泡利的贡献

泡利的贡献

奥地利维也纳出生的沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli ，1900～1958），是20世纪卓越的理论物理学家，19岁时就因撰写相对论方面的综述文章而获得了很高的声誉；25岁时，为了对原子光谱中的反常塞曼效应做出解释提出了“泡利不相容原理”；1930年，为摆脱放射性β能谱的能量守恒定律面临的危机而提出了著名的“中微子”假说，后被美国物理学家考恩（Cowan Clyde Lorrain ，1919～）和莱因斯（Reines Frederick ，1918～）在核反应堆中产生的反中微子的稀有俘获而验证。1945年因泡利不相容原理的发现而荣获诺贝尔物理学奖。泡利是物理学领域最后的博学者，他语言犀利，思想缜密，对所有基本问题都具有最深刻的洞察力和最准确的评判力，并毫不妥协地对物理学新思想做出“裁决”；曾被尼尔斯·玻尔誉为“理论物理学界的良知”。 2、1 泡利不相容原理的建立 早在1921年前，泡利就被量子论的发展深深地吸引着；在读研究生时，就对原子光谱中的反常塞曼效应有着浓厚的兴趣。所谓塞曼效应，就是在强磁场的作用下原子、分子和晶体的能级发生变化，发射的光谱线发生分裂的现象。塞曼效应分为两种：一种是存在于电子的自旋磁矩为零时的情况称为正常塞曼效应；而另一种是电子的自旋磁矩为±1/2时的情况称为反常塞曼效应；反常塞曼效应才是原子谱线分裂的普遍现象，这种与实际情况相反的名称反映了人类认知过程中的历史局限性。1924年底，泡利为了正确理解反常塞曼效应，他在分析大量原子能级数据的基础上，仔细研究了碱金属光谱的双重结构，引入“经典不能描述的双重值”概念，写成了一篇题为“原子内的电子群与光谱的复杂结构”的论文，1925年以前，描述电子一般只用三个量子数，泡利的“双重值”实际上就等于要求电子要有第四个量子数。由于泡利当时觉得这篇论文中物理思想的提法太抽象而拿不定主意，就将该文寄给了玻尔，玻尔看后就立即鼓励他投到《物理杂志》，该文于1925年初发表。正是这篇文章提出了泡利不相容原理，为解释门捷列夫（Mendeleev Dvanovich ，1834～1907）化学元素的周期性提供了理论依据；同时也奠定了他日后获得诺贝尔奖的基石。

泡利不相容原理可表述为：全同费米子体系中不能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态。原子核外电子的状态可以用主量子数n 、轨道角动量子数l 、磁量子数m ι和双值量子数m s 四个量子数决定。它们取值n =1，2，3，…；l =0，1，2，…，n -1；m ι=0，±1，±2，…，±l ，21±=s m 。因此，泡利不相容原理也可以表述为：原子内不可能有两个电子具有完全相同的四个量子数。表征电子状态的前三个量子数：主量子数、轨道量子数和磁量子数是人们熟知的。在描述反常塞曼效应现象时，泡利发现必须引入第四量子数（即双值量子数s m ）来分别表示对应的电子两种状态。在泡利发表不相容原理后，荷兰莱顿大学两位年轻人古德斯密特和乌伦贝克（Uhlenbeck George Eugene ，1900～1874）觉得，泡利的理论与玻尔的原子模型之间缺乏最起码的联系；他们很自然地想到，前3个量子数对应着电子的3个自由度，那么第四个量子数也应该对应一个自由度，他俩经过讨论和计算后认为，这第四个量子数对应着电子的“自旋”；与地球自转运动类似，电子有种像陀螺运动一样的属性。

泡利不相容原理是以一种不很明显的方式引入了自旋量子数，当古德斯米特和乌伦贝克发表了关于电子自旋的想法后，泡利曾由于这种概念的经典模型和狭义相对论不能相容而对 图10-9为沃尔夫冈·泡利

