天才泡利:爱因斯坦的继承人,纵横物理世界的上帝之鞭

在历史上,曾经有过很多关于“上帝之鞭”的传说,一种说法是匈奴王阿提拉,一种说法是成吉思汗,还有一种说法是大汗蒙哥,无论哪种说法,都配得上“上帝之鞭”这个称号,他们都是战无不胜的征服者,却都不是伟大的开拓者,在他们去世后,他们的庞大帝国都很快冰消瓦解,只留下传说。

在物理学上,也有一位“上帝之鞭”,他所到之处,人人胆战心惊,唯恐被他指出错误,就连实验仪器也闻风丧胆,莫名其妙地出现故障,以致实验失败。

他就是沃尔夫冈.泡利

沃尔夫冈.泡利

一、科学王国的继承人

1945年,诺贝尔物理奖终于颁发给了泡利,对于泡利来说,等待的时间太长了,二十年前他就应该得到诺贝尔奖了,在他之前,他的朋友甚至晚辈都纷纷获得了诺贝尔奖。

为了庆祝这个迟来的诺贝尔奖,普林斯顿高等研究院为泡利开了庆祝会,德高望重的爱因斯坦专门在庆祝会上演讲致辞。泡利后来写信给波恩回忆这一段,说:“我永远也不会忘记 1945 年当我获得诺贝尔奖之后, 他(爱因斯坦)在普林斯顿所作的有关我的讲话。那就象一位国王在退位时将我选为了如长子般的继承人。”

泡利和爱因斯坦 在这张照片上,爱因斯坦被挤到了角落,似乎泡利才是中心

泡利已经不经意地把自己当做了物理学的继承者,庆祝会仿佛是他的加冕庆典,这倒不是泡利狂妄,因为他是众望所归的天才,他在物理学上的天才程度恐怕也只有数学王子高斯在数学上的天赋可以相比,就算牛顿和爱因斯坦和他比起来,也要黯然失色。

二、天才泡利

传说泡利在二十岁时,有一次前去聆听爱因斯坦的演讲,坐在最后一排座位,他向爱因斯坦提出了一些问题,其问题之尖锐,连爱因斯坦都有些“汗出如浆”。

泡利被玻尔称为“物理学的良知”,因为他的敏锐、谨慎和挑剔,使他具有一眼就能发现错误的能力。

泡利师从于大名鼎鼎的阿诺德·索末菲,索末菲是量子力学的创始人之一,一生桃李满天下,虽然本人遗憾地没有获得诺贝尔奖,却教出了六位诺贝尔奖学生。泡利的教父更加有名,就是被爱因斯坦尊称为老师的马赫,虽然马赫自己并不承认相对论,但这无损于他的威名。

泡利中学毕业就拿着父亲的介绍信找到索末菲,要求做他的研究生,索末菲沉吟良久,不知道如何是好,拒绝吧,那可是老朋友的面子,泡利的父亲也是著名教授,接受吧,可也没有这个先例,最后,索末菲决定采取中庸之道,先留下来看看吧,要是泡利有才华,那自然是皆大欢喜,要是泡利资质平庸,那再劝他回去打好基础再来,也算是给老朋友一个交待。可随后索末菲就发现了泡利的天赋,泡利自然也就成了慕尼黑大学年龄最小的研究生。

这件事情对泡利一生影响很大,一则以中学生的身份直接读研究生,而且还是著名物理学家的研究生,证明了他的天赋,二则,在那个星光灿烂的年代,论文如雨后春笋一般冒出来,晚一天就可能被人抢先,失去扬名立万的机会,而泡利此举足足比别人多出来四年时间。

1921年,21岁的泡利获得了博士学位,同年,他为德国的《数学科学百科全书》写了一篇长达237页的关于狭义和广义相对论的词条,该文到今天仍然是该领域的经典文献之一,爱因斯坦曾经评价说:“任何该领域的专家都不会相信,该文出自一个仅21岁的青年人之手,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、和对其评价,使任何一个人都会感到羡慕。”

而此时,狄拉克刚刚大学毕业,海森堡刚刚来到索末菲门下,不走寻常路的德布罗意也是博士在读,大器晚成的薛定谔还在迷惘中等待德布罗意的启发。

不过,留给这些天才少年们的时间已经不多了,毕竟苹果砸到牛顿脑袋上的时候爵爷才24岁,而“爱因斯坦奇迹年”时爱神也不过26岁。

既完成了物理学的基本训练,又得到了爱神的称赞,等待泡利的只有成功了。

三、一鸣惊人

1925年,25岁的泡利提出了“泡利不相容原理”,这是原子物理的最基本原理,也是量子力学的重要基础,也是我们接触最早的量子力学知识,还记得中学课本上的原子的电子层分布图吗?那就是泡利不相容原理。

钠原子和钾原子的电子轨道示意图

不过泡利不相容原理只是一个经验总结,虽然总结的过程很辛苦,在浩如烟海的光谱数据中总结出泡利不相容原理,需要敏锐的洞察力,其难度要大于开普勒总结出行星运动规律,但是也和开普勒定律一样,这只是表象,开普勒定律的背后是万有引力定律,泡利不相容原理的背后却是全同粒子,在泡利提出不相容原理之后,海森堡提出了测不准原理,狄拉克写下了狄拉克方程,然后,两个人又分别提出了全同粒子假设。

当然,泡利不相容原理足以使泡利名垂青史,如果对于其他人来说,这就足够了,但是对于泡利这远远不够,因为他是天才。

四、天才的软肋

有证据表明,泡利在海森堡之前提出了测不准原理,狄拉克也承认泊松括号量子化最早由泡利指出,泡利本来可能成为这些伟大理论的发现者,可他都一一错过了,原因吗,也是因为他是天才。

