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理论物理学家泡利:从中学时代对相对论的热爱到成为博士的传奇故事

更新时间:2024-08-30 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

这个故事讲述了20世纪一位理论物理学家的故事。奥地利裔美国科学家沃尔夫冈·泡利( Pauli,1900-1958)出生于20世纪。他的父亲是维也纳大学的物理化学教授,教父是奥地利物理学家、哲学家。命运给了泡利良好的生活和学习环境,而他用事实证明自己并没有被命运宠坏。中学时期,泡利对当时鲜为人知的爱因斯坦广义相对论产生了浓厚的兴趣,经常埋头苦读。1918年中学毕业后,他成为慕尼黑大学索末菲教授的研究生。他的物理老师、大名鼎鼎的索末菲教授请他为德国准备出版的百科全书撰写一篇有关相对论的文章。泡利竟然完成了一部长达237页的专著,这让教授大吃一惊。 1921年,泡利获得了慕尼黑大学的博士学位。后来网校头条,爱因斯坦在读过泡利的作品后说道:“任何人看到如此成熟和富有想象力的作品,都不会相信作者只是一个21岁的学生。”泡利在学生时代就已经展现出了非凡的科学天赋,引起了一些著名物理学家的注意。大学毕业后,泡利曾担任马克斯·玻恩和尼尔斯·玻尔的助手。这两位当时站在世界物理学前沿、后来获得诺贝尔奖的科学家,后来谈起泡利,都记得他一丝不苟的研究精神和敏捷的思维。泡利总是有独到的见解,绝不会轻易被别人说服。他喜欢争论,但从不以自我为中心。LZH物理好资源网(原物理ok网)

当他验证了一个学术观点,得出了正确的结论时,不管是自己的还是别人的,他都异常兴奋,仿佛找到了宝藏,完全忘记了辩论时的红脸。正是他这种与世无争、重视真理的科学态度,赢得了索末菲、玻恩、玻尔等人的喜爱。他也从这些名师身上学到了富有启发性的思维方法和实验技术,为他后来的科学研究打下了坚实的基础,并最终以发现量子不相容原理而步入世界著名物理学家的行列。1925年春,从汉堡大学传来了一个令世界物理学界瞩目的消息:一个新的物理学原理——不相容原理诞生了。它的提出者,正是当时还默默无闻、在这所大学任教的年轻学者——年仅25岁的泡利。泡利的不相容原理可以表述为:在一个原子中,任何两个轨道电子的四个量子数不可能完全相同。不相容原理并没有立即显示出它的价值,但泡利的才华却因此得到了社会的认可。1928年,他被聘为瑞士联邦工学院教授;1935年,他应邀到美国讲学。1940年,他在美国普林斯顿高等研究院工作。在此期间,他还以科学远见预言了中微子的存在,并获得了普朗克奖章。直到1945年,即泡利提出不相容理论20年后,这一理论的正确性及其深远影响才被证实。不相容原理被称为量子力学的主要支柱之一,是大自然的基本定律,它使当时已知的许多关于原子结构的知识得以整理。LZH物理好资源网(原物理ok网)

人们可以利用泡利引入的代表电子自旋的第四个量子数,把各种元素的电子按照壳层和亚壳层排列起来,并根据元素性质主要取决于最外层电子数(价电子数)的理论,对门捷列夫元素周期律做出科学解释。这里需要说明的一点是,很多人是通过高中化学的学习才知道泡利不相容原理的。在本科学习的时候,量子力学课程中就出现了泡利不相容原理,这时候对这个原理的理解往往变得非常简单、容易接受,只是一个矩阵方程的解,甚至可以认为是可以推导的。其实泡利不相容原理是在量子力学出现之前就提出的,是他从浩瀚的原子光谱数据中总结出来的一个假说,无法通过推导得到,他的工作量和洞察力是难以想象的。生前担任过中央研究院院长的物理学家吴大猷在自传《回忆录》中希望,在学校教学中,最好按照科学发展的原始顺序进行讲解。因为只有这样,学生才能真正理解科学概念的本质,掌握科学研究的方法,以及其中涉及的巨大困难。泡利的主要成就在量子力学、量子场论和基本粒子理论,特别是建立了泡利不相容原理和β衰变中的中微子假设,为理论物理的发展做出了重要贡献。1945年,泡利因“发现不相容原理”于1925年获得诺贝尔物理学奖,当时他25岁。LZH物理好资源网(原物理ok网)

