这个毒舌的“仪器杀手”改变了物理学

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这个毒舌的“仪器杀手”改变了物理学

2018 年 12 月 16 日 中科院物理所

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20 世纪初堪称量子力学的黄金年代，大师云集，泡利就是其中一位。泡利提出的不相容原理为探索物质结构指明了新的方向，如今已经被写进高中课本；他的“毒舌”属性和弄坏实验设备的神秘能力也被物理爱好者们津津乐道。

泡利（左）与波恩（右）| 图片来源：UC Berkeley, Bancroft Library

撰文徐文慧

编辑戚译引

锋芒初现

沃尔夫冈·恩斯特·泡利（Wolfgang Ernst Pauli）出生在 1900 年，量子论诞生的年份。他的父亲沃尔夫冈·约瑟夫·泡利（Wolfgang Joseph Pauli）是一位化学家，在维也纳大学任教；他的中间名“恩斯特”（Ernst）来自于教父恩斯特·马赫（Ernst Mach），一位物理学家兼哲学家。得益于这样的家庭背景和维也纳当时良好的教育条件，泡利中学就开始读爱因斯坦的相对论，高中的时候甚至独立完成了 3 篇关于广义相对论研究的论文，受到其他物理学家的广泛关注和好评。

18 岁那年，泡利拿着父亲的介绍信，只身一人前往德国慕尼黑大学（Ludwig-Maximilians-Universität München），找到著名的物理学家阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld），说要做他的研究生。这在慕尼黑大学是从未有过的——一个高中生凭着自己父亲的介绍信，就能跳过大学的基础学习阶段直接做教授的研究生？

学生时代的泡利 | 图片来源：W Weis, Vienna (Austria)

索末菲并没有直接答应或是拒绝他的请求，而是决定先相处一段时间。随后，他真实地感受到了泡利的天才之处，于是破格招收了泡利。

泡利只用了三年时间就读完了博士学位，这是学校允许的最短的时间。这时候，数学家菲利克斯·克莱因（Felix Christian Klein）请索末菲为《数学百科全书》（Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaften）写一篇有关相对论的评述性文章时，索末菲把这一重任直接交给了泡利。

泡利在两个月内便写出了一篇长 237 页、包含了 349 条脚注的文章。直到现在这篇文章都还是对相对论的最佳诠释之一。爱因斯坦本人对这篇文章的评论是：“读了这篇构思宏伟的成熟著作，任何该领域的专家都不敢相信这竟出自一个仅 21 岁的年轻人之手。”

“上帝之鞭”

或许是因为泡利才华过人，老师和同事们都容忍了他的任性——比如喜欢睡懒觉，常常翘掉上午的课。而且，泡利还是个有名的“毒舌段子手”。荷兰物理学家艾伦菲斯特 (Paul Ehrenfest) 曾给他取过一个外号，“上帝之鞭”（God's whip）[1]。

还在慕尼黑大学做学生的时候，泡利去听了一次爱因斯坦的讲座，在爱因斯坦回答了在场的一个提问之后，泡利总结道：“爱因斯坦所说的也并不是那么愚蠢嘛。”（Was Herr Einstein hat gesagt ist nicht so blode.）[2] 后来每次爱因斯坦上台之前都会偷偷扫一眼座位，看看那位嘴上不饶人的泡利是否在场，好提前做好心理准备。

爱因斯坦（左）与泡利（右）| 图片来源：Science Museum / Science & Society Picture Library

当然，泡利并不是针对爱因斯坦，他对物理学界的所有同行都一视同仁。无论谁的理论或发言不够完美，他都会毫不留情地进行批评。

博士毕业的第二年，泡利在哥本哈根理论物理研究所（Institute for Theoretical Physics in Copenhagen，现为尼尔斯·玻尔研究所，Niels Bohr Institute）工作，他的上司是尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）。两人经常因一些理论发生争执，泡利总是对玻尔大喊：“闭嘴，你这是在犯傻。”而玻尔则会温和地跟他解释：“泡利你听我说……”泡利：“我不听，我一句也不想听！”然而在玻尔决定不跟他争的时候泡利又会说：“在我每次说些什么的时候，你要做的就是与我力争到底啊。”[3]

