奥地利物理学家：沃尔夫冈·​泡利​ 电子层等

邓文龙

奥地利物理学家：沃尔夫冈·​泡利​

时间：2016-03-28 22:43

发布：微科技

内容摘要：美籍奥地利科学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang E.Pauli，1900～1958），是迎着20世纪一同来到世界的，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。



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一位医学博士的家庭里，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。

1923—1928年，泡利在汉堡大学任讲师。其中，1925年1月，泡利提出了他一生中发现的最重要的原理——泡利不相容原理，为原子物理的发展奠定了重要基础。1928年到瑞士苏黎世的联邦工业大学任理论物理学教授。

1935年，为躲避法西斯，移居到美国。

1940年，受聘为普林斯顿高级研究所理论物理学访问教授。

1945年， 瑞典皇家科学院授予泡利诺贝尔物理学奖，以表彰他之前发现的不相容原理。

1946年，泡利重返苏黎世的联邦工业大学。

1958年12月15日，泡利在苏黎世逝世，享年58岁。

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。

编译 科技世界网



http://www.crhpx.com/news/1868shengwukeji/1318351.html

邓文龙

人生危机催生中微子假说 摘录：
——纪念泡利诞生116周年

泡利的勇气的来源

派斯认为，泡利作出中微子假说这种革命性举措与他通常的风格不一致。泡利本人就说过: “我年轻时认为自己是个革命者，但是我是个守旧者，不是革命者。”笔者认为，泡利对新理论的苛刻，就反映了他的保守。

那么什么因素促使他作出了中微子假说？

泡利本人已经回答了这个问题，这就是本文开头引用的他的信中所言，中微子是他“人生危机（1930-1931）中傻孩子”。派斯认为泡利将中微子假说与个人危机所作的联系非常重要。

事实上，泡利的母亲在3年前自杀（1927年11月15日）。这导致他停止去教堂。而在他给放射学会议的信发出前几天，1930年11月26日，泡利刚结束短暂、“松散”、不幸的婚姻。这给了他很大的打击，导致他酗酒、抽烟。顺便提一下，这位前妻1974年告诉物理学史家梅拉：“泡利和我在苏黎世结婚时，他总是告诉我他在世界物理学界真是非常重要。他经常像一个笼中的狮子在屋里走动，将他给别人的回答用最讽刺而机智的方式表达。这给了他极大的满足。”

泡利在给放射学会议的信中说他不能参加会议，因为要参加一个舞会。这是当时苏黎世的一个大型舞会，这反映了泡利主动要走出几天前离婚的痛苦。

1932年1月开始，在精神分析师荣格的安排下，泡利一直写信描述自己的梦境，先是给荣格的一个学生，几个月后给荣格本人，一直持续到1934年10月，当时泡利再婚已半年。荣格认为分析是成功的。

也许人生的危机有时反而刺激出创造力的迸发，特别是对于泡利这种为物理创造而生的人。

http://blog.sciencenet.cn/blog-4395-972766.html



沃尔夫冈·泡利  摘录：
维基百科，自由的百科全书

瑞士
1928年，泡利任聘为瑞士苏黎世联邦理工学院理论物理教授。在那里，他研究出很多重要科学结果。1931年，泡利被聘为密歇根大学客座教授。1935年，又获聘为普林斯顿高等研究院客座教授。1931年，他被授予洛仑兹奖章（Lorentz Medal）。

1929年5月，泡利退出罗马天主教会。同年12月，他与Käthe Margarethe Deppner结婚，但他的婚姻并不美满，两人结婚不到一年，就于1930年11月离婚了。

1930年年底，泡利离婚并提出中微子的假说之后不久，他出现严重的神经衰弱症。泡利拜访了与他同样住在苏黎世附近的心理医生卡尔·荣格。荣格开始深层分析泡利的原型梦。[4]泡利成为荣格的最优秀学生。可是很快地，他开始使用科学方法批评荣格理论中的认识论问题，他的评论一定程度影响了后世的思想，尤其是共时性的观念。荣格与泡利之间的许多讨论都纪录在两人的通信中，这些信后来被出版为著作《原子与原型》。荣格对于泡利的400多个梦的详细分析全都记录在著作《心理学和炼金术》。

1934年，泡利与Franziska Bertram再婚，这次婚姻一直持续到他逝世。

1938年，德国与奥地利合并后，泡利成为了德国人。1939年，第二次世界大战爆发后，他的处境变得很困难。1940年，他试图申请成为瑞士公民，这样他就可以继续在苏黎世联邦理工学院教书[5]，可惜未果。他只好远赴美国普林斯顿高等研究院担任理论物理教授。二战过后，在1946年，泡利在返回苏黎世之前加入美国国籍。1949年，他终于获得了瑞士国籍。他回到苏黎世，并在那里度过余生。

