泡利(沃夫岡·恩斯特·包立 德語:Wolfgang Ernst Pauli,1900年4月25日-1958年12月15日),出生在奧地利的維也納,他出生的那一年正是普朗克創立量子論的年份,泡利(Pauli)師從於大名鼎鼎的阿諾·索末菲(Sommerfeld),索末菲(Sommerfeld)是量子力學的創始人之一,一生桃李滿天下,雖然本人遺憾地沒有獲得諾貝爾獎,卻教出了8位諾貝爾獎學生。泡利(Pauli)的教父更加有名,就是被愛因斯坦尊稱為老師的恩斯特·馬赫(德語:Ernst Mach,1838年2月18日-1916年2月19日),雖然馬赫(Mach)自己並不承認相對論,但這無損於他的威名。
馬赫Mach發表了一些關於超音速流體力學的重要成果
馬赫(英語:Mach number)是表示速度的量詞,又叫馬赫數。一馬赫即一倍音速
泡利中學畢業就拿著父親的介紹信找到索末菲(Sommerfeld),要求做他的研究生,索末菲(Sommerfeld)沉思許久,不知道如何是好,拒絕吧! 那可是老朋友的面子,泡利(Pauli)的父親也是著名教授,接受吧! 可也沒有這個先例,最後索末菲(Sommerfeld)決定採取中庸之道,先留下來看看吧,要是泡利(Pauli)有才華,那自然是皆大歡喜,要是泡利(Pauli)資質平庸,那就勸他回去練練再來,也算是給老朋友一個交待。可隨後索末菲(Sommerfeld)就發現了泡利(Pauli)的天賦,泡利(Pauli)自然也就成了慕尼黑大學年齡最小的研究生。
這件事情對泡利(Pauli)一生影響很大,一則以中學生的身份直接讀研究生,而且還是著名物理學家的研究生,證明了他的天賦,二則在那個星光燦爛的年代,論文如雨後春筍一般冒出來,晚一天就可能被人搶先,失去揚名立萬的機會,而泡利(Pauli)此舉足足比別人多出來四年時間。
在物理學上泡利(Pauli)也有「上帝之鞭」的稱呼,他所到之處人人膽戰心驚,唯恐被他指出錯誤,就連實驗儀器也聞風喪膽,莫名其妙地出現故障,以致實驗失敗。
在實驗室的時候,有點像地獄倒楣鬼
傳說泡利(Pauli)在二十歲時,有一次前去聆聽愛因斯坦的演講,坐在最後一排座位,他向愛因斯坦提出了一些問題,其問題之尖銳,連愛因斯坦都有些「招架不住」。
據說此後愛因斯坦演講時,眼光都要特別掃過最後一排,看看有無熟悉的身影出現。
1921年21歲的泡利(Pauli)獲得了博士學位,同年,他為德國的《數學科學百科全書》寫了一篇長達237頁的關於狹義和廣義相對論的詞條,該文到今天仍然是該領域的經典文獻之一,愛因斯坦曾經評價說:「任何該領域的專家都不會相信,該文出自一個僅21歲的青年人之手,作者在文中顯示出來的對這個領域的理解力、熟練的數學推導能力、對物理深刻的洞察力、使問題明晰的能力、系統的表述、對語言的把握、對該問題的完整處理、和對其評價,使任何一個人都會感到羨慕。」
而此時狄拉克剛剛大學畢業,他的學弟海森堡還沒來到索末菲門下,不走尋常路的德布羅意也是博士在讀,大器晚成的薛丁格還在迷惘中等待德布羅意的啟發。
1921年10月泡利(Pauli)順利取得博士學位畢業後,就去了哥廷根,給德國物理學家玻恩當助手。
我稍微介紹一下馬克斯·玻恩(德語:Max Born,1882年12月11日-1970年1月5日)
馬克斯•玻恩1904年進入哥廷根大學。他在那裡完成了有關約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson)原子模型的論文,玻恩 (Born)也是約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson)的學生,第一次世界大戰期間,玻恩(Born)先被抓去當無線電操作員,後轉向研究循聲定位技術。1921年,玻恩(Born)回到哥廷根,此後十餘年期間領導讓哥廷根成為了當時的物理學研究中心之一
