破处量子数谜题

破处量子数谜题——泡利不相容原理

919年，著名数学家费利克斯·克莱茵正在主编一部不朽的巨著——《数学百科全书》，当时世界上许多第一流的数学家和物理学家都在为他这部巨著撰稿。

一天，德国慕尼黑大学的物理学教授、著名的理论物理学家索末菲忽然收到了克莱茵的－封信。信中说：

尊敬的教授：

“我诚挚地邀请您为《数学百科全书》写一篇关于相对论的综述……”

索末菲教授看完信后，自己并没有动手撰写这篇文章，却把这个任务大胆地交给了他的一个学生，表现出令人赞赏的勇气和洞察力。

德国物理学教授索末菲所在的慕尼黑大学

那时，相对论还是一门崭新的学科，著名物理学家朗之万就曾经说过：“全世界只有12个人懂得相对论。”而有人反驳他说：“不对，只有两个半”，可见相对论是多么的深奥难懂。过了不久，这位学生果然不负老师厚望写出了一篇大约250页的专题论文，精辟地阐述了相对论的物理意义和数学基础。文章透彻地叙述了关于这个课题已有的重要文献，同时还清楚地提出了自己对相对论的认识和见解。文章陈述简洁、内容丰富，不仅是当时狭义和广义相对论的高级引论，而且是有历史意义的第一流科学文献。以至于相对论的创始人爱因斯坦读后，都赞扬备至，说他“物理学观点融会贯通，数学推导准确无误，微妙处洞察入微，系统处驾驭自如，文笔流畅，评述可信。”这篇相对论的综述论文获得了极大的成功。

索末菲教授何以有这么大的勇气，让还在读大学二年级的一名学生写这么深奥理论的论文呢？这位初露才华的学生又是谁呢？

他就是后来发现了电子自旋量子数和“泡利不相容原理”的奥地利著名物理学家——伏尔夫岗·泡利。

1900年4月25日，泡利生于奥地利首都维也纳。他的父亲做过医生，是一个有名的学者，后来担任维也纳大学胶体化学教授。泡利生下后接受过天主教的洗礼，教父是物理学家和哲学评论家厄恩斯特·马赫，因此泡利自幼就受到了良好的科学环境的熏陶。他在念小学时，成绩始终名列前茅。进中学后，课堂教学已满足不了他的需要，他广泛阅读课外书籍，尤其喜欢自然科学。中学快毕业时他得知，爱因斯坦发表了广义相对论，这在当时是一门崭新的学科，物理学的前沿。他表现了极大的兴趣，甚至在课堂上也在偷偷地阅读。他那时已掌握了高等数学，所以读过爱因斯坦的著作后，他感到眼中翳障突然消失，一下子对广义相对论能够心领神会了。

泡利Wolfgang　Ernst　Pauli（1900—1958）瑞士籍奥地利理论物理学家，1900年4月25日生于维也纳。1918年中学毕业后就成为慕尼黑大学的研究生，导师是A.索末菲。1921年以一篇关于氢分子模型的论文获得博士学位。1923～1928年在汉堡大学任讲师，1928年在瑞士苏黎世的联邦工业大学任理论物理学教授。1940年受聘为理论物理学访问教授。由于发现不相容原理，获得理论物理学奖。

中学毕业后，泡利决定攻读理论物理学。他进了慕尼黑大学，跟随良师益友索末菲学习。索末菲当时在德国以至世界上都可以算得上一位最有声望的理论物理学导师，许多杰出的科学家，包括海森堡、贝蒂在内都出自他的门下。在这里，泡利在索末菲教授的指导下，他的理论分析技巧更臻成熟，他的非凡的才华得以显露，在为《数学百科全书》撰写相对论综述之前，泡利尽管当时还不到20岁，可是已经发表过好几篇相对论的论文了，因此深得索末菲的赏识。

1921年，泡利以论文《论氢分子的模型》取得博士学位，从慕尼黑大学毕业。他的论文被认为是对于玻尔——索末菲量子理论应用问题的卓有见地的文章。

1922年，泡利离开幕尼黑大学，来到哥廷根大学——当时由玻恩和弗兰克领导的世界理论物理研究中心，担当玻恩的助手。在此期间，他结识了尼尔斯·玻尔。一学期后，他接受了玻尔的邀请，来到了哥本哈根理论物理研究所工作。这里自由的学术空气和讨论方式，加之名师的指导，使泡利学到了科学的思维方法，锻炼出了纯熟的数学技巧，弥补了他不擅长实验、动手能力不足的弱点。此后不久他又去了汉堡大学担任编外讲师。

泡利不是一般人们所说的好教师，他不擅长演说，上课时又总是自言自语，写在黑板上的字是又小又乱。可由于他强烈的个人感染力，所散发出一股魅人的精神力量，使他的学生们总是被他深深地吸引住。因为只要一接触到他对事物所做出的敏锐评判，就会被他的才智所折服。他上课时还有一种奇怪的习惯，讲着讲着会突然停下，思考起所论述的问题来。这时，他的学生也聚精会神地思考起来，然后展开激烈的讨论。

