Wolfgang Pauli

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我们大多数人在物理学中所能希望达到的最好成就就是在更深的层次上误解。

Wolfgang Ernst Pauli是一位奥地利籍后来成为美国/瑞士籍的理论物理学家,也是量子物理学的先驱之一。1945年,在Albert Einstein的提名后,Pauli因"通过发现自然界的新规律——排斥原理或Pauli原理而作出的决定性贡献"获得诺贝尔物理学奖。这一发现涉及自旋理论,它是物质结构理论的基础。他还表现出了对物理学的早熟天赋,21岁就获得了博士学位,尽管他18岁高中毕业,这大约是毕业的平均年龄。

传记

早年时期

Pauli出生在维也纳,父亲是化学家Wolfgang Joseph Pauli,原名Wolf Pascheles(1869–1955),母亲是Bertha Camilla Schütz;他的妹妹是Hertha Pauli,一位作家和女演员。Pauli的中间名是为了纪念他的教父、物理学家Ernst Mach。Pauli的父亲祖父母来自布拉格显赫的犹太家族;他的曾祖父是犹太出版商Wolf Pascheles。Pauli的父亲在1899年结婚前不久从犹太教改信罗马天主教。Pauli的母亲Bertha Schütz在她母亲的罗马天主教信仰中长大;她的父亲是犹太作家Friedrich Schütz。Pauli被抚养成罗马天主教徒,尽管后来他和他的父母都离开了教会。他被认为是一位一神论者和神秘主义者。

Pauli就读于维也纳的Döblinger-Gymnasium,1918年以优异成绩毕业。毕业仅两个月后,他发表了第一篇论文,涉及Albert Einstein的广义相对论。他就读于慕尼黑Ludwig-Maximilians大学,师从Arnold Sommerfeld,1921年7月获得博士学位,论文主题是电离二原子氢H+2的量子论。

Sommerfeld要求Pauli为《Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften》(数学科学百科全书)撰写相对论理论的评论。获得博士学位两个月后,Pauli完成了这篇文章,共237页。Einstein给予了赞扬;作为专著出版后,至今仍是该主题的标准参考文献。

Wolfgang Pauli在讲课

Pauli在哥廷根大学担任Max Born的助手一年,随后在哥本哈根理论物理研究所工作一年,该研究所后来在1965年成为Niels Bohr研究所。从1923年到1928年,他是汉堡大学的讲师。在此期间,Pauli在现代量子力学理论的发展中起到了重要作用。特别是,他制定了排斥原理和非相对论自旋理论。

1928年,他被任命为瑞士ETH Zurich的理论物理学教授,在那里他取得了显著的科学进展。他在1931年担任了密歇根大学的客座教授,在1935年担任了普林斯顿高等研究院的客座教授。他在1931年获得了Lorentz奖章。

1930年末,在提出中微子假说后不久,紧接着他的离婚和母亲的自杀,Pauli经历了个人危机。他咨询了精神病医生和心理治疗师Carl Jung,Jung和Pauli一样都住在Zurich附近。Jung立即开始解释Pauli深层的原型梦,Pauli成为了Jung最优秀的学生之一。他很快开始在科学上批评Jung理论的认识论,这有助于澄清后者的思想,特别是关于同步性概念的想法。这些讨论中的许多都记录在Pauli/Jung信件中,今天以《Atom and Archetype》的名义出版。Jung对Pauli的400多个梦的详细分析记录在《Psychology and Alchemy》中。

1938年德国对奥地利的兼并使他成为德国公民,这在1939年第二次世界大战爆发后对他成为一个问题。1940年,他试图获得瑞士公民身份但未成功,这原本会允许他留在ETH。

Pauli在1940年移居美国,在那里他被聘为高等研究院的理论物理学教授。1946年战争结束后,他成为美国的归化公民,随后返回Zurich,他大部分时间在那里度过了余生。1949年,他获得了瑞士公民身份。

1958年,Pauli被授予Max Planck奖章。同年,他患上了胰腺癌。当他的最后一位助手Charles Enz在Zurich的Rotkreuz医院看望他时,Pauli问他:"你看到房间号了吗?"房间号是137。在他的一生中,Pauli一直对为什么精细结构常数(一个无量纲基本常数)的值接近1/137这一问题感到困惑。Pauli在那个房间里于1958年12月15日去世。

科学研究

Pauli作为物理学家做出了许多重要贡献,主要在量子力学领域。他很少发表论文,而是更喜欢与Niels Bohr和Werner Heisenberg等同事的冗长通信,他与他们有亲密的友谊。他的许多想法和结果从未发表过,只出现在他的信件中,这些信件通常被收件人复制和传阅。

Pauli在1924年提出了一个新的量子自由度或量子数,具有两个可能的值,以解决观察到的分子光谱与量子力学发展理论之间的不一致。他制定了Pauli排斥原理,可能是他最重要的工作,该原理指出没有两个电子能存在于同一量子态中,该量子态由四个量子数标识,包括他新的二值自由度。自旋概念的起源于Ralph Kronig。George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit一年后将Pauli的新自由度确认为电子自旋,这是一个Pauli长期以来错误地拒绝相信的发现。

1926年,Heisenberg发表现代量子力学的矩阵理论后不久,Pauli用它推导出了氢原子的观察到的光谱。这一结果对于确保Heisenberg理论的可信度很重要。

Wolfgang Pauli,约1924年

Pauli引入了2×2 Pauli矩阵作为自旋算子的基础,从而解决了非相对论自旋理论。这项工作,包括Pauli方程,有时被说对Paul Dirac创建相对论电子的Dirac方程产生了影响,尽管Dirac声称他当时独立地发明了这些相同的矩阵,没有Pauli的影响。Dirac为他相对论性费米子自旋处理发明了类似但更大的4×4自旋矩阵。

