比上帝還挑剔

嶄露頭角

1900年4月25日，沃爾夫?qū)づ堇趭W地利首都維也納出生。他的父親是維也納大學(xué)的化學(xué)教授，母親是一位作家。泡利一家篤信天主教，他的教父就是當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家、哲學(xué)家恩斯特·馬赫。正是這樣優(yōu)越的條件，使泡利從小就受到了良好的教育，為他以后的成長(zhǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

勤于思考、敏而好學(xué)是泡利最顯著的特點(diǎn)。他從來不滿足于從課堂上學(xué)到的知識(shí)，也不受學(xué)校功課的束縛，而是自己積極地拓寬知識(shí)面。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，以至于在課堂上，他也偷偷地閱讀。

高中畢業(yè)后，泡利拿著父親的信找到穆尼和大學(xué)著名的物理學(xué)家索末菲，提出不上大學(xué)就直接讀研究生。看在好友的份上，索末菲沒有拒絕，他以為這個(gè)年輕人到時(shí)候自然會(huì)知難而退。出乎意料的是，他發(fā)現(xiàn)泡利比周圍的研究生還要優(yōu)秀。恰在此時(shí)，德國(guó)準(zhǔn)備出版一本百科全書，介紹愛因斯坦相對(duì)論的任務(wù)，便委托給了索末菲。索末菲轉(zhuǎn)手把這項(xiàng)任務(wù)交付給了泡利。泡利立即展開了工作，在較短的時(shí)間內(nèi)就完成了一篇長(zhǎng)達(dá)250頁的專題論著。在文中，他以清新曉暢的文筆評(píng)述了廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及其物理意義，闡明了這一學(xué)科中最微妙的論證的深刻含義，并且在不少有爭(zhēng)議的問題上大膽發(fā)表了自己獨(dú)到的見解。后來，這篇論文被刊登在德國(guó)學(xué)界久負(fù)盛名的《哲學(xué)學(xué)報(bào)》上，泡利在學(xué)術(shù)界嶄露頭角，綻放光彩。

后來，愛因斯坦看過泡利的論著后說：“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，是任何一個(gè)人都會(huì)感到羨慕的。”泡利在學(xué)生時(shí)代就已展露了他的不同凡響的科學(xué)才華，引起了一些著名物理學(xué)家的注意。

1921年，泡利從慕尼黑大學(xué)畢業(yè)。他在當(dāng)時(shí)德國(guó)學(xué)制所允許的最短期限(6個(gè)學(xué)期)內(nèi)以最高的畢業(yè)評(píng)分獲得了理論物理學(xué)的博士學(xué)位。在隨后的兩年多時(shí)間里，他又分別求教了當(dāng)時(shí)著名物理學(xué)家馬克斯·玻恩和尼爾斯·玻爾，使其理論知識(shí)和治學(xué)方法更加成熟了。此后，他走上了獨(dú)立從事物理學(xué)研究的道路。

發(fā)現(xiàn)不相容原理

1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了“能量子”的概念，標(biāo)志著一個(gè)與經(jīng)典物理學(xué)完全不同的領(lǐng)域——量子力學(xué)誕生了。這是一次人類對(duì)自然萬物認(rèn)識(shí)水平的深化，同時(shí)也激化了新興學(xué)科與傳統(tǒng)觀念、原理之間的尖銳矛盾。而這一矛盾最為突出的表現(xiàn)就是圍繞“以太”存在與否問題的論爭(zhēng)。

“以太”是當(dāng)時(shí)物理學(xué)對(duì)構(gòu)成物質(zhì)世界的最小單位的稱呼。在經(jīng)典物理學(xué)家看來，“以太”是不可再分的，而且有著連續(xù)變化的特性，自然界的一切變化都是“以太”的特殊形態(tài)。然而，這一傳統(tǒng)觀念卻被在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中取得的一系列不連續(xù)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)所打破。這一景觀被當(dāng)時(shí)的人們稱為圍繞在經(jīng)典物理學(xué)上空的“第一朵烏云”。物質(zhì)世界的真實(shí)面貌究竟是什么樣的?物理學(xué)應(yīng)當(dāng)朝何處繼續(xù)發(fā)展?這給所有已經(jīng)習(xí)慣于經(jīng)典物理學(xué)思維方法的學(xué)者們留下了深深的思考。

起初，泡利也一度在經(jīng)典物理學(xué)這一困境面前一籌莫展。他在給友人的信中寫道：“物理學(xué)混亂得可怕。無論如何，它對(duì)我來說是太困難了。我真希望我曾經(jīng)是一個(gè)喜劇演員或者某種類似的人生，而從來沒有聽到過物理學(xué)。”然而，泡利很快從困惑中振作起來。圍繞構(gòu)成自然界的粒子理論，他率先選取了反常塞曼效應(yīng)作為研究的切入點(diǎn)。而這一研究，最終導(dǎo)致了他一生最卓越的發(fā)現(xiàn)——“不相容原理”。

反常塞曼效應(yīng)，是塞曼效應(yīng)中的一種復(fù)雜情況。所謂塞曼效應(yīng)，是指1896年德國(guó)物理學(xué)家塞曼在萊頓發(fā)現(xiàn)的原子光譜線的分裂現(xiàn)象。在這一現(xiàn)象中，原子光譜線在磁場(chǎng)的作用下分裂成三條，有時(shí)分裂成三條以上。前者被稱為正常塞曼效應(yīng)，后者被稱為反常塞曼效應(yīng)。對(duì)反常塞曼效應(yīng)成因的解釋，是科學(xué)界的一個(gè)難題。

