沃尔夫冈·泡利:最耀眼的物理学家之一
2016-01-06 16:36:00   来源:中国新闻网
内容摘要
​沃尔夫冈·泡利(Wolfgang E.Pauli),研究出泡利矩阵、泡利不相容原理、能量不守恒等物理问题。他被评价为在那个天才辈出群雄并起的物理学史上最辉煌的年代中最耀眼的物理巨星之一。

沃尔夫冈·泡利(Wolfgang E.Pauli,1900~1958),1900年4月25日生于奥地利维也纳,美籍奥地利科学家,父亲是维也纳大学的物理化学教授,教父是奥地利的物理学家兼哲学家。

他从童年时代就受到科学的熏陶,在中学时就自修物理学。1918年中学毕业后,泡利带着父亲的介绍信,到慕尼黑大学访问著名物理学家索末菲(A.Sommerfeld),要求不上大学而直接做索末菲的研究生,索末菲当时没有拒绝,却难免不放心,但不久就发现泡利的才华,于是泡利就成为慕尼黑大学最年轻的研究生。

1918年,18岁的泡利初露锋芒,他发表了第一篇论文,是关于引力场中能量分量的问题。1919年,泡利在两篇论文中指出韦耳(H.Wegl)引力理论的一个错误,并以批判的角度评论韦耳的理论。其立论之明确,思考之成熟,令人很难相信这出自一个不满20岁的青年之手。

1921年,泡利以一篇氢分子模型的论文获得博士学位。同年,他为德国的《数学科学百科全书》写了一片长达237页的关于狭义和广义相对论的词条,该文到今天仍然是该领域的经典文献之一,爱因斯坦曾经评价说:“任何该领域的专家都不会相信,该文出自一个仅21岁的青年人之手,作者在文中显示出来的对这个领域的理解力、熟练的数学推导能力、对物理深刻的洞察力、使问题明晰的能力、系统的表述、对语言的把握、对该问题的完整处理、和对其评价,使任何一个人都会感到羡慕。”

1922年,泡利在格丁根大学任玻恩(Max Born)的助教,和玻恩就天体摄动理论在原子物理中的运用联名发表论文。玻恩邀请丹麦著名物理学家尼尔斯·玻尔到格丁根讲学,在谈论中,玻尔了解到泡利的才华,和他广泛交谈,从此开始了他们之间的长期合作。当年秋,泡利就到了哥本哈根大学理论物理研究所从事研究工作。在哥本哈根,泡利先是与克拉默斯(H.A.Kramers)共同研究了谱带理论,然后专注于反常的塞曼效应,泡利根据朗德(Lande)的研究成果,提出了朗德因子。

1927年他引入了2×2泡利矩阵作为自旋操作符号的基础,由此解决了非相对论自旋的理论。泡利的结果引发了保罗·狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。虽然狄拉克说,他发明了这些相同的矩阵自己独立的时候,没有受泡利的影响。

狄拉克在结合狭义相对论与量子力学的过程中,发明类似的,但更大的(4 × 4)旋转矩阵,用以解释费米子的自旋。

泡利不相容原理(Pauli’s exclusion principle,又称泡利原理、不相容原理):在原子的同一轨道中不能容纳运动状态完全相同的电子。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。每一轨道中只能容纳自旋相反的两个电子,每个电子层中可能容纳轨道数是n个,因此每层最多容纳电子数是2n个。

1930年,泡利考虑了β衰变中能量不守恒的问题。12月4日,在一封给莉泽·迈特纳的信中,泡利向迈特纳等人提出了一个当时尚未观测到过的、电中性的、质量不大于质子质量1%的假想粒子来解释β衰变的连续光谱。1934年,恩里科·费米将这个粒子加入他的衰变理论并称之为中微子。首次证实中微子存在性的是1956年Frederick Reines和克莱德考恩的实验,两年半之后泡利才去世。

泡利在学问上严谨博学,生活上虽然为人刻薄,语言尖锐,但这并不影响他在同时代物理学家心目中的地位,在那个天才辈出群雄并起的物理学史上最辉煌的年代,泡利仍然是夜空中最耀眼的巨星之一。(如需转载,请注明来源自科技世界网)