1930年,Pauli考虑了β衰变的问题。在12月4日寄给Lise Meitner等人的一封信中,开头为"亲爱的放射性的女士和先生们",他提出了一个迄今未被观察到的中性粒子的存在,其质量很小,不超过质子质量的1%,以解释β衰变的连续光谱。1934年,Enrico Fermi将这种粒子纳入了他的β衰变理论,在Fermi的母语意大利语中称为中微子,"小中性粒子"。中微子首次在1956年由Frederick Reines和Clyde Cowan在实验中证实,比Pauli去世早两年半。收到这一消息后,他用电报回复:"感谢您的消息。万事俱备,只欠东风。Pauli。"

1940年,他重新推导了自旋-统计定理,这是量子场论的一个关键结果,它指出具有半整数自旋的粒子是费米子,而具有整数自旋的粒子是玻色子。

1949年,他发表了关于Pauli–Villars正规化的论文:正规化是一个术语,指用于修改无限数学积分以使其在计算过程中有限的技术,以便人们能够确定理论中的本质上无限的量——质量、电荷、波函数——是否形成有限且因此可计算的集合,该集合可以根据其实验值重新定义,这一标准称为重正规化,它消除了量子场论中的无穷大,但更重要的是允许在摄动论中计算高阶修正。

Pauli对进化生物学的现代综合提出了反复批评,他同时代的仰慕者指出表观遗传学继承的模式支持他的论点。

个性和声誉

Pauli效应以他的一个传奇的奇异能力命名,即仅仅通过在附近就能破坏实验设备。Pauli意识到了自己的声誉,并在Pauli效应显现时感到高兴。这些奇怪的事件与他对副学的合法性的有争议的调查相一致,特别是他与C. G. Jung关于同步性概念的合作。

关于物理学,Pauli在很大程度上是一个完美主义者。这不仅延伸到他自己的工作,也延伸到他同事的工作。因此,他在物理学界成为了"物理学的良心",他的同事要向他负责的批评家。他对他认为缺乏的任何理论的驳回往往是尖刻的,经常给它贴上ganz falsch(完全错误)的标签。

Wolfgang Pauli胸像(1962年)

然而,这不是他最严厉的批评,他将其保留给那些表述得不够清楚以至于无法测试或无法评估的理论或论文,因此不适当地属于科学领域,尽管假装属于。它们比错误更糟,因为它们无法被证明是错误的。他曾经对这样一篇不清楚的论文说过一句名言:"它甚至不是错误的!"

他在与另一位杰出物理学家Paul Ehrenfest相遇时的一句话所谓的评论,说明了这种傲慢的Pauli观念。两人在一次会议上第一次见面。Ehrenfest熟悉Pauli的论文,对它们印象深刻。在几分钟的谈话后,Ehrenfest评论说,"我认为我喜欢你的百科全书文章比我喜欢你更多",Pauli立即回应,"这很奇怪。对于我,关于你,恰恰相反。"从那时起,两人成为了很好的朋友。

从这个故事中出现了一个更温暖的画面,该故事出现在关于Dirac的文章中:

Werner Heisenberg(在《Physics and Beyond》,1971年)回忆起在1927年Solvay会议的年轻参与者之间的一次友好谈话,涉及Einstein和Planck关于宗教的观点。Wolfgang Pauli、Heisenberg和Dirac参与了这次谈话。Dirac的贡献是对宗教的政治操纵的一种尖刻而清晰的批评,当Heisenberg后来向他报告时,Bohr对其清晰度表示高度赞赏。Dirac说了许多事情,其中包括:"我不理解我们为什么闲散地讨论宗教。如果我们是诚实的——作为科学家,诚实是我们的精确义务——我们不能不承认任何宗教都是一堆虚假陈述,缺乏任何真实基础。上帝的想法本身就是人类想象的产物。[...]我不认可任何宗教神话,至少因为它们相互矛盾。[...]"Heisenberg的观点是宽容的。Pauli保持了沉默,在一些最初的评论之后。但是当他最后被问及他的意见时,他开玩笑地说:"好吧,我会说我们的朋友Dirac也有一个宗教,这个宗教的第一条诫命是'上帝不存在,Paul Dirac是他的先知'"。每个人都笑了,包括Dirac。

Pauli的许多想法和结果从未发表过,只出现在他的信件中,这些信件通常被收件人复制和传阅。Pauli可能不关心他的许多工作因此得不到承认,但当涉及到Heisenberg在1958年在哥廷根关于他们关于统一场论的共同工作的享誉世界的讲座时,以及新闻稿称Pauli只是"Heisenberg教授的助手"时,Pauli感到被冒犯了,谴责了Heisenberg的物理学能力。他们之间的恶化导致Heisenberg忽视了Pauli的葬礼,并在他的自传中写道Pauli的批评是过度的,尽管最终该场论被证明是不可行的,验证了Pauli的批评。Pauli在1953年被选为英国皇家学会外籍院士(ForMemRS)。1958年,他成为荷兰皇家艺术与科学学院的外籍院士。

个人生活

1929年5月,Pauli离开了罗马天主教会。同年12月,他娶了Käthe Margarethe Deppner,一位歌舞表演者。这段婚姻是不幸的,在不到一年后的1930年以离婚告终。他在1934年再次结婚,嫁给了Franziska Bertram(1901–1987)。他们没有孩子。

参考文献

与伟人比较

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