1924年，經(jīng)過緊張反復(fù)的思考、論證和實(shí)驗(yàn)，泡利終于找到了“不相容原理”。這一原理能夠很好地解釋反常塞曼效應(yīng)的成因及其物理、光學(xué)機(jī)制。泡利將這一原理反復(fù)推敲，并最終把它精練地表述為：“在一個(gè)原子當(dāng)中，絕不可能存在兩個(gè)或多個(gè)等價(jià)電子，因?yàn)檫@些電子在強(qiáng)場(chǎng)中所有量子數(shù)n、R1、R2、m都取同值。如果有一個(gè)電子，它的這些量子數(shù)在強(qiáng)場(chǎng)中都具有確定的值，那么這個(gè)狀態(tài)就是‘被占態(tài)’。”這年他才24歲!后人也把這個(gè)原理稱為泡利原理。

根據(jù)這一原理，泡利指出，在塞曼效應(yīng)中，原子光譜線分裂的根本原因不應(yīng)該從原子的結(jié)構(gòu)中去找，而應(yīng)該到電子的運(yùn)動(dòng)中去找。他假設(shè)了“在電子的量子論性質(zhì)”中有一種“在經(jīng)典上無法描述的二值性質(zhì)”，因而，對(duì)于一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)態(tài)不能像前人一樣用兩個(gè)量子數(shù)，而應(yīng)該用四個(gè)量子數(shù)來表示。這就使人們能非常準(zhǔn)確地計(jì)算出在原子光譜線分裂中的電子運(yùn)動(dòng)態(tài)，從而極大地推動(dòng)了量子理論的發(fā)展。

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。

在不相容原理被發(fā)現(xiàn)的20年當(dāng)中，隨著“電子自旋”概念的確立和描述基本粒子運(yùn)動(dòng)方法的進(jìn)一步完善，這一原理的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到了更多的基本粒子和核子，其正確性和普遍性反復(fù)被證實(shí)。正是因?yàn)橛辛诉@一原理，對(duì)元素周期表的完整解釋才成為可能，費(fèi)米量子統(tǒng)計(jì)方法也得以創(chuàng)立。有人認(rèn)為，這一原理的發(fā)現(xiàn)是量子理論大廈“封頂”的標(biāo)志。之后，海森堡等人的論文接二連三地發(fā)表，最終導(dǎo)致了在數(shù)學(xué)上一致的量子力學(xué)的創(chuàng)立。1945年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予給了泡利。

上帝的鞭子

泡利是一個(gè)天份很高的科學(xué)家，也是一個(gè)勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜恕Ｉ现袑W(xué)時(shí)，老師課堂上的講授就已經(jīng)無法滿足他驚人的理解力和旺盛的求知欲了。于是，他很早就開始了比較系統(tǒng)的自學(xué)。他嚴(yán)格地恪守自己制定的學(xué)習(xí)計(jì)劃，即使在假期當(dāng)中，別人都在放松、休息，而他仍在讀書直至深夜。在哥本哈根向玻爾求教的日子里，他的勤奮甚至引起了當(dāng)?shù)鼐用竦牟话病Ｅ堇粌H在時(shí)間上這樣嚴(yán)格要求自己，而且在工作的內(nèi)容上也是如此。他要求自己做真正有意義的工作，而以做那些“容易出成果”的事為恥。

泡利在學(xué)術(shù)討論中是以語言犀利著稱的。在一次聆聽愛因斯坦的演講時(shí)，泡利坐在最后一排座位。他問題火力之猛，連愛因斯坦都招架不住。據(jù)說此后演講，愛因斯坦的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)。

一次，在意大利物理學(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。”塞格雷一言未發(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。”

在一次他做主席的報(bào)告會(huì)上，他就毫不客氣地批評(píng)一位報(bào)告人說：“根據(jù)我的觀點(diǎn)，我們剛剛聽完的這篇論文毫無價(jià)值。如果這位報(bào)告人是會(huì)議主席的話，他也會(huì)第一個(gè)得出這個(gè)結(jié)論。”

對(duì)于自己的這種刻薄，泡利自有道理：“我不反對(duì)思考得慢，但反對(duì)說得比思考得快。”一位學(xué)生把自己寫的論文送給老師泡利看后，得到的答復(fù)是：“這論文不僅不正確，甚至連錯(cuò)誤都算不上。”還有泡利的師弟海森堡，這個(gè)1932年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，也經(jīng)常被泡利責(zé)備批評(píng)。

泡利就是這樣地敢愛敢恨，然而，這一切都指向一個(gè)目的，這就是“科學(xué)的真理”。因此，很多人戲稱泡利為“上帝的鞭子”。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)了“泡利不相容原理”的人，似乎處處與人不相容。然而，泡利的那些批評(píng)，并沒有帶來人們對(duì)他的怨恨。人們認(rèn)為，泡利不講憐憫，不動(dòng)感情，批評(píng)尖刻，但經(jīng)常于人有益。一則笑話說，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……”

1958年秋，正當(dāng)泡利的研究工作蒸蒸日上時(shí)，他卻患上了重病。1958年12月5日，泡利病逝。他唯一的遺憾就是，沒有做出像愛因斯坦那樣偉大的工作。在他的葬禮上，玻爾動(dòng)情地說：“我們永遠(yuǎn)是從泡利的評(píng)論中獲益匪淺的。”

除了在相對(duì)論和不相容原理上的貢獻(xiàn)之外，泡利的許多科學(xué)創(chuàng)見和發(fā)現(xiàn)至今仍然有著重要的影響，如泡利矩陣、“中微子”的存在思想等等。正如有位傳記作家所指出的那樣：“幾乎在理論物理學(xué)的每個(gè)領(lǐng)域里，都留下了泡利的巨大影響。”

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。”