沃爾夫?qū)づ堇兰畩W地利物理學(xué)家，主要成就：泡利不相容原理）

沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang E.Pauli，1900.4.25-1958.12.15），1900年4月25日生于奧地利維也納，畢業(yè)于慕尼黑大學(xué)，1958年12月15日，在蘇黎世逝世，享年58歲。美籍奧地利科學(xué)家、物理學(xué)家。

父親是維也納大學(xué)的物理化學(xué)教授，教父是奧地利的物理學(xué)家兼哲學(xué)家。

人物生平

1900年4月25日生于奧地利維也納一位醫(yī)學(xué)博士的家庭里，從童年時(shí)代就受到科學(xué)的熏陶，在中學(xué)時(shí)就自修物理學(xué)。

1918年中學(xué)畢業(yè)后，泡利帶著父親的介紹信，到慕尼黑大學(xué)訪問著名物理學(xué)家索末菲（A.Sommerfeld）,要求不上大學(xué)而直接做索末菲的研究生，索末菲當(dāng)時(shí)沒有拒絕，卻難免不放心，但不久就發(fā)現(xiàn)泡利的才華，于是泡利就成為慕尼黑大學(xué)最年輕的研究生。

1918年，18歲的泡利初露鋒芒，他發(fā)表了第一篇論文，是關(guān)于引力場(chǎng)中能量分量的問題。

1919年，泡利在兩篇論文中指出韋耳（H.Wegl）引力理論的一個(gè)錯(cuò)誤,并以批判的角度評(píng)論韋耳的理論。其立論之明確，思考之成熟，令人很難相信這出自一個(gè)不滿20歲的青年之手。

1921年，泡利以一篇?dú)浞肿幽Ｐ偷恼撐墨@得博士學(xué)位。同年，他為德國(guó)的《數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書》寫了一篇長(zhǎng)達(dá)237頁的關(guān)于狹義和廣義相對(duì)論的詞條，該文到今天仍然是該領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn)之一，愛因斯坦曾經(jīng)評(píng)價(jià)說：“任何該領(lǐng)域的專家都不會(huì)相信，該文出自一個(gè)僅21歲的青年人之手，作者在文中顯示出來的對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的理解力、熟練的數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力、對(duì)物理深刻的洞察力、使問題明晰的能力、系統(tǒng)的表述、對(duì)語言的把握、對(duì)該問題的完整處理、和對(duì)其評(píng)價(jià)，使任何一個(gè)人都會(huì)感到羨慕?！?/p>

1922年，泡利在哥廷根大學(xué)任玻恩（Max Born）的助教，和玻恩就天體攝動(dòng)理論在原子物理中的運(yùn)用聯(lián)名發(fā)表論文。玻恩邀請(qǐng)丹麥著名物理學(xué)家尼爾斯.玻爾到格丁根講學(xué)，在談?wù)撝?，玻爾了解到泡利的才華，和他廣泛交談，從此開始了他們之間的長(zhǎng)期合作。當(dāng)年秋，泡利就到了哥本哈根大學(xué)理論物理研究所從事研究工作。在哥本哈根，泡利先是與克拉默斯（H.A.Kramers）共同研究了譜帶理論，然后專注于反常的塞曼效應(yīng)，泡利根據(jù)朗德（Lande）的研究成果，提出了朗德因子。

1923—1928年，泡利在漢堡大學(xué)任講師。

1925年1月，泡利提出了他一生中發(fā)現(xiàn)的最重要的原理——泡利不相容原理，為原子物理的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

1928年到瑞士蘇黎世的聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)任理論物理學(xué)教授。

1935年，為躲避法西斯，移居到美國(guó)。

1940年，受聘為普林斯頓高級(jí)研究所理論物理學(xué)訪問教授。

1945年，瑞典皇家科學(xué)院授予泡利諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他之前發(fā)現(xiàn)的不相容原理。

1946年，泡利重返蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院。

1958年12月15日，泡利在蘇黎世逝世，享年58歲。

科學(xué)成就

泡利矩陣

1927年他引入了2×2泡利矩陣作為自旋操作符號(hào)的基礎(chǔ)，由此解決了非相對(duì)論自旋的理論。泡利的結(jié)果引發(fā)了保羅·狄拉克發(fā)現(xiàn)描述相對(duì)論電子的狄拉克方程式。雖然狄拉克說，他發(fā)明的這些相同的矩陣是通過自己獨(dú)立思考，并沒有受到泡利的影響。