从1923年到1928年这5年中，泡利一边进行教学工作，一边开始从事量子物理学的研究。他专攻的首要课题就是反常塞曼效应，反常塞曼现象深深地迷住了他，在他的宿舍里，桌子上，床上到处都是演算的草纸，窗台上老是放着未吃完的面包，他从早到晚既不上运动场，也不去音乐楼，总是写啊，算啊，可是却一直没有个头绪，使他整天愁眉苦脸的。

当然，泡利没有把反常塞曼效应的问题完全解决。事实上，当时波动力学还没有发展起来，要想完全解决这个问题也是不可能的。但是，他把塞曼效应的研究用来正确地解释了光谱线的精细结构，这是电子所具有的一种在经典力学中找不到的新性质。为了解释这种精细结构，泡利用一个新的只能取两个值的量子数来描述电子，这个新量子数就是电子自旋的投影，他后来因此发现了电子自旋。这个新量子数的存在和泡利所做的解释都得到了光辉的证实。

新量子数的发现为泡利最重要和最著名的发现做了准备。1925年，这方面的研究终于导致了他发现的自然界的一条基本规律——泡利不相容原理。在泡利提出这个原理之前，朗德、索末菲和玻尔等人都相信，特别是碱金属，原子中被价电子围绕的那部分组成，具有角动量，这角动量是磁反常的原因。至于这部分组成为什么具有角动量和磁矩，则谁也说不出道理。泡利的不相容原理认为：一个原子中不能有两个或更多的电子处在完全相同的量子状态。应用这个原理可以很好地解释原子内部的电子分布状况，从而把由玻尔的原子理论不能圆满解释的元素周期表的分布规律说得一清二楚。这个重要发现之后20年，即1945年，他因此而获得诺贝尔物理学奖。

从1928年起，他担任了慕尼黑联邦工业大学的理论物理学教授，直到他去世。近30年的时间里，他一直坚持不懈地刻苦钻研，他凭借自己非凡的智慧，以科学的预想和不断创新的精神，攀登着一个又一个的科学高峰。

20世纪20年代物理学家们发现：在原子核放出电子的β衰变过程中，放射出的电子所携带的能量，并不和原子核所损失的质量相对应。经测定，放出电子所带走的总能量要小一些，也就是说，在β衰变过程中有能量“亏损”的现象。那么，这一部分亏损的能量到哪里去了呢？大家都知道，能量是不能创造也不能消灭的，只能由一种形式转化为另一种形式。面对着这种情况，人们犹豫、彷徨。1930年玻尔甚至准备放弃能量守恒原理，因为他认为，能量守恒在微观粒子作用过程中不－定成立，这样就可以解释β衰变中的能量亏损现象了。

玻尔是泡利的良师益友，两人之间有着深厚的友情。可是泡利并未因此而放弃自己的观点，他不相信在自然界中唯独β衰变过程违反守恒定律。为了“挽救”能量守恒原理，找到能量亏损的真实原因，他思索着，钻研着……1931年他大胆地提出了自己的科学假定：

他假设存在一种新的粒子，它伴随β粒子从核中发射出来，但质量很微小，不超过电子质量的万分之一，不带电，稳定，由此满足每次β衰变事件中能量守恒。并且为了方便β衰变中自旋守恒，他还假定这种粒子的自旋为1／2。1932年，费米把这种粒子称为“中微子，”意思就是“微小的中性小家伙”。

泡利的中微子假说提出以后，令人信服地说明了β衰变中失踪能量的去向，圆满地解决了这个矛盾。然而由于中微子没有电荷也没有质量，就像个“幽灵”般神秘莫测，许多物理学家忧虑地认为，这不过是泡利为了维持能量守恒定律，使能量在数值上达到平衡而想象出的不切实际的幻影。

在巨大的压力面前，泡利没有屈服，仍以科学的态度严肃认真地进行着科学研究。经过漫长的25年后，1956年，美国洛斯·阿拉莫斯科学实验室终于第－次直接观测到反中微子，证实了中微子的确是存在的。泡利比他前代许多伟大的科学家幸运得多，他终于亲眼看到了自己的科学假说变成了现实，他欣慰地笑了。

泡利在量子力学、量子场论和基本粒子理论方面的卓越贡献，特别是他的不相容原理和β衰变中的中微子假说等，在理论物理学的发展史册上谱写了辉煌的一页。他的名字与相对论、量子力学和量子场论紧紧地联系在一起，人们称赞他为“当之无愧的理论物理学家”“理论物理学的心脏”。

作为一个理论物理学家，泡利的最后一项重要工作是研究了场论中的各种分立对称性，证明了每个洛仑兹不变拉格朗日场论，在CTP（电荷共轭、时间反演、宇称）操作下是不变的。而C、T和P不必分别是对称的。不久之后泡利就发现，在弱相互作用中，例如在β衰变中，宇称是不守恒的，即P单独是不守恒的，这一发现使他激动万分。

正当他在科学的高峰上历力攀登的时候，却不幸患了重病，1958年12月14日在瑞士苏黎世逝世，终年58岁。