1954年瑞典隆德物理研究所（Institute of Physics at Lund）的落成典礼上，泡利和玻尔在玩陀螺 | 图片来源：American Institute of Physics

物理学家保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）曾带有讽刺意味地对泡利说：“嘿泡利，相比你这个人，我更喜欢你《数学百科全书》那篇相对论的注释文章。”谁知泡利毫不客气地回他：“那很奇怪了，因为要问我对你的看法的话，情况刚好相反呢。”

如果你或你的研究总被导师说得一无是处，或许在知道泡利是如何评价他的学生之后，心里会好受点。一个学生曾拿着自己写的论文去找泡利，向他询问修改意见，结果泡利直接把论文还给他说：“这不对，这连错都算不上。”（That's not right. It's not even wrong. [4]）

只有极少数人能够逃脱泡利毫不留情的评价。泡利一生对爱因斯坦、玻尔和索末菲极其敬重，奥地利物理学家韦斯科夫（Victor Weisskopf）回忆，当泡利和导师索末菲会面的时候，“看到这样一个规规矩矩、富有礼貌、恭恭敬敬的泡利是一件很爽的事情”[1]。

防不胜防的“泡利效应”

理论物理学家和实验物理学家本来应该是相互辅助的关系，然而泡利似乎对物理学实验造成了一些“危害”——据说在泡利出现的地方，总能有实验莫名出问题[5]，这种现象被戏称为泡利效应。泡利自己也对此深信不疑，甚至还有些得意。

“泡利效应”最初只是物理学圈子内的流言，后来以讹传讹，衍生出很多版本，但有据可查的至少有两件事。一次是1950年2月，泡利在普林斯顿大学（Princeton University）的时候，有一台回旋加速器直接烧毁了。泡利还询问这是不是他的错。

还有一次，哥廷根大学（University of Göttingen）物理研究所里一台昂贵的设备突然停止工作，几个小时之后又重新启动，恢复正常，谁也不知道是什么原因。研究所所长詹姆斯·弗兰克（James Franck，1925年诺贝尔物理学奖得主）还给泡利写信打趣说：“至少这次事件你是清白的。”因为泡利当时人并不在哥廷根大学。[6]

谁知泡利回信说自己并不是完全没有责任的：“我那时正坐在从苏黎世去哥本哈根的火车上，计算了一下时间，仪器出问题的时候火车应该刚好停在哥廷根站。”

为了避免“泡利效应”，泡利的朋友奥托·斯特恩（Otto Stern，1943年诺贝尔物理学奖得主）下达了禁令，坚决不允许泡利踏入自己的实验室[6]。

斯特恩（左）与泡利（右）在游船上 | 图片来源：UC Berkeley, Bancroft Library

泡利觉得这种超心理学现象（parapsychology）是值得进一步研究的[1]，他和瑞士心理学家卡尔·荣格（Carl G. Jung）一直保持着紧密的联系，并对彼此的研究做出了双向性的深刻影响[7]。

荣格（左）与泡利（右）| 图片来源：brainpickings.org

“物理学之王”继承人

尽管说话刻薄了点，做实验的运气坏了点，泡利的人缘却不坏。他的尖刻批评更多是出于完美主义，或许正是这种较真的性格让他作出了成就。

泡利最为人熟知的贡献就是提出了泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），当时他二十多岁，在汉堡大学（University of Hamburg）担任讲师。不相容原理指出，在同一个量子系统中，两个全同的费米子不能处于相同的量子态，例如同一轨道上的两个电子不能有相同的自旋。

不相容原理在刚提出来的时候没有引起足够的重视，但是接下来，它解答了很多与原子结构有关的问题，进而催生了自旋理论，为探索物质结构打开了一扇新的大门。到了 1945 年，泡利因此被授予诺贝尔物理学奖，并且被年迈的爱因斯坦指定为“物理学之王”继承人。

泡利对物理学的贡献还不止于此，他为人低调，很大一部分成果并没有正式发布，而是遗留在与其他科学家交流的信件中，例如中微子的概念。1930 年，在给原子物理学家莉泽·迈特纳（Lise Meitner）的信中，泡利指出，要解释 β 衰变的能量为何是连续谱，或许存在一种还没被发现的电中性粒子，质量不到质子的 1%。这种粒子后来被恩里科·费米（Enrico Fermi）命名为中微子（neutrino）。