狄拉克在結(jié)合狹義相對(duì)論與量子力學(xué)的過程中，發(fā)明類似的，但更大的（4×4）旋轉(zhuǎn)矩陣，用以解釋費(fèi)米子的自旋。

泡利原理

泡利最重要的成就是泡利原理

泡利不相容原理（Pauli’s exclusion principle又稱泡利原理、不相容原理）：在原子的同一軌道中不能容納運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子。一個(gè)原子中不可能有電子層、電子亞層、電子云伸展方向和自旋方向完全相同的兩個(gè)電子。如氦原子的兩個(gè)電子，都在第一層（K層），電子云形狀是球形對(duì)稱、只有一種完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。每一軌道中只能容納自旋相反的兩個(gè)電子，每個(gè)電子層中可能容納軌道數(shù)是n個(gè)，因此每層最多容納電子數(shù)是2n個(gè)。

β衰變

1930年，泡利考慮了β衰變中能量不守恒的問題。12月4日，在一封給莉澤·邁特納的信中，泡利向邁特納等人提出了一個(gè)當(dāng)時(shí)尚未觀測(cè)到過的、電中性的、質(zhì)量不大于質(zhì)子質(zhì)量1%的假想粒子來解釋?duì)滤プ兊倪B續(xù)光譜。1934年，恩里科·費(fèi)米將這個(gè)粒子加入他的衰變理論并稱之為中微子。首次證實(shí)中微子存在性的是1956年Frederick Reines和克萊德考恩的實(shí)驗(yàn)，兩年半之后泡利去世。在接到消息后，他回了一封電報(bào)：“感謝您的消息，對(duì)于懂得等待的人，一切終將了然。泡利?！?/p>

個(gè)人履歷

命運(yùn)給了泡利良好的生活、學(xué)習(xí)環(huán)境，他也自我證明了自己并未被命運(yùn)寵壞。

上中學(xué)時(shí)，泡利就對(duì)當(dāng)時(shí)鮮為人知的愛因斯坦的廣義相對(duì)論產(chǎn)生了濃厚的興趣，經(jīng)常埋首研讀。1918年中學(xué)畢業(yè)后就成為慕尼黑大學(xué)蘇末菲教授的研究生。他的物理老師——著名的索末菲教授請(qǐng)他為德國(guó)正準(zhǔn)備出版的百科全書寫一篇關(guān)于相對(duì)論的文章，泡利居然完成了一部250頁的專題論著，使教授大為驚訝。1921年，泡利獲慕尼黑大學(xué)博士學(xué)位。后來，愛因斯坦看過泡利的論著后說：“任何一個(gè)人看到這樣成熟和富于想象力的著作，都不能相信作者只是個(gè)21歲的學(xué)生?！迸堇趯W(xué)生時(shí)代就已展露了不同凡響的科學(xué)才華，引起了一些著名物理學(xué)家的注意。

大學(xué)畢業(yè)后，泡利先后給馬克斯·玻恩和尼爾斯·玻爾當(dāng)助手。這兩位當(dāng)時(shí)站在世界物理學(xué)前沿，而后又都獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家后來說到泡利時(shí)，都對(duì)他那尋根究底追本溯源一絲不茍的鉆研精神和他那閃現(xiàn)靈敏的思想火花記憶猶新。泡利總是有與眾不同的見解而且絕不輕易為別人說服，他好爭(zhēng)論但絕不唯我獨(dú)尊。當(dāng)他驗(yàn)證了一個(gè)學(xué)術(shù)觀點(diǎn)并得出正確結(jié)論后，不管這個(gè)觀點(diǎn)是他自己的還是別人的，他都興奮異常，如獲至寶，而把爭(zhēng)論時(shí)的面紅耳赤忘得一干二凈。正是他這種遠(yuǎn)世俗重真理的科學(xué)態(tài)度，贏得了索末菲、玻恩和玻爾的厚愛。他也從這些名師那里學(xué)到了富有教益的思維方法和實(shí)驗(yàn)技巧，為他后來的科研攀登打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，終于以發(fā)現(xiàn)量子的不相容原理而邁入世界著名物理學(xué)家的行列。

