沃爾夫岡·泡利

沃爾夫岡·歐內斯特·泡利（Wolfgang Ernst Pauli，1900年4月25日－1958年12月15日），奧地利理論物理學家，是量子力學研究先驅者之一。1945年，在愛因斯坦的提名下，他因泡利不相容原理而獲得諾貝爾物理學獎。泡利不相容原理涉及自旋理論，是理解物質結構乃至化學的基礎。

## 生平

### 家庭背景

1900年，泡利出生於奧地利維也納，父親是化學家沃爾夫岡·約瑟夫·泡利（本名為Wolf Pascheles，1869－1955），母親是貝爾塔·許茨（Bertha Schütz）。物理學家恩斯特·馬赫是泡利的教父，為了紀念他，泡利的中間名為「恩斯特」。

泡利的祖父母來自於布拉格顯赫的猶太家庭；他的曾祖父是捷克猶太人出版商Wolf Pascheles。在結婚前不久，1899年，泡利的父親從猶太教轉信羅馬天主教。泡利的母親貝爾塔從小薰陶於外祖母篤信的羅馬天主教；他的外祖父是猶太作家弗里德里希·許茨。

泡利信奉羅馬天主教，不過後來和他的父母都脫離了教會。他可能是自然神論者。

### 早期經歷

泡利就讀於維也納的一所文理中學（Döblinger-Gymnasium），1918年以優秀的成績畢業；畢業僅兩個月後，神童泡利就發表了他的第一份科學論文，這篇論文是關於阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論。他進入慕尼黑大學，他的博士導師是物理大師阿諾·索末菲，在索末菲的嚴格督導下，泡利專心研究關於電離化氫分子的量力理論；1921年7月，泡利獲得哲學博士學位。

阿諾·索末菲很看重泡利的能力，他要求泡利為《數學科學百科全書》（Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften）寫一篇關於相對論的評審文章。在獲得博士學位兩個月之後，泡利完成了這篇一共有237頁的文章，愛因斯坦對其高度贊賞，之後也被出版成書；直到今天，這篇文章依然是相對論最經典的參考文獻。

此後一年，泡利在哥廷根大學馬克斯·玻恩手下做助手，然後他又在哥本哈根的理論物理研究所工作了一年，這研究所在1965年成為尼爾斯·波耳研究所。從1923年到1928年，他在漢堡大學擔任講師，在這段時間裡，他發展出許多現代量子力學的關鍵理論，尤其是提出了泡利不相容原理和非相對論性自旋理論。

### 瑞士

1928年，泡利任聘為瑞士蘇黎世聯邦理工學院理論物理教授。在那裏，他研究出很多重要科學結果。1931年，泡利被聘為密西根大學客座教授。1935年，又獲聘為普林斯頓高等研究院客座教授。1931年，他被授予洛侖茲獎章（Lorentz Medal）。

1929年5月，泡利退出羅馬天主教會。同年12月，他與Käthe Margarethe Deppner結婚，但他的婚姻並不美滿，兩人結婚不到一年，就於1930年11月離婚了。

1930年年底，泡利離婚並提出中微子的假說之後不久，他出現嚴重的神經衰弱症。泡利拜訪了與他同樣住在蘇黎世附近的心理醫生卡爾·榮格。榮格開始深層分析泡利的原型夢。泡利成為榮格的最優秀學生。可是很快地，他開始使用科學方法批評榮格理論中的認識論問題，他的評論一定程度影響了後世的思想，尤其是共時性的觀念。榮格與泡利之間的許多討論都紀錄在兩人的通信中，這些信後來被出版為著作《原子與原型》。榮格對於泡利的400多個夢的詳細分析全都記錄在著作《心理學和煉金術》。

1934年，泡利與Franziska Bertram再婚，這次婚姻一直持續到他逝世。

1938年，德國與奧地利合併後，泡利成為了德國人。1939年，第二次世界大戰爆發後，他的處境變得很困難。1940年，他試圖申請成為瑞士公民，這樣他就可以繼續在蘇黎世聯邦理工學院教書，可惜未果。他只好遠赴美國普林斯頓高等研究院擔任理論物理教授。二戰過後，在1946年，泡利在返回蘇黎世之前加入美國國籍。1949年，他終於獲得了瑞士國籍。他回到蘇黎世，並在那裡度過餘生。

