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数学家传记

沃尔夫冈·泡利Wolfgang Pauli

出生
1900年4月25日 奥地利维也纳
逝世
1958年12月15日 瑞士苏黎世

沃尔夫冈·泡利因其在量子力学方面的工作而获得诺贝尔奖。

完整传记

沃尔夫冈·泡利 是 泡利 Joseph 和 Berta Camilla Schütz 的儿子。泡利 Joseph 曾在布拉格接受过医学博士培训。取得资格后,他在维也纳行医并迅速走红。1898 年,他改名为 泡利 Joseph Pauli,并在次年从犹太教皈依为罗马天主教徒。他于 1899 年 5 月与 Berta Schütz 结婚,但此时他已放弃医疗实践,转而从事化学和物理学研究,成为一名大学教授。

泡利 Joseph 受 Ernst Mach 启发而学习科学,当他的第一个孩子出生时,他给他取名为 泡利 Ernst Pauli,并给他中间名 Ernst 以纪念 Mach。泡利 的中间名不仅来自 Mach,Mach 还是他的教父,在他于 1900 年 5 月 31 日受洗时送给他一个银杯。

泡利 在维也纳上学,在那里他在 Döblingen 文理中学(Gymnasium) 开始了对数学和物理学的深入研究。他肯定不是一个典型的学生,因为他在还在文理中学时就读了 阿尔伯特·爱因斯坦 关于相对论的论文。学校功课对才华横溢的 泡利 来说很无聊,他把 阿尔伯特·爱因斯坦 的论文藏在课桌下,在课堂上研究它们。上课不专心并没有阻碍 泡利,因为他于 1918 年 7 月以优异成绩从文理中学毕业。

离开文理中学后,他进入慕尼黑路德维希-马克西米利安大学。离开学校两个月内,他就提交了第一篇关于相对论的论文。还在慕尼黑读本科时,他又写了两篇关于相对论的文章。在慕尼黑,泡利由阿诺·索末菲授课,后者很快认出了他的天才。阿诺·索末菲在泡利上大学仅两年时就请他Encyclopädie der mathematischen Wissenschaften撰写一篇关于相对论的评论文章,这标志着他对泡利的高度重视。这种尊重是相互的,因为泡利对阿诺·索末菲作为个人和科学家的尊重超过了对任何其他人的尊重。

泡利 在写到他在慕尼黑的学生时代时写道(见 [17] 中给出的 泡利 1945年诺贝尔奖演讲摘录):-

当每一位习惯于经典思维方式的物理学家第一次了解到玻尔的quantum theory基本假设时,所经历的那种震撼,我也未能幸免。

1920年6月,他写下了关于量子物理的第一篇论文,这是一项关于物质磁性的工作。1920年正是维尔纳·海森堡来到慕尼黑、也成为阿诺·索末菲学生的那一年。在[21]中,Pais引用了维尔纳·海森堡对泡利当时生活方式的描述:——

泡利是个典型的夜猫子。他更喜欢城里,喜欢在咖啡馆消磨夜晚,之后便会以极大的强度和极大的成功投入物理学工作。因此,令阿诺·索末菲沮丧的是,他很少去听上午的课,直到中午前后才会露面。

1921年7月,泡利在阿诺·索末菲的指导下获得了博士学位,学位论文是关于电离分子氢的量子理论的。在关于这篇论文的报告中,阿诺·索末菲写道,它显示出:——

……如同他许多已经发表的较小研究和他那篇较大的百科全书文章一样,对数学物理工具的充分掌握。

阿诺·索末菲对这篇论文大加赞扬无疑是正确的,但它令泡利失望,因为他所证明的理论结果与实验证据不符。现在来看,它表明,当时所表述的量子理论本身并不能提供必要的结构,以便在此基础上建立一种与实验证据相符的合乎逻辑的原子结构理论。

获得博士学位两个月后,泡利的相对论综述问世,此时已扩展为一部237页的著作。他的天才立即得到阿尔伯特·爱因斯坦的认可,后者在阅读了泡利关于相对论的专著后,写了一篇评论[21]:-