由于中微子极其难以探测，泡利曾说：“我干了一件糟糕的事情，我提出了一种无法探测的粒子。”到 1956 年，弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）和克莱德·考恩（Clyde Cowan）终于用实验证明了中微子的存在。得知消息后，泡利通过电报回复：“感谢来函。知道如何等待的人总能得到一切。泡利。（Thanks for message. Everything comes to him who knows how to wait. Pauli.）”

不过，泡利也曾对两件事发表了错误的言论，一是电子自旋假说，二是宇称不守恒。

当得知自己的学生吴健雄要去帮李政道和杨振宁完成β衰变中宇称守恒的实验检验时，泡利是极力反对的，因为他认为“上帝不可能是个左撇子”。但在 1957 年 1 月 15 日，三位华裔成功证明了宇称不守恒。

泡利（左）与吴健雄（右）| 图片来源：CERN

对于“打脸”般的结果，他在给朋友的一封信中幽默地说道：“幸亏当初没人跟我打赌，不然我可能要输掉好大一笔钱。现在只损失了一点名誉，好在我的名誉也不小，损失一点也无所谓了。”

不过，就在事业上如日中天的那几年，泡利的家庭生活却很不如意[10]。泡利一向和母亲非常亲密，然而 1927 年母亲自杀，对他造成了很大的打击。次年父亲再婚，而泡利与继母关系非常糟糕。不久后泡利自己也结婚了，不到一年后这段关系以离婚告终。

在接二连三的打击下，泡利开始寻求荣格的帮助。他还开始酗酒。在密歇根大学访问期间，他因为醉酒从楼梯上摔下来，摔伤了肩膀。当时美国正是禁酒令时期，校方只好宣称他是在游泳池滑倒受伤的。

或许受到酗酒的影响，泡利患上了胰腺癌，于 1958 年 12 月 15 日在苏黎世红十字医院（Rotkreuz Hospital）去世，时年 58 岁。挑剔的他对很多东西都不满意，对别人不满意，对自己也不满意，就算在死前也在为物理学中一个神秘的无量纲常数，精细结构常数绞尽脑汁。

参考资料

[1] 卢昌海（2012），让泡利敬重的三个半物理学家, 《现代物理知识》二零一二年第四期, 中国科学院高能物理研究所）, [online] Available at: https://www.changhai.org/articles/science/misc/pauli_misc.php. [Accessed 13 Dec. 2018].

[2] Bernstein, J. (2006). Einstein's Theory of Relativity. In: Secrets of the Old One. Springer, New York, NY. pp. 55-101.

[3] Bizony, P. (2017). Part Three Not Even Wrong. In: Atom (Icon Science). Icon Books.

[4] Peierls R. (1960) "Wolfgang Ernst Pauli, 1900-1958". Biographical memoirs of fellows of the Royal Society (Royal Society (Great Britain)) 5: 174–92.

[5] Enz, Charles P (2002). No Time to be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli. New York: Oxford University Press.

[6] Swiss Physical Society - 50th anniversary of Wolfgang Pauli's death (2008). 50th anniversary of Wolfgang Pauli's death, 15th December 2008. [ONLINE] Available at: https://www.sps.ch/en/articles/physics-anecdotes/50th-anniversary-of-wolfgang-paulis-death-4/. [Accessed 13 December 2018].

[7] Pauli, Wolfgang; Jung, C. G. (2001). Atom and Archetype: the Pauli/Jung Letters, 1932-1958. ed. C.A. Meier. Princeton: Princeton University Press. pp. 179–196.

[8] Mehra, J. and Rechenberg, H. (2000), The Historical Development of Quantum Theory. Springer Science & Business Media. pp. 488.

[9] NobelPrize.org. Nobel Media AB 2018. (2018). Wolfgang Pauli – Biographical. [online] Available at: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1945/pauli/biographical/ [Accessed 13 Dec. 2018].

[10] Wolfgang Pauli biography. (2018). Wolfgang Ernst Pauli

. [ONLINE] Available at: http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/history/Biographies/Pauli.html. [Accessed 14 December 2018].

[11] 卢昌海个人主页. (2018). 泡利效应趣谈. [ONLINE] Available at: https://www.changhai.org/articles/science/misc/pauli_effect.php. [Accessed 14 December 2018].

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