1945年泡利获得诺贝尔物理学奖，提名泡利的是爱因斯坦，理由是他“于泡利不相容原理此一新自然定律做出的重要贡献”。

1958年泡利获颁马克斯·普朗克奖章。同年，他被发现患有胰腺癌。泡利进入苏黎世的红十字会医院后，有一次他的助手查尔斯。恩斯（Charles Enz）去看望他，泡利问他的助手：“你看到这间房的号码了吗？”他的病房的号码是137。终其一生，泡利时常思考一个奇异的问题──为什么精细结构常数（一个无量纲的基本常数）会近似于1/137。1958年12月15日，泡利在这间病房中逝世，年仅58岁。

轶事趣闻
在物理上泡利是一个完美主义者，这不光表现在自己的工作，也同样适用在他看待他人成果的态度。泡利的这种刻薄与挑剔被玻尔称为“物理学的良知”，他的同行非常尊重他的评论。面对有缺失的理论泡利给予严厉无情的批评，将它们视为“彻底错误”（德语：Ganz falsch）。不过这还不是最严厉的，有一次他对针对某位年轻物理学家的一篇论文发表的评价是“甚至连错误都算不上（Not even wrong）”，成为了一句物理学家中的内行笑话。后来有人将“Not even wrong”引申为与科学哲学上的可证伪性原理（principle of falsifiability）相联系的概念：从可证伪性原理的角度上讲，"错误"好歹算是能被证伪的东西，“Not even wrong”则是连可证伪性都不具有，因而连错误都不如。[9]

一次，意大利物理学家塞格雷做完报告，离开会议室时，泡利对他说：“我从来没听过这么糟糕的报告。”说完，泡利突然回过头，对同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说：“我想如果你做报告的话，情况可能更糟糕。”另一次，泡利想去一个地方，但不知道怎么走，一位同事告诉了他。后来这位同事问他那天是否找到想去的地方，他不仅没有表达谢意，反而讽刺地说：“在不谈论物理学的时候，你的思路很清晰。”[来源请求]

因为他的敏锐、谨慎和挑剔，使他具有一眼就能发现错误的能力。物理学界笑谈存在一种“泡利效应”——泡利出现在哪，那里的理论推导就会出岔子、实验设备都会遭殃的奇特现象。泡利对这个现象很欣喜，因为这些奇怪的事件符合他对超心理学的研究，特别是他与荣格合作的同步性概念。

一个可能发生过的谈话展现了泡利的傲慢。顶尖物理学家保罗·埃伦费斯特与泡利的第一次相遇是在某一次的会议上。埃伦费斯特对泡利的论文很熟悉，而且相当的印象深刻。经过几分钟的交谈，埃伦费斯特说：“我想我喜欢你的百科文章更甚于喜欢你本人”泡利回话说，“真是奇怪，你对于我来说，刚好相反。”从此两人成了很好的朋友。[10]

海森堡回忆在1927年的索尔维会议里，他与爱因斯坦及普朗克进行了一次关于宗教观点的友好交谈。沃尔夫冈·泡利、海森堡、狄拉克都参加了这次会议。狄拉克对于宗教在政治上的操纵给了犀利严正的批评。波尔对他的洞察力大加赞赏。除此之外，狄拉克说:“我无法理解为什么要浪费时间讨论宗教。如果我们是诚实的 – 且作为科学家诚实是我们明确的职责 – 我们不得不承认所有宗教都是一派胡言，完全没有实际的根据。上帝的存在是人类想像的产物。[…]我不承认任何宗教神话，至少因为他们互相矛盾。[…]”海森堡则采用的宽和的观点。泡利在这些初步言论后一直保持沉默。不过终于有人问起他的意见时，他开玩笑的说:“好吧，我想我们的朋友狄拉克也找到了自己的宗教，这个宗教的第一诫是‘上帝不存在，而保罗·狄拉克是他的先知’”。大家哄堂大笑，包括狄拉克。（见《部分与整体》,1971年）

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E ... 7%E6%B3%A1%E5%88%A9

现代化研

泡利不相容原理  摘要：
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沃尔夫冈·泡利
在量子力学里，泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）表明，两个全同的费米子不能处于相同的量子态。这原理是由沃尔夫冈·泡利于1925年通过分析实验结果得到的结论。[1]:203-206例如，由于电子是费米子，在一个原子里，每个电子都拥有独特的一组量子数n,\ell,m_\ell,m_s，两个电子各自拥有的一组量子数不能完全相同，假若它们的主量子数n，角量子数\ell，磁量子数m_\ell分别相同，则自旋磁量子数m_s必定不同，它们必定拥有相反的自旋磁量子数。换句话说，处于同一原子轨道的两个电子必定拥有相反的自旋方向。[1]:216泡利不相容原理简称为泡利原理或不相容原理。[2]:148

全同粒子是不可区分的粒子，按照自旋分为费米子、玻色子两种。费米子的自旋为半整数，它的波函数对于粒子交换具有反对称性，因此它遵守泡利不相容原理，必须用费米–狄拉克统计来描述它的统计行为。费米子包括像夸克、电子、中微子等等基本粒子。