後來,玻爾(Bohr)邀請泡利到哥本哈根大學的玻爾研究所工作,專注於研究原子譜光譜學的反常塞曼效應。
要解釋反常塞曼效應要先了解什麼是塞曼效應 ,
是1896年由荷蘭物理學家彼得·塞曼(荷蘭語:Pieter Zeeman,荷蘭語讀音:[ˈzeːmɑn],1865年5月25日-1943年10月9日)發現的,隨後荷蘭物理學家亨德里克·安東·勞侖茲(荷蘭語:Hendrik Antoon Lorentz,1853年7月18日-1928年2月4日)在理論上解釋了原子光譜分裂成3條的原因。這種現象稱為「塞曼效應」。進一步的研究發現,很多原子的光譜在磁場中的分裂情況非常複雜,有些分裂成4~5條 稱為反常塞曼效應(anomalous Zeeman effect)
在這段時期泡利(Pauli)時常悶悶不樂,並且漫無目標地徘徊在哥本哈根市區內的大街小巷,因為反常塞曼效應給予他很大的困擾,他無法解釋為什麼會發生反常塞曼效應,這主要是因為經典模型與舊量子論不足,埃爾溫·薛定諤(德語:Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger,1887年8月12日-1961年1月4日)的波動力學與維爾納·海森堡(德語:Werner Heisenberg,1901年12月5日-1976年2月1日)的矩陣力學還要等幾年才會出現。泡利(Pauli)只能夠分析出當外磁場變得非常強勁時的案例,即帕邢-巴克效應(Paschen-Backer effect),由於強外磁場能夠破壞自旋角動量與軌道角動量之間的耦合,因此問題變得較為簡單。這研究對於日後發現泡利原理具有關鍵性作用。
隔年泡利(Pauli)任職為漢堡大學物理講師,他開始研究電子層的填滿機制,他認為這問題與多重線結構有關。按照那時由玻爾帶頭的主流觀點,因為原子核具有有限角動量,才會出現雙重線結構。
泡利(Pauli)對此很不贊同,泡利(Pauli)這個人不太容易接受別人的觀點,他的刻薄是一貫的
如果他會跟你說「這竟然沒有什麼錯」已經是最高的讚賞了 。
1924年他發表論文指出,因為電子擁有一種量子特性,鹼金屬才會出現雙重線結構,在無外磁場作用下得到的鈉D線是典型的雙重線結構,這是一種無法用經典力學理論描述的「雙值性」。為此他提議設置另一個量子數,這量子數的數值只可能是兩個數值中的一個。
從這篇論文,泡利(Pauli)找到解釋電子排列的重要線索,泡利(Pauli)敏銳地查覺到解決問題的關鍵思路。
1925年,泡利(Pauli)發表論文正式提出包立不相容原理,也是我們接觸最早的量子力學知識,大多數人第一次接觸泡立不相容原理是在國中的理化課上,當時課本告訴我們,泡利不相容原理是核外電子排布的規律之一,同一條軌道上的兩個電子不可能有相同的自旋。當然這只是「普通人」的觀點。如果進入更深入的研究,我們知道基本粒子分為費米子和玻色子,費米子遵循泡利不相容原理,而玻色子則不遵循。也就是說兩個費米子不可以處於相同的量子態上。費米子和玻色子在未來的某一集我會講到,原子裡面絕對不能有兩個或多個的電子處於同樣狀態,這狀態是由在外磁場裡電子表現出的四個量子數(n,l ,j,m}所設定。假若在原子裡有一個電子對於這四個量子數擁有明確的數值,則這四個量子數所設定的狀態已被占有。
雖然泡利提出了「泡利不相容原理」有了四個量子數 ,要解釋反常塞曼效應還差了一個前所未有的創新想法,這個想法是他的學弟海森堡提出的。
下一集要講海森堡 到底提出什麼前所未有的想法 。
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