他把一生献给科学研究,34岁结婚,不幸于1958年因病去世。1946年泡利加入美国国籍,是美国科学促进会的创始人之一。关于泡利的故事很多物理学就是物理学家所做的,他以严谨博学著称,但也以尖刻和吹毛求疵著称。据说泡利在一次国际会议上结识了爱因斯坦,爱因斯坦演讲结束后,泡利站起来说:“我不认为爱因斯坦完全是傻子。”有一次,后来发现反质子的意大利物理学家塞格雷做完报告,和泡利等人一起离开会议室时,泡利对他说:“我从来没听过像你这么糟糕的报告。”塞格雷当时一句话也没说。泡利想了想,转身对同行的瑞士物理化学家布里舍尔说:“如果是你做报告,情况会更糟。当然,除了你上次在苏黎世的开幕报告。”还有一次泡利想去某个地方,但不知道怎么去,同事告诉他的。后来,同事问他那天找到那个地方了吗。他反而嘲笑他说:“当你不谈论物理的时候,你的思路就很清晰。”泡利对待学生也很粗鲁。有一次,一个学生写了一篇论文,请泡利看。两天后,学生向泡利征求意见。泡利把论文还给他,说:“这连错误都算不上。”但泡利被玻尔称为“物理学的良心”,因为他的敏锐和细心挑剔使他能一眼就发现错误。在物理学界曾经流传着一个笑话,说存在“泡利效应”——当泡利出现在某个地方时,那里的人无论是进行理论推导,还是实验操作,都一定会出错。LZH物理好资源网(原物理ok网)

泡利酷爱跳舞和夜总会,他宁愿放弃聚集了几乎所有世界顶尖物理学家的第二届索尔默会议,而去参加一场舞蹈比赛,也只管发论文。泡利对物理学几乎所有领域都有深入研究,因此他有着极好的洞察力和直觉力,最奇怪的是他几乎从不犯错。他的威望如此之高,以至于当时物理学界的一切新成果物理学就是物理学家所做的,如果得不到泡利的首肯,大家都会感到心神不宁。原子物理学中反常的塞曼效应刚被发现时,它的理论解释就遇到了很大的困难。当时,有些人经常看见泡利一脸忧虑地独自徘徊在巴黎街头,便上前好奇地问泡利为什么这么难过?泡利很不礼貌地回答道:当一个人在思考反常的塞曼效应时,你怎么能指望他露出开心的表情呢?于是大家都知道反常的塞曼效应是个大难题,这也难倒了“伟大的泡利”。1925年,当时正在攻读博士学位的荷兰物理学家G.乌伦贝克和他的老师W.古德斯米特发现并提出了电子具有内禀自旋,这是一个极其大胆和革命性的假说。他们把写好的论文寄给杂志社时,也把一份复印件寄给了泡利。泡利回信说他们的结论是错误的,这无异于给这两位荷兰人泼了一盆冷水。乌伦贝克建议赶紧从杂志社拿回论文,以免尴尬。古德斯米特苦笑着说:“已经寄出去了,再拿回来就太可惜了。”LZH物理好资源网(原物理ok网)

幸亏你还年轻,又不出名,犯点错误也没什么大不了的。 “但随后泡利又来信说,他们是对的,他是错的。这也许是泡利犯下的唯一一个错误,虽然只持续了几天,他就自己改正了。说起来,当时泡利才25岁,只比乌伦贝克大8个月,但在物理学界却已经有了如此的威望。现代物理学中唯一能让美国骄傲的美国理论物理学家理查德·费曼被称为最聪明的美国人,他在自传《开玩笑的物理学家》中,以泡利为例,讲了聪明人和天才的区别。费曼刚开始工作时,师​​从后来担任美国哲学学会会长的J.惠勒教授。两人合作研究了一个关于量子电动力学中延迟势的问题。工作了几个月,他们觉得差不多可以报告了。恰巧当时有一个国际会议,两人同意报告这项工作,并指派费曼负责费曼讲上半部分,惠勒讲下半部分。会议进行到一半,大家喝茶休息的时候,泡利过来跟费曼打招呼。就连费曼这样大大咧咧的人,也紧张得不行。泡利问费曼最近在忙什么,在会上要做什么报告。费曼如实回答了他和惠勒要讲的题目,以及报告内容如何分配。泡利想了想,神秘地笑了笑,在费曼耳边低声说:“放心吧,惠勒教授不会做他的报告部分的。”LZH物理好资源网(原物理ok网)

