這個毒舌的「儀器殺手」改變了物理學

20 世紀初堪稱量子力學的黃金年代，大師雲集，泡利就是其中一位。泡利提出的不相容原理為探索物質結構指明了新的方向，如今已經被寫進高中課本；他的「毒舌」屬性和弄壞實驗設備的神秘能力也被物理愛好者們津津樂道。

今天是泡利逝世 60 周年，讓我們回顧這位大師傳奇的一生。

泡利（左）與波恩（右）| 圖片來源：UC Berkeley, Bancroft Library

撰文 徐文慧

編輯 戚譯引

鋒芒初現

沃爾夫岡·恩斯特·泡利（Wolfgang Ernst Pauli）出生在 1900 年，量子論誕生的年份。他的父親沃爾夫岡·約瑟夫·泡利（Wolfgang Joseph Pauli）是一位化學家，在維也納大學任教；他的中間名「恩斯特」（Ernst）來自於教父恩斯特·馬赫（Ernst Mach），一位物理學家兼哲學家。得益於這樣的家庭背景和維也納當時良好的教育條件，泡利中學就開始讀愛因斯坦的相對論，高中的時候甚至獨立完成了 3 篇關於廣義相對論研究的論文，受到其他物理學家的廣泛關注和好評。

18 歲那年，泡利拿著父親的介紹信，隻身一人前往德國慕尼黑大學（Ludwig-Maximilians-Universit?t München），找到著名的物理學家阿諾德·索末菲（Arnold Sommerfeld），說要做他的研究生。這在慕尼黑大學是從未有過的——一個高中生憑著自己父親的介紹信，就能跳過大學的基礎學習階段直接做教授的研究生？

學生時代的泡利 | 圖片來源：W Weis, Vienna (Austria)

索末菲並沒有直接答應或是拒絕他的請求，而是決定先相處一段時間。隨後，他真實地感受到了泡利的天才之處，於是破格招收了泡利。

泡利只用了三年時間就讀完了博士學位，這是學校允許的最短的時間。這時候，數學家菲利克斯·克萊因（Felix Christian Klein）請索末菲為《數學百科全書》（Enzyklop?die der mathematischen Wissenschaften）寫一篇有關相對論的評述性文章時，索末菲把這一重任直接交給了泡利。

泡利在兩個月內便寫出了一篇長 237 頁、包含了 349 條腳註的文章。直到現在這篇文章都還是對相對論的最佳詮釋之一。愛因斯坦本人對這篇文章的評論是：「讀了這篇構思宏偉的成熟著作，任何該領域的專家都不敢相信這竟出自一個僅 21 歲的年輕人之手。」

「上帝之鞭」

或許是因為泡利才華過人，老師和同事們都容忍了他的任性——比如喜歡睡懶覺，常常翹掉上午的課。而且，泡利還是個有名的「毒舌段子手」。荷蘭物理學家艾倫菲斯特(Paul Ehrenfest)曾給他取過一個外號，「上帝之鞭」（God』s whip）[1]。

還在慕尼黑大學做學生的時候，泡利去聽了一次愛因斯坦的講座，在愛因斯坦回答了在場的一個提問之後，泡利總結道：「愛因斯坦所說的也並不是那麼愚蠢嘛。」（Was Herr Einstein hat gesagt ist nicht so blode.）[2]後來每次愛因斯坦上台之前都會偷偷掃一眼座位，看看那位嘴上不饒人的泡利是否在場，好提前做好心理準備。

愛因斯坦（左）與泡利（右）| 圖片來源：Science Museum / Science & Society Picture Library

當然，泡利並不是針對愛因斯坦，他對物理學界的所有同行都一視同仁。無論誰的理論或發言不夠完美，他都會毫不留情地進行批評。

博士畢業的第二年，泡利在哥本哈根理論物理研究所（Institute for Theoretical Physics in Copenhagen，現為尼爾斯·玻爾研究所，Niels Bohr Institute）工作，他的上司是尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）。兩人經常因一些理論發生爭執，泡利總是對玻爾大喊：「閉嘴，你這是在犯傻。」而玻爾則會溫和地跟他解釋：「泡利你聽我說……」泡利：「我不聽，我一句也不想聽！」然而在玻爾決定不跟他爭的時候泡利又會說：「在我每次說些什麼的時候，你要做的就是與我力爭到底啊。」[3]

1954年瑞典隆德物理研究所（Institute of Physics at Lund）的落成典禮上，泡利和玻爾在玩陀螺 | 圖片來源：American Institute of Physics

物理學家保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）曾帶有諷刺意味地對泡利說：「嘿泡利，相比你這個人，我更喜歡你《數學百科全書》那篇相對論的注釋文章。」誰知泡利毫不客氣地回他：「那很奇怪了，因為要問我對你的看法的話，情況剛好相反呢。」

如果你或你的研究總被導師說得一無是處，或許在知道泡利是如何評價他的學生之後，心裡會好受點。一個學生曾拿著自己寫的論文去找泡利，向他詢問修改意見，結果泡利直接把論文還給他說：「這不對，這連錯都算不上。」（「That"s not right. It"s not even wrong.」[4]）

只有極少數人能夠逃脫泡利毫不留情的評價。泡利一生對愛因斯坦、玻爾和索末菲極其敬重，奧地利物理學家韋斯科夫（Victor Weisskopf）回憶，當泡利和導師索末菲會面的時候，「看到這樣一個規規矩矩、 富有禮貌、 恭恭敬敬的泡利是一件很爽的事情」[1]。