玻色子的自旋为整数，它的波函数对于粒子交换具有对称性，因此它不遵守泡利不相容原理，它的统计行为只符合玻色-爱因斯坦统计。任意数量的全同玻色子都可以处于同样量子态。例如，激光产生的光子、玻色-爱因斯坦凝聚等等。

泡利不相容原理是原子物理学与分子物理学的基础理论，它促成了化学的变幻多端、奥妙无穷。[3]:4512013年，意大利的格兰沙索国家实验室（Laboratori Nazionali del Gran Sasso）团队发布实验结果，违反泡利不相容原理的概率上限被设定为4.7×10-29。[4]

重要应用
泡利不相容原理可用来解释很多种不同的物理现象与化学现象，这包括原子的性质，大块物质的稳定性与性质、中子星或白矮星的稳定性、固态能带理论里的费米能级等等。

原子的电子层结构与物理、化学性质
泡利不相容原理的重要后果是原子里错综复杂的电子层结构，以及原子与原子之间共用价电子的方式，这后果解释了各种不同的化学元素与它们的化学组合。电中性的原子含有数量相等的电子与质子。电子是费米子，遵守泡利不相容原理，每一个原子轨道最多只能载有2个电子。当正好有两个电子处于同一个原子轨道时，这对电子的自旋必定彼此方向相反。

举例而言，中性氦原子有两个束缚电子，这两个电子都能够占据最低能量原子轨道（1s），但彼此之间自旋的方向相反，一个是上旋，另一个是下旋。由于自旋是电子量子态的一部分，这两个电子处于不同的量子态，不会违反泡利不相容原理。中性锂原子有三个束缚电子，第三个电子不能占据1s原子轨道，因为1s原子轨道已被填满，只能改而占据第二低能量原子轨道（2s）。类似地，越后面元素的束缚电子必须占据越高能量的原子轨道。每一个元素的化学性质与最外层的电子层所拥有电子的数量有关。不同的元素，假若最外层的电子层所拥有电子的数量相同，则所表现出的性质类似，周期表就是依赖这机制来排列元素。[1]:214-218

倚赖泡利不相容原理与递建原理，就可以解释周期表内大多数元素的物理与化学性质，但是，遇到关于比较某些原子轨道的能量高低问题，需要使用到洪德规则。较重元素可能会出现不遵守洪德规则的例外。[7]:207

物质稳定性
类氢原子系统的稳定性并不倚赖泡利不相容原理，而是倚赖描述原子的量子理论。应用经典电动力学来分析类氢原子稳定性问题，由于库仑力作用，束缚电子会被原子核吸引，呈螺线运动掉入原子核，同时发射出无穷大能量的辐射，因此可以推论，原子不具有稳定性。但是，在大自然里这假想现象实际并不会发生。那么，为什么氢原子的束缚电子不会掉入原子核？从薛定谔方程，可以计算出氢原子系统的基态能量大于某有限值，因此不可能发射出无穷大能量的辐射，自然也不会掉入原子核。另外，也可以应用海森堡不确定性原理\Delta x \Delta p \ge \hbar/2来启发性地说明这问题，电子越接近原子核，电子动能越大。但是海森堡不确定性原理不能严格给出数学证明，必需使用类似的索伯列夫不等式（Sobolev inequality）。[24][25]详尽细节，请参阅条目氢原子稳定性。

泡利不相容原理使得含有多个电子与核子的大型系统占有大体积的空间，并且具有稳定性。对于这论题，埃伦费斯特曾经提出疑问，为什么物质会这么大块，尽管它的分子与原子被包装地那么紧密？追根究柢，为什么原子的尺寸会这么庞大？举例而言，铅原子拥有82个质子与82个电子，铅原子核的吸引力应该很强，是氢原子核的82倍，但是只有少数电子的轨道离原子核很近，按照经典理论，在电子与电子之间的排斥力超过原子核的吸引力以前，应该可以有更多电子集中在原子核附近的轨道。但是，为什么铅原子不会这样坍缩变小？埃伦费斯特猜想，这是因为泡利不相容原理所产生的效应；由于泡利不相容原理，原子的尺寸才会这么庞大，物质才会这么大块。后来，戴森发表论文表明，假若没有泡利不相容原理，不只单独原子会坍缩变小，物质也会同样的坍缩变小；任意两个大块物体混合在一起，就会释出像原子弹爆炸一般的能量！[23][注 5]

假设一个原子拥有N>2个电子，由于电子是费米子，这N个电子不能占有同样量子态，因此不会都塌陷至最低能量的量子态，电子排布不会是(1s)N；假若泡利不相容原理不成立，则所有电子都会塌陷至1s轨道，原子的尺寸会变得很小；除了与原子核的电荷平方成正比的电离能以外，元素与元素之间不会有什么显著差别；元素越重，化学反应越需要更多的能量；元素的性质不会出现周期性；化学与生物学都成为空论，更不会有任何地球生命！[7]:212-213[18]

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E ... 9%E5%8E%9F%E7%90%86