无论谁研究这部成熟而构思宏大的著作,都可能不相信其作者是一个二十一岁的年轻人。人们会思忖最令人钦佩的是什么,是对思想发展的心理学理解,是数学推演的确定性,是深刻的物理洞察力,是清晰、系统阐述的能力,是对文献的了解,是对主题的完整处理,还是批判性评价的确定性。

泡利随后于1921年10月起被任命为哥廷根的马克斯·玻恩的助手。正是在哥廷根,他第一次亲自见到了尼尔斯·玻尔,他说(例如见[17]):-

……当我第一次亲自见到尼尔斯·玻尔时,我科学生活的新阶段开始了。这是在1922年,当时他在哥廷根做了一系列客座讲座,报告了他关于元素周期系统的理论研究。在这些会面期间,玻尔问我是否能来哥本哈根一年。

泡利急切地接受了邀请,并在玻尔研究所度过了1922-23年[17]:-

应玻尔的邀请,我于1922年秋天前往哥本哈根,在那里我认真努力地解释所谓的‘反常埃里克·克里斯托弗·齐曼效应’,……这是一种磁场中谱线分裂的类型,不同于正常的三重线。

1923年,泡利被任命为汉堡privatdozent[17]:-

1923年我回到汉堡大学后不久,就在那里以私人讲师的身份作了关于元素周期系统的就职演讲。演讲的内容让我感到很不满意,因为电子壳层闭合的问题没有得到进一步的阐明。

1924年,泡利为电子提出了一个量子自旋数。他最著名的是1925年提出的Pauli exclusion principle,该原理指出原子中不可能有两个电子具有相同的四个量子数。在这篇维尔纳·海森堡发表后不到一年,他就提交了关于量子力学的文章,这篇文章将改变整个研究该主题的方法。泡利此前已开始觉得,用当时存在的理论无法取得进一步进展,但他很快利用维尔纳·海森堡的新思想取得了进展,并在1925年底之前从新理论推导出了氢光谱。

1927年,泡利遭遇了个人悲剧,与他非常亲近的母亲自杀身亡。次年,他的父亲再婚,这给泡利带来了更加不幸的处境,他称父亲的新妻子为“邪恶的继母”。1929年5月6日,泡利离开了罗马天主教会,但其原因并不完全清楚。更多的不幸接踵而至,他于1929年12月23日在柏林与Käthe Margarethe Deppner结婚。这桩婚姻从未成功,即使在最初几个月也是如此,他们于1930年11月29日在维也纳离婚。

尽管有个人问题,泡利的事业进展顺利。1928年,他被任命为苏黎世联邦理工学院理论物理学教授,并很快取得了一些显著进展。1931年,他通过数学预测,守恒定律要求存在一种新粒子,他提议将其称为“中子”。他首次在1930年12月4日的一封信中提到了支持这种粒子的理论证据,并于1931年6月16日在帕萨迪纳的一次会议上公开宣布。《纽约时报》6月17日报道:-

今天,当瑞士苏黎世理工学院的W 泡利博士假设存在他称之为“中子”的粒子或实体时,原子核心的新居民被介绍给了物理学界。

然而,泡利仍不清楚这种粒子的存在和性质,直到1933年他才将他的预测付印发表。当时他首次声称该粒子质量为零。我们现在所知的中子是由查德威克于1932年发现的。泡利的粒子于1934年被恩里科·费米命名为中微子,当时他正确地指出它不是原子核的组成部分。后来它被实验发现。

泡利这段科学发现时期恰逢他个人困难日益增多的时期。也许是由于他不幸的婚姻,他开始酗酒,并因此咨询了心理学家卡尔·古斯塔夫·荣格。他并未接受荣格的治疗,而是由荣格的一位助手帮助了泡利。然而,泡利详细记录了1000多个梦,并在多年间寄给荣格,荣格基于其中一些梦发表了著作。泡利显然像相信物理学一样相信心理学。他晚年在一封给派斯的信中写道(例如见[21]):-