彼时的物理学就象激动人心的大航海时代,人类已经掌握了超越以往的航海技术,只等着去发现遍地诱惑的新大陆,而泡利则是这个时代的哥伦布,他发现了一个又一个的新大陆,他却不能停下来辛苦耕耘,让新大陆长出丰硕的果实,要知道,人类发现新大陆是为了收获,而不仅仅是标明属地,所以,美国的国父也只能是华盛顿、杰弗逊和富林克林,而不是哥伦布。

牛顿和爱因斯坦从来就不是天才,俗话说“天不生牛顿,万古如长夜”,但是人们却很少注意到爵爷暗夜中砥砺前行的日子,爱因斯坦被尊称为魔鬼代言人,然而人们却忽视他和“上帝”殊死搏斗的岁月。他们都是付出了艰辛的努力才得到与他们名声相称的不朽功勋,他们从来不是凭借灵光乍现取得丰硕成果的天才。

泡利更适合做一个严格的评判者,而不是艰辛的拓荒者。

人们曾给泡利编了一个笑话,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……”

这就是自负的泡利,连上帝也要评判一番,不过他的自负也带来了遗憾。

五、泡利的遗憾

美国哥伦比亚大学的博士研究生克罗尼格在德国访问时遇到了心中的神——泡利,年轻的克罗尼格向泡利提出了提出了自己的电子自旋假说,“这确实很聪明,但是和现实毫无关系。”泡利冷冷地说。泡利的冷漠让克罗尼格心灰意懒,就没有发表关于电子自旋的论文。

其实是克罗尼格多虑了,泡利的刻薄是一贯的,并不是仅仅针对他,对于泡利来说,说一句“这竟然没有什么错”已经是最高的赞赏了。

泡利曾在听了意大利物理学家塞格雷(反质子的发现者)的报告之后,说道:“我从来没有听过像你这么糟糕的报告。”塞格雷也只能一言不发。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。”

泡利对于这些物理界的大佬都毫不客气,何况对初出茅庐的学生,不过后来的事态发展,却让克罗尼格有些恼火。

一年后,荷兰物理学家乌仑贝克和古兹米特发表了关于电子自旋的论文,文末还有玻尔的评论,物理学界一时哗然,爱因斯坦也参与其中,克罗尼格也只能苦笑着看着电子自旋首发权被抢走。

不过最遗憾的还不是克罗尼格,最遗憾的却是泡利本人。克罗尼格曾回忆说自己提出电子自旋的概念,是受到了泡利不相容原理的启发,乌伦贝克也曾表示“古兹米特和我是通过研读泡利的一篇表述了著名的不相容原理的论文而萌生这一想法的。”

不过,泡利随后用泡利矩阵和二分量波函数完成了电子自旋的数学描述,使之不再是一个假说,可是这对于泡利来说意味着更大的遗憾,狄拉克因此受到启发,完成了量子力学基本方程之狄拉克方程。

六、自负的苦酒

赫拉克利特说:“人不能两次踏入同一条河流”。如果有人两次踏入踏入同一条河流呢,这人一定是个天才。泡利就两次踏入了踏入了同一条河流。

晚年泡利接到了青年物理学家杨振宁和李政道的论文,就是那篇著名的《宇称在弱相互作用中守恒吗?》,年老的泡利依然锋芒不减,在给朋友的信中写道:“我不相信上帝是一个弱左撇子,我准备押很高的赌注,赌那些实验将会显示……对称的角分布……”,“对称的角分布”指的就是宇称守恒,言下之意,泡利认为年轻人的想法根本就不值一提。

非常幸运的是没有人参与泡利的赌局,否则泡利就要破产了。因为两天前,被泡利称为“无论作为实验物理学家还是聪慧而美丽的年轻中国女士”吴健雄博士就发出了证明“宇称不守恒”实验的论文。

泡利与吴健雄 吴健雄博士笑靥如花,泡利却有些落寞

看起来泡利这次没有损失金钱,只是损失了一点名誉,其实泡利还有一个更大的损失,弱相互作用下宇称不守恒也是发轫于泡利。

泡利第一个预言了中微子的存在,虽然中微子是由费米命名的,但确实是泡利在研究β衰变时提出的假想粒子。中微子是弱相互作用的重要粒子,其状态和相互作用会导致弱相互作用的宇称不守恒,如果泡利就此深入研究下去,那么在弱相互作用中的宇称不守恒他会起到重要的作用,泡利又一次咽下了苦酒。

爱因斯坦曾说过:我不能容忍这样的科学家,他拿出一块木板来,寻找最薄的地方,然后在容易钻透的地方钻许多孔。而泡利只是依凭他敏锐的观察力来看出木板哪里更容易钻透,他都懒得钻一下。

对于此,泡利晚年也有清晰的认识,“年轻时我以为自己是当时最好的形式主义者,是一个革命者。当伟大的问题到来时,我将是解决并书写它们的人。伟大的问题来了又去了,别人解决并书写了它们。我显然是一个古典主义者,而不是革命者。”

虽然泡利对自己有了清晰的认识,但是也没有了加冕称帝的机会,在爱因斯坦去世三年后,泡利也回到了上帝的怀抱,不知道他们两位在问了上帝是不是掷骰子和上帝是不是左撇子后,又会对上帝提出什么问题。

虽然泡利错失了很多,但仍然是星空中最耀眼的星星之一,以至于他去世后很久,物理学中出现什么新问题,人们都会不由得问一句:“泡利会怎么看?”。

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