泡利:愛因斯坦的繼承人,縱橫物理世界的上帝之鞭
在歷史上,曾經有過很多關於「上帝之鞭」的傳說,一種說法是匈奴王阿提拉,一種說法是成吉思汗,還有一種說法是大汗蒙哥,無論哪種說法,都配得上「上帝之鞭」這個稱號,他們都是戰無不勝的征服者,卻都不是偉大的開拓者,在他們去世後,他們的龐大帝國都很快冰消瓦解,只留下傳說。
在物理學上,也有一位「上帝之鞭」,他所到之處,人人膽戰心驚,唯恐被他指出錯誤,就連實驗儀器也聞風喪膽,莫名其妙地出現故障,以致實驗失敗。
他就是沃爾夫岡.泡利
沃爾夫岡.泡利
一、科學王國的繼承人
1945年,諾貝爾物理獎終於頒發給了泡利,對於泡利來說,等待的時間太長了,二十年前他就應該得到諾貝爾獎了,在他之前,他的朋友甚至晚輩都紛紛獲得了諾貝爾獎。
為了慶祝這個遲來的諾貝爾獎,普林斯頓高等研究院為泡利開了慶祝會,德高望重的愛因斯坦專門在慶祝會上演講致辭。泡利後來寫信給波恩回憶這一段,說:「我永遠也不會忘記 1945 年當我獲得諾貝爾獎之後, 他(愛因斯坦)在普林斯頓所作的有關我的講話。那就象一位國王在退位時將我選為了如長子般的繼承人。」
泡利和愛因斯坦 在這張照片上,愛因斯坦被擠到了角落,似乎泡利才是中心。
泡利已經不經意地把自己當做了物理學的繼承者,慶祝會彷彿是他的加冕慶典,這倒不是泡利狂妄,因為他是眾望所歸的天才,他在物理學上的天才程度恐怕也只有數學王子高斯在數學上的天賦可以相比,就算牛頓和愛因斯坦和他比起來,也要黯然失色。
二、天才泡利
傳說泡利在二十歲時,有一次前去聆聽愛因斯坦的演講,坐在最後一排座位,他向愛因斯坦提出了一些問題,其問題之尖銳,連愛因斯坦都有些「汗出如漿」。
泡利被玻爾稱為「物理學的良知」,因為他的敏銳、謹慎和挑剔,使他具有一眼就能發現錯誤的能力。
泡利師從於大名鼎鼎的阿諾德·索末菲,索末菲是量子力學的創始人之一,一生桃李滿天下,雖然本人遺憾地沒有獲得諾貝爾獎,卻教出了六位諾貝爾獎學生。泡利的教父更加有名,就是被愛因斯坦尊稱為老師的馬赫,雖然馬赫自己並不承認相對論,但這無損於他的威名。
泡利中學畢業就拿著父親的介紹信找到索末菲,要求做他的研究生,索末菲沉吟良久,不知道如何是好,拒絕吧,那可是老朋友的面子,泡利的父親也是著名教授,接受吧,可也沒有這個先例,最後,索末菲決定採取中庸之道,先留下來看看吧,要是泡利有才華,那自然是皆大歡喜,要是泡利資質平庸,那再勸他回去打好基礎再來,也算是給老朋友一個交待。可隨後索末菲就發現了泡利的天賦,泡利自然也就成了慕尼黑大學年齡最小的研究生。
這件事情對泡利一生影響很大,一則以中學生的身份直接讀研究生,而且還是著名物理學家的研究生,證明了他的天賦,二則,在那個星光燦爛的年代,論文如雨後春筍一般冒出來,晚一天就可能被人搶先,失去揚名立萬的機會,而泡利此舉足足比別人多出來四年時間。
1921年,21歲的泡利獲得了博士學位,同年,他為德國的《數學科學百科全書》寫了一篇長達237頁的關於狹義和廣義相對論的詞條,該文到今天仍然是該領域的經典文獻之一,愛因斯坦曾經評價說:「任何該領域的專家都不會相信,該文出自一個僅21歲的青年人之手,作者在文中顯示出來的對這個領域的理解力、熟練的數學推導能力、對物理深刻的洞察力、使問題明晰的能力、系統的表述、對語言的把握、對該問題的完整處理、和對其評價,使任何一個人都會感到羨慕。」