我个人的看法是,在未来的科学中,实在既不是“心理的”也不是“物理的”,而是以某种方式既是两者又都不是。

1934年4月4日泡利与弗朗西斯卡·贝特拉姆结婚后,情况好转了。与他第一次灾难性的婚姻相比,他的第二次婚姻证明是对他的巨大支持。他去世后,弗朗西斯卡泡利这样评价她的已故丈夫:-

他很容易受伤,因此会拉下帷幕。他试图不承认现实而生活。而他的不谙世事恰恰源于他相信这是可能的。

1931年,泡利是密歇根大学的访问教授,然后在1935-1936年,他是普林斯顿高等爱德华·斯图迪的访问教授。他回到苏黎世,但在1939年第二次世界大战爆发后,他发现自己处境尴尬,因为德国在1938年吞并奥地利后,使他成为了德国公民。1940年,他收到普林斯顿的聘书,大大松了一口气,并被任命为那里的理论物理讲席,1941年作为密歇根大学的访问教授,1942年作为普渡大学的访问教授。

泡利担心法西斯主义可能导致欧洲科学生活的终结。为此,他积极鼓励美国和苏联的科学进展。他热衷于参加苏联的会议,参加了1939年在敖德萨举行的全联盟物理学会议和1937年在莫斯科举行的全联盟物理学会议。泡利还试图鼓励那些能留在意大利和德国的科学家这样做,因为他相信这可能确保科学文化在战后幸存。泡利没有留在美国,而是在第二次世界大战后回到了苏黎世。这对他来说不是一个容易的决定,但基本上他总是觉得自己是欧洲人,从未完全觉得自己融入了美国的生活。

泡利于1945年因其以下工作被授予诺贝尔奖:-

……通过他在1925年发现的一条新的自然定律,即不相容原理或泡利原理,做出了决定性的贡献。

他曾由阿尔伯特·爱因斯坦提名获奖。1945年他没有前往斯德哥尔摩参加颁奖典礼,但12月10日在普林斯顿为他举行了一个特别的仪式。在斯德哥尔摩,I Waller教授在泡利缺席的情况下发表了颁奖演说。他解释了不相容原理的重要性:-

泡利的研究基于对当时原子物理学中实验和理论知识深刻的分析。他发现,为了定义电子的能量状态,通常需要四个量子数。然后他提出了他的原理,该原理可以表述为:当每个能量状态被完全定义时,每个能量状态中不能有一个以上的电子。只有三个量子数可以与电子绕原子核的旋转相关联。第四个量子数的必要性证明了电子存在有趣的性质。

其他物理学家发现,这些性质可以通过说明电子具有“自旋”来解释,即它在某种程度上表现得好像它围绕通过其重心的轴快速旋转。

泡利自己表明,电子构型通过不相容原理变得完全可理解,因此该原理对于阐明不同元素的特征物理和化学性质至关重要。在那些必须借助泡利原理才能解释的重要现象中,我们提到金属的导电性和物质的磁性。

在1925年和1926年,量子理论——原子物理学的基础——取得了另一类重要的进展。描述粒子运动的新颖且革命性的方法被发展出来。

自旋的提议,赋予了泡利的第四个量子数以意义,最早由乔治·乌伦贝克在1925年提出。泡利于次年12月13日在斯德哥尔摩发表了他的诺贝尔演讲。

在[20]中,Laurikainen写到了二战后泡利的工作将他引向的其他方向:-

在他生命的最后10至15年里,泡利花费大量时间研究科学史与科学哲学。他的出发点是量子力学哲学,但这将他引向心理学、思想史以及许多其他领域,尤其是宗教与自然科学的关系。

除了诺贝尔奖之外,泡利因其工作还获得了许多荣誉。他于1953年当选为伦敦皇家学会会士,还当选为瑞士物理学会、美国物理学会和美国科学促进会会员。1931年10月,他在阿姆斯特丹被授予亨德里克·洛伦兹奖章。

[3]的作者写道:-

……他有一种天赋,能抓住某个可以变得简单的要点,并且一经呈现便立刻显出重要性。这就是他天才的特质——而他天性中以及思维中的那种简洁,也使他深受爱戴。

参考文献

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