「上帝之鞭」——泡利在物理學上的貢獻

對量子力學基礎做出了重要貢獻的玻恩,是一個同愛因斯坦和泡利都有過密切的個人接觸因而對他們兩個都有深刻了解的人,他在泡利去世11年後的1969年,在一個評註中對泡利有這樣一個評價:“自從他(指泡利)在哥廷根作為我的助手以來,我就已經知道他是唯—一位可與愛因斯坦本人相比的天才.作為一個科學家,他也許甚至比愛因斯坦還要偉大.但是,他是完全不同類型的一種人.在我看來,他沒有達到愛因斯坦那樣的偉大”.

泡利1900年4月25日生於維也納.他父親是維也納大學膠體化學教授.著名物理學家同時又是激進的經驗主義哲學家的馬赫,也是維也納大學的教授.他們兩家關係很好,以致有著很強個性的馬赫表示很願意作泡利的教父.結果,泡利實際上可以說是受洗作為馬赫的反形而上學的信徒.我們知道正是馬赫的實證觀點直接啟發早年的愛因斯坦,有助於他發現了相對論,不過愛因斯坦晚年放棄了馬赫的實證主義.與此相似,泡利的哲學觀後來也發生了很大變化.

泡利最早發表的文章是研究魏爾(H.Weyl)關於引力和電磁學的規範理論,魏爾本人後來(1946年)對泡利的這個研究給予了很高的評價,說該文以泡利所特有的方式給了這個問題致命的一擊.

國際物理學界早就知道,泡利還在大學讀書時,就為《數學大全》寫了一篇詮釋狹義和廣義相對論的權威文章.該文長達237頁,有394個腳註.此後幾十年內該文一直都是對相對論的最佳闡述,以致愛因斯坦本人都為之吃驚,難以相信它的作者竟是一個21歲的年輕人.他著文對此大加讚賞,說該文無論是在對有關思想的理解上、在數學推理的可靠性上、在物理見解的深刻性上、在清晰而系統的表述能力上、在文獻知識的豐富性上、在論題處理的完整性上、或是在批評性評論的恰當上,都極其優秀,以致人們不知道該文最應該受到讚賞的是哪個方面.

評論相對論之後,泡利的主要興趣轉到量子問題上.他和他的同學海森伯被介紹到慕尼黑索末菲的研究班.不久,泡利就把玻爾磁子引入到物理學中,他研究了反常塞曼效應,發現了核磁.

1925年,在海森伯和薛定諤表述他們的新力學之前,泡利通過仔細分析原子光譜,就已經提出了他的著名的不相容原理,使元素週期表的結構得到了更合理的解釋.泡利因此而獲得了1945年的諾貝爾物理學獎.至此,初出茅廬僅四年,泡利已成為世界一流的量子論專家.

泡利就1925—1933年間量子力學的發展為做理學大全》分別寫了兩篇評述文章,它們被物理學界的權威們譽為物理學的“新舊約全書”.

泡利在量子力學發展的許多關鍵問題上做出了自己獨特的貢獻.比如他用二分量波函數的形式表述了自旋的量子理論.次年,狄拉克推廣了泡利的做法,得到了相對論性量子力學的四分量旋量表述.

泡利關於順磁性的一篇文章,實際上可以看作是現代固體理論的開始.鮮為人知的是,這篇文章裡有一個極為卓越的腳註,其所以卓越,是因為在這個腳註裡,泡利改進了對波函數本身的幾率解釋!而且這個解釋比玻恩早先只是對波函數展開係數的表述更準確和更具普遍性.

1928年,泡利建立了量子統計力學,提出了費米黃金定則,泡利與海森伯和約丹合作,發展了相對論量子場論.

1930年,泡利在對β衰變的分析中,預言了中微子的存在.我們知道,玻爾為了解釋β衰變中電子能量的連續譜問題,竟曾懷疑能量守恆如此根本性的定律在微觀世界可能不再有效!與此相比,泡利的解決方法堪稱創新思維的典範.

泡利與韋斯科夫(V.F.Weisskopf)合作完成了零自旋場的量子化,他還證明了量子場論的兩根支柱:自旋統計定理和TCP定理.在楊一米爾斯理論提出之前,泡利在給派斯(A.Pais)的信裡就已有了這個理論的初步想法,並且引入了真空基態的簡併性概念.這些思想後來都被吸收到粒子物理的標準模型裡.

需要指出的是,泡利的許多開創性工作一直沒有公開發表.比如他在給約丹的一封信中,證明了矩陣力學與波動力學的等價性.在給海森伯的信中寫出了時間與能量的測不準關係式.1925年11月,克喇末獨立於狄拉克發現量子化的關鍵是將泊松括號變成對易子.克喇末在他這篇開創性文章的末尾寫道:“泡利也已經指出對易關係的這種解釋.”


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