”果然,惠勒最后还是没有把那部分报告做成,因为那是错的。当然,我们不是说泡利没有弱点,物理学界有个术语叫“泡利效应”。这不是什么物理现象,而是指那些精通理论,却对实验一窍不通的人的行为。泡利以手脚笨拙而闻名,有一次他在车站停留了半个小时,想去附近的物理实验室参观。实验室领导碍于他的名声,拦不住他,只好让他在实验室里鼓捣鼓捣。果然,半小时后当他回到马车上时,实验室里已经烟雾缭绕。另外,泡利也不是个好老师,在给学生上课的时候,经常边讲边忘了自己是在上课,自己在教室里推导公式,把学生放在一边。而且,他的板书也写得很糟糕,从一个角到另一个角都是斜的,字越来越小,把学生弄得眼花缭乱。但他在教学中的敬业精神,却能培养出优秀的学生。泡利当年翻译过一本德文的《易经》书,并因此结识了吴健雄,他对吴健雄评价颇高,后来他和吴健雄一直保持着亲密的友谊。我见过的泡利的照片中,他和吴健雄的那张是最有精神的,吴健雄也精神抖擞。现代物理学中有一个非常神秘的无量纲常数,叫精细结构常数,等于1/137。多年来,物理学家们一直试图解释这个常数,但都无功而返。泡利也为此花费了很多精力,可惜上帝嫉妒他的才华,他在58岁时就早早去世了。LZH物理好资源网(原物理ok网)

他死在苏黎世红十字医院时,房间号正好是137。在黑暗中,有人在控制着我们的喜怒哀乐……苏联天才物理学家朗道曾用二分法尺度来表达科学家的智力,他认为爱因斯坦的智力是2,别人是1,自己是1.5。没有人嘲笑朗道的自信,因为他配得上这1.5。但我总觉得他忘了泡利。其实,泡利怎么能被忘掉呢?奥地利这个小国,应该因为孟德尔、泡利、薛定谔、弗洛伊德而对人类科学的进步作出应有的贡献。注:“上帝的鞭子”一词原本是贬义的,是他死后约500年左右给中世纪凶残的匈奴人阿提拉起的最流行的绰号(我忘了《读史笔记》哪一节提到过这个人)。它最早出现在10世纪摩德纳主教用拉丁文写成的匈奴入侵欧洲的历史中。但后来,它被用来形容泡利,更多是指他严谨、尖锐、无情的科学批判态度。 克洛尼格的不幸 一个理论物理学家在自然面前——以及在学生面前——显得多么寒碜啊!---爱因斯坦致埃伦费斯特的信 这部分讲的是泡利的错误。由于泡利的错误,克洛尼格失去了一次重大发现的机会,这对克洛尼格来说当然是非常不幸的。泡利具有异常敏锐的反应能力,而且他批人很不留情面,所以关于他有很多非常有趣的传闻。LZH物理好资源网(原物理ok网)

有一次,他的老师玻尔在讨论会上发言时,泡利突然大声喊道:“闭嘴,别说傻话!”玻尔温和地说:“但是泡利,你听我说……”泡利马上反驳道:“不,我一句话都不想听了!”在哥本哈根,对问题的讨论往往很激烈,尤其是泡利。这种不礼貌的辩论往往闪耀着智慧的光芒,引人深思,所以辩论者不会生气,他们的信念是真理越辩越明朗。还有一次是1954年2月下旬,杨振宁教授应奥本海默的邀请回到普林斯顿高等研究院作关于规范场的报告。当时泡利也在场。杨振宁刚在黑板上写出一个公式,泡利马上就问:“规范场的质量是多少?”这是当时根本无法回答的问题。也正是因为这个原因,很多物理学家觉得不能把规范场论当回事。在泡利的严词质问下,杨振宁教授只好离开讲台,坐下不说话。在奥本海默插话后,报告才勉强完成。更有意思的是,1958年他去世后,人们被他尖锐的言辞所折服,编造出泡利升天后灵魂遇见上帝的故事。泡利想了想,自己一生的愿望就是搞清楚为什么精细结构常数α等于1/137,但LZH物理好资源网(原物理ok网)

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