1925年春，從漢堡大學(xué)傳出一個(gè)令世界物理學(xué)界矚目的消息：一個(gè)新的物理學(xué)原理——不相容原理誕生了。它的提出者正是當(dāng)時(shí)在這個(gè)大學(xué)任教的、尚名不見經(jīng)傳的年輕學(xué)者——25歲的泡利。

泡利的不相容原理可以這樣表述：一個(gè)原子中，任何兩個(gè)軌道電子的4個(gè)量子數(shù)不能完全相同。

不相容原理并沒有立刻呈現(xiàn)出它的價(jià)值，可是泡利的才華卻因此而得到社會(huì)的承認(rèn)。1928年，他被任命為蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院教授；1935年，他應(yīng)邀前往美國(guó)講學(xué)。1940年在美國(guó)普林斯頓高級(jí)研究所工作。此間，他還以科學(xué)的預(yù)見預(yù)言了中微子的存在，獲得普朗克獎(jiǎng)?wù)?。直到泡利提出不相容理?0年后的1945年，這個(gè)理論的正確性和它產(chǎn)生的廣泛深遠(yuǎn)的影響才得以確認(rèn)。不相容原理被稱為量子力學(xué)的主要支柱之一，是自然界的基本定律，它使得當(dāng)時(shí)所知的許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)變得條理化。人們可以利用泡利引入的第四個(gè)、表示電子自旋的量子數(shù)，把各種元素的電子按殼層和支殼層排列起來，并根據(jù)元素性質(zhì)主要取決于最外層的電子數(shù)（價(jià)電子數(shù)）這一理論，對(duì)門捷列夫元素周期律給以科學(xué)的解釋。

他把一生投入了科學(xué)研究，34歲才結(jié)婚。

1945年，泡利因他在1925年即25歲時(shí)發(fā)現(xiàn)的“不相容原理”，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1958年，不幸病逝。

泡利于1946年加入美國(guó)國(guó)籍，是美國(guó)科學(xué)發(fā)展協(xié)會(huì)的創(chuàng)始人之一。

泡利的主要成就是在量子力學(xué)、量子場(chǎng)論和基本粒子理論方面，特別是泡利不相容原理的建立和β衰變中的中微子假說等，對(duì)理論物理學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

逸聞趣事

天才的教父

泡利出生于維也納一個(gè)研究膠體化學(xué)的教授的家中，他的教父是著名的馬赫先生。馬赫先生被愛因斯坦稱為相對(duì)論的先驅(qū)——雖然馬赫先生并不給愛因斯坦這個(gè)面子，聲稱他對(duì)于相對(duì)論的相信程度，像他對(duì)分子論的相信程度一樣。而眾所周知，馬赫先生極其反對(duì)分子論，而這種反對(duì)是使那個(gè)統(tǒng)計(jì)物理的天才波爾茲曼最終絕望而自殺的原因之一。

泡利與實(shí)驗(yàn)（泡利效應(yīng)）

泡利大概天生不適合作實(shí)驗(yàn)。據(jù)說他出現(xiàn)在哪里，哪里的實(shí)驗(yàn)室儀器就會(huì)有故障。有次，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家弗蘭克(J.Frank-1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，F(xiàn)ranck-Hertz實(shí)驗(yàn)中的那位弗蘭克)位于哥廷根大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室儀器突然失靈。于是弗蘭克寫信給泡利，很欣慰地告訴他說你總算無辜了一回。后來過了不久，泡利回信很誠(chéng)實(shí)地“自首”說自己雖不在第一現(xiàn)場(chǎng)，但事發(fā)當(dāng)時(shí)自己乘坐的從蘇黎世到哥本哈根的火車卻恰好在哥廷根的站臺(tái)上停留了一會(huì)兒！據(jù)說弗蘭克在總結(jié)這次實(shí)驗(yàn)失敗的原因時(shí)，一本正經(jīng)地在其中加了一個(gè)備注——‘泡利經(jīng)過此地’。

卓越的貢獻(xiàn)

