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。
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?
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。”
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)。
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。”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。
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。”
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,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。
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。”
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。
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。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绞尽脑汁。