而此時,狄拉克剛剛大學畢業,海森堡剛剛來到索末菲門下,不走尋常路的德布羅意也是博士在讀,大器晚成的薛定諤還在迷惘中等待德布羅意的啟發。
不過,留給這些天才少年們的時間已經不多了,畢竟蘋果砸到牛頓腦袋上的時候爵爺才24歲,而「愛因斯坦奇蹟年」時愛神也不過26歲。
既完成了物理學的基本訓練,又得到了愛神的稱讚,等待泡利的只有成功了。
三、一鳴驚人
1925年,25歲的泡利提出了「泡利不相容原理」,這是原子物理的最基本原理,也是量子力學的重要基礎,也是我們接觸最早的量子力學知識,還記得中學課本上的原子的電子層分布圖嗎?那就是泡利不相容原理。
鈉原子和鉀原子的電子軌道示意圖
不過泡利不相容原理只是一個經驗總結,雖然總結的過程很辛苦,在浩如煙海的光譜數據中總結出泡利不相容原理,需要敏銳的洞察力,其難度要大於開普勒總結出行星運動規律,但是也和開普勒定律一樣,這只是表象,開普勒定律的背後是萬有引力定律,泡利不相容原理的背後卻是全同粒子,在泡利提出不相容原理之後,海森堡提出了測不準原理,狄拉克寫下了狄拉克方程,然後,兩個人又分別提出了全同粒子假設。
當然,泡利不相容原理足以使泡利名垂青史,如果對於其他人來說,這就足夠了,但是對於泡利這遠遠不夠,因為他是天才。
四、天才的軟肋
有證據表明,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由泡利指出,泡利本來可能成為這些偉大理論的發現者,可他都一一錯過了,原因嗎,也是因為他是天才。
彼時的物理學就象激動人心的大航海時代,人類已經掌握了超越以往的航海技術,只等著去發現遍地誘惑的新大陸,而泡利則是這個時代的哥倫布,他發現了一個又一個的新大陸,他卻不能停下來辛苦耕耘,讓新大陸長出豐碩的果實,要知道,人類發現新大陸是為了收穫,而不僅僅是標明屬地,所以,美國的國父也只能是華盛頓、傑弗遜和富林克林,而不是哥倫布。
牛頓和愛因斯坦從來就不是天才,俗話說「天不生牛頓,萬古如長夜」,但是人們卻很少注意到爵爺暗夜中砥礪前行的日子,愛因斯坦被尊稱為魔鬼代言人,然而人們卻忽視他和「上帝」殊死搏鬥的歲月。他們都是付出了艱辛的努力才得到與他們名聲相稱的不朽功勛,他們從來不是憑藉靈光乍現取得豐碩成果的天才。
泡利更適合做一個嚴格的評判者,而不是艱辛的拓荒者。
人們曾給泡利編了一個笑話,泡利死後去見上帝,上帝把自己對世界的設計方案給他看,泡利看完後聳聳肩,說道:「你本來可以做得更好些……」
這就是自負的泡利,連上帝也要評判一番,不過他的自負也帶來了遺憾。
五、泡利的遺憾
美國哥倫比亞大學的博士研究生克羅尼格在德國訪問時遇到了心中的神——泡利,年輕的克羅尼格向泡利提出了提出了自己的電子自旋假說,「這確實很聰明,但是和現實毫無關係。」泡利冷冷地說。泡利的冷漠讓克羅尼格心灰意懶,就沒有發表關於電子自旋的論文。
其實是克羅尼格多慮了,泡利的刻薄是一貫的,並不是僅僅針對他,對於泡利來說,說一句「這竟然沒有什麼錯」已經是最高的讚賞了。
泡利曾在聽了義大利物理學家塞格雷(反質子的發現者)的報告之後,說道:「我從來沒有聽過像你這麼糟糕的報告。」塞格雷也只能一言不發。泡利想了一想,回身對同行的瑞士物理化學家布瑞斯徹說:「如果你來做報告,情況會更加糟糕,當然,你上次在蘇黎世的開幕式報告除外。」