少數(shù)年輕人大約以為這個(gè)物理學(xué)的王子的名字只是與不相容原理聯(lián)系在一起，甚至他們以為這個(gè)原理只是量子力學(xué)的一個(gè)推論。實(shí)際上，這個(gè)原理的提出是在1925年，甚至早于海森堡提出量子力學(xué)。泡利是用他天才的洞察力從浩如煙海的光譜數(shù)據(jù)中得出的不相容原理，其難度甚至遠(yuǎn)大過開普勒整理行星軌道的數(shù)據(jù)。泡利的貢獻(xiàn)遍及當(dāng)時(shí)物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，他參與了量子力學(xué)的基礎(chǔ)建設(shè)，量子場(chǎng)論的基礎(chǔ)建設(shè)，相對(duì)論……在物理學(xué)領(lǐng)域，泡利似乎是一個(gè)征服者而不是一個(gè)殖民者，他大量的工作沒有發(fā)表，而是遺留在私人信件里。在今天能查到的信件中，我們發(fā)現(xiàn)大量這樣的例子，他的關(guān)于矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的等價(jià)性證明是寫在給若爾當(dāng)?shù)男偶铮瑴y(cè)不準(zhǔn)原理首先出現(xiàn)在他給海森堡的信件里，狄拉克的泊松括號(hào)量子化被Hendrik Kramers獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，而他指出，泡利早就指出了這種對(duì)易關(guān)系的表示方法?；蛟S有些天才的生命是注定短暫的，泡利生于1900年，于1958年去世，僅比他心中的帝王（愛因斯坦1879-1955）晚去世3年，他唯一的遺憾就是一生中覺得沒有做出像他的king一樣偉大的工作。

銳利的眼光

作為一個(gè)物理學(xué)家，泡利眼光是相當(dāng)銳利的。比如費(fèi)曼說的那個(gè)故事，泡利預(yù)言惠勒永遠(yuǎn)做不出那個(gè)什么超前推遲勢(shì)的量子力學(xué)推廣(果然他沒作出)，費(fèi)曼事后著實(shí)被泡利的眼光震驚了。

泡利年輕的時(shí)候大概是他最牛的時(shí)候，他和海森堡認(rèn)識(shí)的時(shí)候，雖然不一樣大，但是海森堡對(duì)他當(dāng)真是言聽計(jì)從，看來十分崇拜。海森堡剛開始想做相對(duì)論方向的工作，泡利作為已經(jīng)在相對(duì)論方面已經(jīng)算是一個(gè)小專家的人物，他告訴海森堡，他覺得相對(duì)論方面近期的進(jìn)展是沒有希望的了，但在原子物理方面機(jī)會(huì)卻是大大的。要是海森堡去做相對(duì)論，就不是現(xiàn)在的樣子了。

獨(dú)特的個(gè)性

泡利以嚴(yán)謹(jǐn)博學(xué)而著稱，也以尖刻和愛挑刺而聞名。

1、泡利在二十歲時(shí)，有一次前去聆聽愛因斯坦的演講，坐在最后一排座位，他向愛因斯坦提出了一些問題，其火力之猛，連愛因斯坦都招架不住。據(jù)說此后愛因斯坦演講時(shí)，眼光都要特別掃過最后一排，查驗(yàn)有無熟悉的身影出現(xiàn)。

另外還傳聞，愛因斯坦在一次國(guó)際會(huì)議上做報(bào)告，結(jié)束后泡利站起來說：“我覺得愛因斯坦并不完全是愚蠢的。”

2、一次，在聽了意大利物理學(xué)家塞格雷（后來發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子）的報(bào)告之后，泡利說：“我從來沒有聽過像你這么糟糕的報(bào)告?！比窭滓谎晕窗l(fā)。泡利想了一想，回身對(duì)同行的瑞士物理化學(xué)家布瑞斯徹說：“如果你來做報(bào)告，情況會(huì)更加糟糕。當(dāng)然，你上次在蘇黎世的開幕式報(bào)告除外。”

3、一次，泡利想去某地，但不知該怎么走，一位同事告訴了他。后來那位同事問他找到?jīng)]有，他說：“不談物理學(xué)的時(shí)候，你的思路應(yīng)該說是清楚的?！?/p>