1945年泡利獲得諾貝爾物理學獎，提名泡利的是愛因斯坦，理由是他「於泡利不相容原理此一新自然定律做出的重要貢獻」。

1958年泡利獲頒馬克斯·普朗克獎章。同年，他被發現患有胰腺癌。泡利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，泡利問他的助手：「你看到這間房的號碼了嗎？」他的病房的號碼是137。終其一生，泡利時常思考一個奇異的問題──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12月15日，泡利在這間病房中逝世，享年58歲。

## 科學成就

泡利在物理學上，尤其是量子力學，做了許多非常重要的貢獻，但是泡利很少發表論文，他比較喜歡與同行（比如與他往來非常密切的尼爾斯·玻爾和沃納·海森堡）交換長篇的信件。他在書信中的許多主意從未被發表過，他的收信人總是將他的信拷貝後給其他同行們看。泡利顯然並不是很關心他的發現，因此後來沒有歸功於他。以下是泡利研究出來的，需歸功於他的重要成果：

1924年，泡利提出了一個有兩個可能值的新量子自由度（或量子數），它可以解釋觀測到的分子光譜和量子力學之間的矛盾。他還提出了泡利不相容原理，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狀態，而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、磁量子數與自旋量子數）自旋的想法源自於拉爾夫·克羅尼格。一年後喬治·尤金·烏倫貝克和塞繆爾·高德斯密特將電子自旋視為泡利所提出的新的自由度。

1926年，海森堡發表了量子力學的矩陣理論後不久，泡利就使用這個理論推導出了氫原子的光譜。這個結果對於驗證海森堡理論的可信度非常重要。

1927年，他引入了2× 2泡利矩陣作為自旋操作符號的基礎，由此解決了非相對論自旋的理論。泡利可能影響保羅·狄拉克發現狄拉克方程式。不過狄拉克說，這些相同的矩陣是他獨立發明的，沒有受泡利的影響。狄拉克發明了類似但更大的（4 × 4）旋轉矩陣來處理費米子的自旋。

1930年，泡利思考了β衰變的問題。在12月4日在一封給莉澤·邁特納等人的以「親愛的放射性女士先生們」為開頭的信中，泡利提出存在一種電中性的迄今為止未被觀測到的小質量粒子、其質量不大於質子質量的1％，並以此來解釋β衰變的連續光譜。1934年恩里科·費米將這個被稱為中微子的粒子引入他的β衰變理論。在泡利去世之前的兩年半，中微子首次在1956年，由弗雷德里克·萊因斯和克萊德考恩的實驗證實。在接到這個消息後，他回覆了一封電報：「感謝您的消息，對於懂得等待的人一切終將變得瞭然。泡利。」

1940年，泡利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。

1949年，他發表了一篇關於泡立-維拉斯正規化的論文，正規化是處理無限大、發散以及一些不合理表示式的方法。

泡利多次批評進化生物學裡的現代演化綜論，他的當代支持者認為表觀遺傳學可以支持泡利的看法。

此外，泡利修正保羅·德魯德在1900年提出的金屬內電子運動的經典模型。他首先意識到自由電子在金屬內部的行為必須遵守費米-狄拉克統計。基於這個思路，他在1926年發展出順磁性理論。泡利開啟了現代固體物理學的發展，而他仍批評「固體物理學是髒東西的物理」，可以看出泡利的態度。

## 軼事趣聞

在物理上泡利是一個完美主義者，這不光表現在自己的工作，也同樣適用在他看待他人成果的態度。泡利的這種刻薄與挑剔被玻爾稱為「物理學的良知」（Conscience of physics），他的同行非常尊重他的評論；面對有缺失的理論泡利給予嚴厲無情的批評，將它們視為「徹底錯誤」（德語：Ganz falsch）。不過這還不是最嚴厲的，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「甚至連錯誤都算不上（Not even wrong）」，成為了一句物理學家中的內行笑話。後來有人將「Not even wrong」引申為與科學哲學上的可證偽性原理（principle of falsifiability）相聯繫的概念：從可證偽性原理的角度上講，"錯誤"好歹算是能被證偽的東西，「Not even wrong」則是連可證偽性都不具有，因而連錯誤都不如。

