歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1945沃夫岡·恩斯特·包立

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-03-06
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    1945年的諾貝爾物理獎頒給了生於奧地利的瑞士籍物理學家沃夫岡·恩斯特·包立(Wolfgang Ernst Pauli,1900年-1958年),獲獎理由「發現不相容原理,也稱包立原理」。但早在得獎之前,包立早已是物理界的傳奇人物。他以對有欠嚴謹的新理論給予辛辣無情的批評而聞名。包立甚至被波爾譽之為「物理學的良知」,包立曾把某篇論點有漏洞的論文稱之為「徹底錯誤」(德語:Ganz falsch)。但這還不是最淒慘的,有一次他對針對某位年輕物理學家的一篇論文發表的評價是「這個連錯誤都算不上(Not even wrong)」,這句話後來成為了物理學家常用來挖苦的行話。

    包立出生於奧地利維也納,父親是化學家沃夫岡·約瑟夫·包立(Wolfgang Joseph Pauli)。哲學家恩斯特·馬赫是包立的教父。包立的中間名正是「恩斯特」。1918年他進入慕尼黑大學,他的導師是·索末菲。索末菲很看重包立的能力,他要求包立為自己擔任編輯的《數學科學百科全書》(Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften)寫一篇介紹相對論的文章。包立居然寫了一篇長達237頁的文章。連愛因斯坦都非常欣賞這篇文章,它後來被出版成書。時至今天,這篇文章依然是相對論常使用的參考文獻呢。

     

    Pauli (1)

    By Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1945/pauli-bio.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6183525


     

    1921年7月,包立正式獲得博士學位。接下來他在哥廷根大學擔任馬克斯·波恩的助手,一年後他又前往哥本哈根的理論物理研究所,在那裏接受波爾的指導。從1923年到1928年,他在漢堡大學擔任講師。就是在這段時間裡,他提出了包立不相容原理。

     

    1924年,包立為了解決解釋觀測到鹼金族的原子光譜和當時量子理論之間的矛盾,提出了一個有兩個可能值的量子數,完全沒有任何古典對應的新自由度。他還提出了包立不相容原理,這個原理指出同原子裡的兩個電子無法同時存在於同一個量子態,這個量子狀態可以透過四個量子數來描述。(即主量子數、角量子數、磁量子數與新的量子數)。很快地,化學家就以此破解了周期表背後的奧秘。原來電子會從低能量的能階一路填滿到最外層,而最外層的電子數正是元素化學性質的關鍵。
     

    雖然包立的朋友克羅尼格(Ralph Kronig)曾提議自旋對應的是粒子自轉產生的角動量,但是這個解釋的前提是g因子值必須為2,(角動量以及它相應的磁偶矩之間比值 科學家稱之為g 因子),然而不僅古典電子理論給出g因子的值是1,氫原子精細結構的能階測量也支持g因子的值是1。克羅尼格無法回答這個問題,只好摸摸鼻子把論文放進抽屜裡。一年後兩個荷蘭博士生喬治·尤金·烏倫貝克和塞繆爾·高德斯密特發表了把電子自轉視為包立所提出的新的自由度的論文,但是他們也無法解釋 g因子值之謎。直到1925年L.H.Thomas發現之前的推導都忽略了一個重要的相對論效應,就是把原子核的庫倫電場變換到外層電子的座標系時,不是單純的一個羅倫茲變換,還要加上一個額外的轉動,因為電子的加速度不為零,這個效應被稱為湯瑪斯(Thomas) 旋進,由此精細結構的能量就不再是與電子的自旋角動量的g因子成正比,而是與g-1 成正比!不過包立所發現的新自由度雖然與自轉很像,然而後來科學家了解到整個系統轉三百六十度時,這個新自由度對應的波函數會變號!此外,電子是點狀例子,嚴格來講也是無法用”自轉”來描述的。所以包立堅持這是非古典的自由度是正確的。諷刺的是更早之前的斯特恩-革拉赫實驗早就證實了這個自由度的存在了。
     

    包立在量子力學的發展扮演了許多重要的角色。1926年,海森堡發表了矩陣力學後不久,包立就使用矩陣力學推導出了氫原子的光譜,讓看起來十分詭異的矩陣力學得到科學界的接受。1927年,他引入了三個2× 2矩陣作為自旋操作符號的基礎。這就是赫赫有名的包立矩陣。利用包利矩陣,他將自旋產生的效應與薛丁格方程式結合起來,後來狄拉克寫下相對性自旋二分之一粒子的方程式,它的一階近似正是包立寫下的形式。
     

    1928年,包立轉到瑞士蘇黎世聯邦理工學院。1930年12月4日提出存在一種電中性的迄今為止未被觀測到的微小質量的粒子,並以此來解釋β衰變的連續光譜。1934年費米將這個被稱為微中子的粒子引入他的β衰變理論。這段時間包立與海森堡,狄拉克發展出早期的量子場論,但他們對計算中的發散問題束手無策。
     

    1938年,德國與奧地利合併後,包立在法律上成為了德國人。二戰爆發後,他的處境在中立國瑞士變得很困難。1940年,他試圖申請成為瑞士公民,可惜失敗了。無可奈何之下,他只好冒險遠赴美國普林斯頓高等研究院擔任理論物理教授。1940年,包立證明了自旋統計定理--帶半數自旋的粒子是費米子,帶整數的自旋的粒子是玻色子。 這個”自旋統計定理”可算是量子場論和粒子物理的基礎。二戰過後,包立歸化美國。1949年,他回到蘇黎世聯邦理工學院,並且獲得了瑞士國籍。
     

    包立在1930提出的微中子後來在1956年,由美國物理學家萊恩斯(Frederick Reines)和克萊德考恩(Clyde Lorrain Cowan Jr)的實驗所證實。在接到這個消息後,他回覆了萊恩斯一封電報:「感謝您的消息,皇天不負苦心人。包立。」 ("Thanks for message. Everything comes to him who knows how to wait. Pauli.")
     

    終其一生,包立時常思考一個很奇怪的問題──為什麼精細結構常數(一個無量綱的基本常數)會近似於1/137。1958年包立被診斷患有胰腺癌並進入蘇黎世的紅十字會醫院後,有一次他的助手查爾斯·恩斯(Charles Enz)去看望他,包立問他的助手:「你看到這間房的號碼了嗎?」他的病房的號碼正是137。恩斯表示這是個好兆頭,然而包立搖頭表示不以為然。1958年12月15日,包立在這間病房中逝世,享年58歲。

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