泡利對於這些物理界的大佬都毫不客氣,何況對初出茅廬的學生,不過後來的事態發展,卻讓克羅尼格有些惱火。
一年後,荷蘭物理學家烏侖貝克和古茲米特發表了關於電子自旋的論文,文末還有玻爾的評論,物理學界一時嘩然,愛因斯坦也參與其中,克羅尼格也只能苦笑著看著電子自旋首發權被搶走。
不過最遺憾的還不是克羅尼格,最遺憾的卻是泡利本人。克羅尼格曾回憶說自己提出電子自旋的概念,是受到了泡利不相容原理的啟發,烏倫貝克也曾表示「古茲米特和我是通過研讀泡利的一篇表述了著名的不相容原理的論文而萌生這一想法的。」
不過,泡利隨後用泡利矩陣和二分量波函數完成了電子自旋的數學描述,使之不再是一個假說,可是這對於泡利來說意味著更大的遺憾,狄拉克因此受到啟發,完成了量子力學基本方程之狄拉克方程。
六、自負的苦酒
赫拉克利特說:「人不能兩次踏入同一條河流」。如果有人兩次踏入踏入同一條河流呢,這人一定是個天才。泡利就兩次踏入了踏入了同一條河流。
晚年泡利接到了青年物理學家楊振寧和李政道的論文,就是那篇著名的《宇稱在弱相互作用中守恆嗎?》,年老的泡利依然鋒芒不減,在給朋友的信中寫道:「我不相信上帝是一個弱左撇子,我準備押很高的賭注,賭那些實驗將會顯示……對稱的角分布……」,「對稱的角分布」指的就是宇稱守恆,言下之意,泡利認為年輕人的想法根本就不值一提。
非常幸運的是沒有人參與泡利的賭局,否則泡利就要破產了。因為兩天前,被泡利稱為「無論作為實驗物理學家還是聰慧而美麗的年輕中國女士」吳健雄博士就發出了證明「宇稱不守恆」實驗的論文。
泡利與吳健雄 吳健雄博士笑靨如花,泡利卻有些落寞
看起來泡利這次沒有損失金錢,只是損失了一點名譽,其實泡利還有一個更大的損失,弱相互作用下宇稱不守恆也是發軔於泡利。
泡利第一個預言了中微子的存在,雖然中微子是由費米命名的,但確實是泡利在研究β衰變時提出的假想粒子。中微子是弱相互作用的重要粒子,其狀態和相互作用會導致弱相互作用的宇稱不守恆,如果泡利就此深入研究下去,那麼在弱相互作用中的宇稱不守恆他會起到重要的作用,泡利又一次咽下了苦酒。
愛因斯坦曾說過:我不能容忍這樣的科學家,他拿出一塊木板來,尋找最薄的地方,然後在容易鑽透的地方鑽許多孔。而泡利只是依憑他敏銳的觀察力來看出木板哪裡更容易鑽透,他都懶得鑽一下。
對於此,泡利晚年也有清晰的認識,「年輕時我以為自己是當時最好的形式主義者,是一個革命者。當偉大的問題到來時,我將是解決並書寫它們的人。偉大的問題來了又去了,別人解決並書寫了它們。我顯然是一個古典主義者,而不是革命者。」
雖然泡利對自己有了清晰的認識,但是也沒有了加冕稱帝的機會,在愛因斯坦去世三年後,泡利也回到了上帝的懷抱,不知道他們兩位在問了上帝是不是擲骰子和上帝是不是左撇子後,又會對上帝提出什麼問題。
雖然泡利錯失了很多,但仍然是星空中最耀眼的星星之一,以至於他去世後很久,物理學中出現什麼新問題,人們都會不由得問一句:「泡利會怎麼看?」。
※讓諾獎蒙羞的傳奇女神:她沒有獲得諾貝爾獎,僅僅因為她是女人
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