因為泡利的敏銳、謹慎和挑剔，使他具有一眼就能發現錯誤的能力。物理學界笑談存在一種「泡利效應」——泡利出現在哪，那裡的理論推導就會出岔子、實驗設備都會遭殃的奇特現象；泡利對這個現象很欣喜，因為這些奇怪的事件符合他對超心理學的研究，特別是他與榮格合作的同步性概念。

有一次泡利想去某地，但不知該怎麼走，一位同事告訴了他。後來那位同事問他找到沒有，他說：「不談物理學的時候，你的思路應該說是清楚的。」

頂尖物理學家保羅·埃倫費斯特與泡利的第一次相遇是在某一次的會議上，埃倫費斯特對泡利的論文很熟悉，而且相當的印象深刻。經過幾分鐘的交談，埃倫費斯特說：「我想我喜歡你的百科文章更甚於喜歡你本人」泡利回話說，「真是奇怪，你對於我來說，剛好相反。」從此兩人成了很好的朋友。

海森堡回憶在1927年的索爾維會議裡，他與愛因斯坦及普朗克進行了一次關於宗教觀點的友好交談，沃爾夫岡·泡利、海森堡、狄拉克都參加了。狄拉克對於宗教在政治上的操縱給了犀利嚴正的批評；波爾對他的洞察力大加讚賞；除此之外，狄拉克說：「我無法理解為什麼要浪費時間討論宗教。如果我們是誠實的 – 且作為科學家誠實是我們明確的職責 – 我們不得不承認所有宗教都是一派胡言，完全沒有實際的根據。上帝的存在是人類想像的產物。…我不承認任何宗教神話，至少因為他們互相矛盾。…」海森堡則採用的寬和的觀點。泡利在這些初步言論後一直保持沉默，不過終於有人問起他的意見時，他開玩笑的說：「好吧，我想我們的朋友狄拉克也找到了自己的宗教，這個宗教的第一誡是『上帝不存在，而保羅·狄拉克是他的先知』」。大家哄堂大笑，包括狄拉克。（見《部分與整體》,1971年）

### 關於弱交互作用中宇稱不守恆的現象

美籍華裔的核物理學家吳健雄，有「東方居里夫人」的稱號，其最廣為人知的事件之一是以實驗證明了楊振寧和李政道所提出的弱交互作用中宇稱不守恆的現象。在實驗結果揭曉之前，泡利寫了一封信給朋友說：「我不相信上帝是個左撇子。」等到實驗結果出來違反他的想法，他只能驚訝地說，他現在好奇的是為什麼在強交互作用中，左右對稱仍然成立？

### 泡利與榮格的書信對話

直到約1990年為止泡利與榮格之間的書信對話未受到注意，但後來被仔細研究。這些書信是從1932年開始的，一直到1958年結束，其核心內容是關於人的內部心理與外部物質之間的關聯。

## 基本資料

- 日語原文：沃爾夫岡·泡利、Wolfgang Pauli
- 國籍：奧匈帝國(1900-1918)、奧地利(1918-1938,1945-1958)、納粹德國(1938-1945)、美國(1946-1958)、瑞士(1949-1958)
- 出生日期：1900年4月25日
- 出生地：奧匈帝國維也納
- 逝世日期：1958年12月15日
- 逝世地：瑞士蘇黎世
- 知名於：泡利不相容原理
- 母校：慕尼黑大學
- 博士導師：阿諾·索末菲
- 機構：格丁根大學、哥本哈根大學、漢堡大學、蘇黎世聯邦理工學院、密西根大學、普林斯頓高等研究院
- 獲獎：諾貝爾物理學獎（1945年）