它表示过强烈的不相信；但海森伯发现，电子自旋的想法能解释原子结构理论中的所有困难；紧接着，爱因斯坦和玻尔也积极支持自旋假说。由于这些物理学大师们的青睐，泡利的态度马上有了改变。1926年3月12日，他给玻尔写信时宣告：“现在，对我来说，只有完全投降。”他又给古德斯米特写信说：“我现在相信相对论性考虑是完全正确的，毋庸置疑，现在可以认为精细结构的问题得到了真正满意的解释。”考虑了电子的自旋之后，人们才知道泡利引进的双值量子数对应着电子的两种自旋方式的物理实质。

2、2 对量子力学的贡献

泡利在青年时期受到马赫实证主义思想的很深影响，自称是“反形而上学的后裔”；泡利在关于相对论的论文中曾经提出“计算中只应出现本质上可观察的量”的原则。这一原则，在海森伯的工作中得到了承认、体现和传播；甚至在对整个哥本哈根学派观点的形成中都起了重大的作用。在海森伯量子力学的矩阵形式（后称矩阵力学）的文章发表以后，几乎立即出现了玻恩、约尔丹、狄拉克等人的一系列重要论文，初步奠定了矩阵力学的形式基础。在这一期间，泡利也起了很大的积极作用。1926年6月间，出现了薛定谔关于波动力学的第一篇论文，引起泡利的特别注意，他立即着手证明了波动力学和矩阵力学的等价性。

同年，海森伯和约尔丹在联系到反常塞曼效应讨论电子自旋的问题，他们在试图把自旋坐标引入薛定谔方程时遇到了困难。泡利在1927年4月间发展了磁性电子的非相对论式的量子理论处理了1/2自旋问题，引入了二分量波函数的概念和著名的泡利自旋矩阵，并对泡利不相容原理作进一步的阐述。根据量子力学理论，全同粒子是不可分辨的，因此全同粒子系统的波函数对任意两个粒子的交换，只能是对称的或反对称的。实验表明：由电子1和电子2构成的系统的波函数是反对称的，可用下列形式表示： )]1()2()2()1([21

)2,1(βαβαψψψψψ-=，式中α、β 为描写单电子态的参数，在原子

中，为一组四个量子数n 、l 、l m 、s m ，

当两个电子处于相同状态时，α＝β，则0)2,1(=ψ，说明这样的状态不可能出现。这就是泡利不相容原理在两个电子所构成的体系中的具体表示；泡利不相容原理是原子壳层结构的理论基础。通过泡利等人对量子场的研究，终于认识到只有自旋为半整数的粒子才受不相容原理的限制，这样就确立了自旋统计关系。

20年代末期，泡利把主要精力用于粒子物理学和量子场论的研究方面。他和海森伯一起在1929年发表了关于场的正则量子化方法的论文，被认为起了开辟道路的作用。泡利为创立量子力学做出过许多重要贡献，他虽然失去了直接提出量子力学基本形式的机遇，但他发表了多篇有独创性的论文，而且还提出过许多很有创见的批评和见解。他的看法对于海森伯等人创建量子力学起着极其重要的作用。他的多篇关于量子力学的综述性文章中，最著名的一篇“波动力学的普遍原理（1933年）”是量子力学方面的重要文献。

1932年正电子的发现，引发了泡利的量子场论工作的一个新方向，他首先考虑了自旋为0的场，并和韦斯科夫（F ．Weisskopf ）合作发表了《关于零自旋的场的研究》的论文，提出了不相容原理对这种场是否适用的问题。接着，泡利又和韦斯科夫共同发展了标量粒子物理学；当时标量粒子尚未发现，韦斯科夫说：“我们在一家不出名的瑞士杂志上发表了这一理论，因为我们觉得，它只不过是一种数学怪诞。没过几年，物理学家终于发现了标量粒子。”

2、3 言辞犀利的批评家

泡利是物理学领域最后的博学者，这位通才在所有基本问题上都具有最深刻的洞察力