖的授奖仪式。而这一年的物理学诺贝尔奖颁给了年轻的物理学家——泡利，当他从瑞典国王的手中接过盛有奖章、奖状和奖金的金礼盒寸，大厅里爆发出了热烈而持久的
掌声。人们为他获得国际科技界最高荣誉喝彩，更为科学的进步加油。
崭露头角
沃尔夫冈·泡利(WolfgangEmstPauli)是物理学家。1900年4月25日，泡利生于奥地利首都维也纳。他的父亲w．J．泡利是维也纳大学的化学教授，母亲则是一位作家。泡利一家笃信天主教，而他的教父就是当时著名的物理学家兼哲学家恩斯特·马赫。正是这样优
越的物质和精神生活条件，使泡利从小就受到了良好的教育，这为他以后的成长打下了极为坚实的基础。
根据后来泡利的学生恩兹的叙述，泡利从小就受到了马赫物理学思想的巨大影响。他很喜欢物理学，很早就显示了过人的才智和对物理学知识的良好悟性。据传他12岁时，听过一次著名物理学家阿诺德·索末菲的物理学讲演。当索末菲问在座的学生是否都听懂
了时，泡利回答：“是的，听懂了!只是除了您在左上角写的那些。”索末菲既惊讶又奇怪，然而，当他扭头看完左上角泡利所指的那堆复杂的分式推理后，他含笑点点头，说：“你说得对，我在那儿确实弄错了一点。”经此一事，泡利的才华开始引起了更多行内人士的注意。
在早年的求学道路上，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。就在他快要高中毕业时，他在课外接触到了著名物理学家爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦别开生面的
论述在他年少的心中留下了深刻的印象，很快他对这门新兴的学科产生了浓厚的兴趣，以至于在课堂上他也偷偷地阅读。后来他撰写了一篇论文，在这篇论文中，他对问题把握的透彻性。论述的全面性和逻辑的严谨性以及优雅的文采得到了初步展现。在索末菲的推荐
下，这篇论文被刊登在德国学界久负盛名的《哲学学报》上，这给尚不满20岁的泡利以极大的鼓舞。从那时开始，泡利立志要成为一名物理学家，而他的不懈努力最终使他在学术界崭露头角，绽放光彩。
初试锋芒
1918年10月，高中毕业的泡利以优异的成绩考入了当时欧洲的著名学府——德国慕尼黑大学，如愿以偿地成为索末菲的学生。他虚心地向导师求教问题，但也从不放弃任何一次自己独立尝试解决问题的机会。在慕尼黑求学期间，他自己的研究方法逐渐形成并成
熟，这就是：不大关心那些特别深奥．相当抽象的概念问题或理论的哲学含义，而善于及时地抓住那些在当时的认识水平可以求解的具体问题。这时，他又发表了两篇具有一定学术水准关于广义相对论的论文，在学术界引起了反响。
正所谓“勇者选择机会，智者创造机会”。泡利在广义相对论方面的苦心钻研，为他自己争得了一个在欧洲学术权威行列中发表见解的机会。这就是做学术名著《数理百科全书》“相对论”章节的撰稿人。当时，广义相对论还刚提出不久，能真正理解它的人并不多，而要全面又准确地介绍这一学科的发展概况无疑是颇具难度的。然而，泡利很珍惜这一次机会，凭借他在这一领域多年的钻研，他很有信心胜任这项工作。他立即展开了工作，并且在较短的时间内就完成了一篇长达250多页的综述文章。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。广义相对论的创始人——爱因斯坦看后赞叹不已，认为对著作某些地方的理解和把握甚至超过了他本人。在爱因斯坦看来，这篇文章“从心理学方面对概念发展方面的理解力，数学推演的可靠性，深刻的物理学眼光和透彻、系统的描述能力，丰富的文献知识，对主题完整的论述，以及正确而带有批判性的评价和自信……简直不知最先称赞什么地方才好”，“读了这样成熟而富于想象力的著作，谁也不会相信作者只是一个21岁的年轻人”。爱因斯坦的这些评价无疑是对泡利成果的最高肯定。正是这篇被收入《数理百科全书》的力作，为泡利初步奠定了他在学术界的地位。后来，人们将这篇力作译成英文，以单行本的形式出版，至今仍然是相对论理论方面的经典著作。
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土学位。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
岁月流转，时光飞逝，人们从19世纪跨人了20世纪。人类历史中的这看似平常的一小步，对于科学技术发展史来讲却是一大步。正是在1900年，德国物理学家普朗克提出了“能量子”的概念，标志了一个与经典物理学完全不同的领域——量子力学的兴趣。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，而臣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。这一景观为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东西，而从来没有听到过物理学。”然而，泡利从困惑中振作了起来。很快
他意识到，困境的出现并非是人类认识能力衰竭的表现，而只是意味着另一个新的认识道路即将出现，在这历史性时刻，是做开路先锋，还是坐享其成，拾人牙慧呢?泡利毫不犹豫地选择了前者。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人
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。在当时，对塞曼效应尤其是对反常塞曼效应的解释问题，很快成为研究自然界中连续性变化与不连续性变化的关系问题的焦点。而这一问题难倒了不少有名的物理学家。
起初，泡利相继提出了几个解释方案，但这些方案或在理论推导的过程就出现了不可解决的问题，或在实验当中无法与实验结果相吻合，这令他颇为丧气。有一次，一个朋友问他为什么总是这样郁郁不乐时，他说：“当一个人正在想着反常塞曼效应时，他又怎么能轻松得起来呢?”经过紧张反复的思考、论证和实验，到了1924年，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。泡利喜不自禁，他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’。”
这时他才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，而应陔到电子的运动中去找。他假设了“在电子的量子沦性质”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。
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。有鉴于泡利富有成果的努力和意义深远的发现，科学界将1945年度诺贝尔物理学奖授予了他。
科学的艮心
泡利是一个天分很高的科学家，也是一个勤奋，严谨的人。他从小不太喜爱运动，而喜欢坐在书桌旁看书。上中学时，老师课堂上的讲授就已经不能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。他如此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、虽然他们曾接待过各式各样的访问学者，但像泡利这样精力充沛、近乎“虔诚”的读书习惯，却还是第一次见识到。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。他要求自己仿真正有意义的工作，而以做那些“容易出成果”的事为耻。他对自经常于人有益”。他的诚实赢得了真理，同样也赢得了友情。
1958年秋，正当泡利的研究工作蒸蒸日上．人们期待着他有更多和更惊人的创见时，他却患上了重病。起初，他并不在意，也没有告诉任何人，而是忍受着巨大的痛楚坚持着日常的实验和教学工作，直到别人发现他的病情不妙。1958年12月5日，这位被人称作“科
学的良心”的伟大科学家在苏黎世红十字医院病逝。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，”这句话包含了同事们对他的无比敬仰之情，也真实地概括了这位科学家在科学史上的价值!
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，事实上都留下了泡利的巨大影响。”“泡利”这个名字，已不仅仅是具体一个人的代表了，而是转化成为一种精神，一种力量。这种精神和力量化入了新世纪科学发展的洪流当中。我们当中的每个人都可以从中汲取无限的力量，得到充分的精神养料。
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