4、他曾經(jīng)批評(píng)學(xué)生的論文，“連錯(cuò)誤都算不上。”他對(duì)一篇文章最好的評(píng)價(jià)就是：“這章幾乎沒有錯(cuò)?！盞ronig最早提出電子自旋的概念，可是拿著論文去找泡利，被罵了一頓，因?yàn)榕堇赋鲇?jì)算不符合相對(duì)論。于是他們沒敢發(fā)這篇文章，悲慘啊。

5、泡利被玻爾稱為“物理學(xué)的良知”，因?yàn)樗拿翡J、謹(jǐn)慎和挑剔，使他具有一眼就能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力。物理學(xué)界笑談存在一種“泡利效應(yīng)”──泡利出現(xiàn)在哪里，那里的人不管是在做理論推導(dǎo)還是實(shí)驗(yàn)操作都會(huì)出岔子。

6、以放蕩不羈著名的物理學(xué)家費(fèi)曼對(duì)別人的意見常常擺出一副“你管別人怎么說的”神氣，但當(dāng)有人提起泡利對(duì)當(dāng)代物理學(xué)家的批判時(shí)，費(fèi)曼卻迫不及待想知道泡利對(duì)他做了何種評(píng)判，結(jié)果泡利仍然是不脫一貫的尖刻，說“費(fèi)曼那家伙，講起話來簡(jiǎn)直就像是紐約的黑社會(huì)人物”。費(fèi)曼聽了也只能哈哈大笑。

7、泡利說：“哦，這竟然沒什么錯(cuò)?！边@通常表示一種高度贊許。

有人編了一個(gè)笑話：泡利死后去見上帝，上帝把自己對(duì)世界的設(shè)計(jì)方案給他看，泡利看完后聳聳肩，說道：“你本來可以做得更好些……”

這個(gè)笑話的另一版本是：泡利死后，來到天堂見到上帝。上帝把他關(guān)于宇宙的設(shè)計(jì)給泡利看。泡利看了半天，撓了撓頭，說：“居然找不到什么錯(cuò)。”

最后補(bǔ)充一點(diǎn)，泡利雖然為人刻薄，語言尖銳，但這并不影響他在同時(shí)代物理學(xué)家心目中的地位。在那個(gè)天才輩出，群雄并起的物理學(xué)史上最輝煌的年代，英年早逝的泡利仍然是夜空中最耀眼的幾顆巨星之一，以致在他死后很久，當(dāng)物理學(xué)界又有新的進(jìn)展時(shí)，人們還常常想起他：“不知道如果泡利還活著的話，對(duì)此又有什么高見?！?/p>

泡利和愛因斯坦

對(duì)于所有熱愛科學(xué)的人來說，愛因斯坦在上一世紀(jì)簡(jiǎn)直就是上帝。波恩曾經(jīng)認(rèn)為，泡利也許是比愛因斯坦還牛的科學(xué)家，不過他又補(bǔ)充說，泡利完全是另一類人，“在我看來，他不可能像愛因斯坦一樣偉大?！?/p>

那么泡利是怎么看愛因斯坦的呢？在1945年，泡利終于拿到了那個(gè)他覺得自己20年前就應(yīng)該拿到的諾貝爾獎(jiǎng)后，普林斯頓高等研究院為泡利開了慶祝會(huì)，愛因斯坦為此在會(huì)上演講表示祝賀。泡利后來寫信給波恩回憶這一段，說“當(dāng)時(shí)的情景就像物理學(xué)的王傳位于他的繼承者?！迸堇故且稽c(diǎn)都不客氣，認(rèn)為自己就是繼承者了。

天才的遺憾

泡利一生最遺憾的是，他是那個(gè)時(shí)代公認(rèn)最聰明的物理學(xué)家，卻沒有做一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。

他一生喜歡評(píng)論別人的東西，經(jīng)常是一針見血，不過很可惜，他一生反對(duì)錯(cuò)了最重要的兩件事情，一個(gè)電子自旋，?一個(gè)宇稱不守恒?？赡芤粋€(gè)人過于敏銳了，對(duì)于一些違反常規(guī)的想法有一種本能的抵制。