防不勝防的「泡利效應」

理論物理學家和實驗物理學家本來應該是相互輔助的關係，然而泡利似乎對物理學實驗造成了一些「危害」——據說在泡利出現的地方，總能有實驗莫名出問題[5]，這種現象被戲稱為泡利效應。泡利自己也對此深信不疑，甚至還有些得意。

「泡利效應」最初只是物理學圈子內的流言，後來以訛傳訛，衍生出很多版本，但有據可查的至少有兩件事。一次是1950年2月，泡利在普林斯頓大學（Princeton University）的時候，有一台回旋加速器直接燒毀了。泡利還詢問這是不是他的錯。

還有一次，哥廷根大學（University of G?ttingen）物理研究所里一台昂貴的設備突然停止工作，幾個小時之後又重新啟動，恢復正常，誰也不知道是什麼原因。研究所所長詹姆斯·弗蘭克（James Franck，1925年諾貝爾物理學獎得主）還給泡利寫信打趣說：「至少這次事件你是清白的。」因為泡利當時人並不在哥廷根大學。[6]

誰知泡利回信說自己並不是完全沒有責任的：「我那時正坐在從蘇黎世去哥本哈根的火車上，計算了一下時間，儀器出問題的時候火車應該剛好停在哥廷根站。」

為了避免「泡利效應」，泡利的朋友奧托·斯特恩（Otto Stern，1943年諾貝爾物理學獎得主）下達了禁令，堅決不允許泡利踏入自己的實驗室[6]。

斯特恩（左）與泡利（右）在遊船上 | 圖片來源：UC Berkeley, Bancroft Library

泡利覺得這種超心理學現象（parapsychology）是值得進一步研究的[1]，他和瑞士心理學家卡爾·榮格（Carl G. Jung）一直保持著緊密的聯繫，並對彼此的研究做出了雙向性的深刻影響[7]。

榮格（左）與泡利（右）| 圖片來源：brainpickings.org

「物理學之王」繼承人

儘管說話刻薄了點，做實驗的運氣壞了點，泡利的人緣卻不壞。他的尖刻批評更多是出於完美主義，或許正是這種較真的性格讓他作出了成就。

泡利最為人熟知的貢獻就是提出了泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），當時他二十多歲，在漢堡大學（University of Hamburg）擔任講師。不相容原理指出，在同一個量子系統中，兩個全同的費米子不能處於相同的量子態，例如同一軌道上的兩個電子不能有相同的自旋。

不相容原理在剛提出來的時候沒有引起足夠的重視，但是接下來，它解答了很多與原子結構有關的問題，進而催生了自旋理論，為探索物質結構打開了一扇新的大門。到了 1945 年，泡利因此被授予諾貝爾物理學獎，並且被年邁的愛因斯坦指定為「物理學之王」繼承人。

泡利對物理學的貢獻還不止於此，他為人低調，很大一部分成果並沒有正式發布，而是遺留在與其他科學家交流的信件中，例如中微子的概念。1930 年，在給原子物理學家莉澤·邁特納（Lise Meitner）的信中，泡利指出，要解釋 β 衰變的能量為何是連續譜，或許存在一種還沒被發現的電中性粒子，質量不到質子的 1%。這種粒子後來被恩里科·費米（Enrico Fermi）命名為中微子（neutrino）。

由於中微子極其難以探測，泡利曾說：「我幹了一件糟糕的事情，我提出了一種無法探測的粒子。」到 1956 年，弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）和克萊德·考恩（Clyde Cowan）終於用實驗證明了中微子的存在。得知消息後，泡利通過電報回復：「感謝來函。知道如何等待的人總能得到一切。泡利。（Thanks for message. Everything comes to him who knows how to wait. Pauli.）」

不過，泡利也曾對兩件事發表了錯誤的言論，一是電子自旋假說，二是宇稱不守恆。

當得知自己的學生吳健雄要去幫李政道和楊振寧完成β衰變中宇稱守恆的實驗檢驗時，泡利是極力反對的，因為他認為「上帝不可能是個左撇子」。但在 1957 年 1 月 15 日，三位華裔成功證明了宇稱不守恆。

泡利（左）與吳健雄（右）| 圖片來源：CERN

對於「打臉」般的結果，他在給朋友的一封信中幽默地說道：「幸虧當初沒人跟我打賭，不然我可能要輸掉好大一筆錢。現在只損失了一點名譽，好在我的名譽也不小，損失一點也無所謂了。」

不過，就在事業上如日中天的那幾年，泡利的家庭生活卻很不如意[10]。泡利一向和母親非常親密，然而 1927 年母親自殺，對他造成了很大的打擊。次年父親再婚，而泡利與繼母關係非常糟糕。不久後泡利自己也結婚了，不到一年後這段關係以離婚告終。

在接二連三的打擊下，泡利開始尋求榮格的幫助。他還開始酗酒。在密歇根大學訪問期間，他因為醉酒從樓梯上摔下來，摔傷了肩膀。當時美國正是禁酒令時期，校方只好宣稱他是在游泳池滑倒受傷的。

或許受到酗酒的影響，泡利患上了胰腺癌，於 1958 年 12 月 15 日在蘇黎世紅十字醫院（Rotkreuz Hospital）去世，時年58 歲。挑剔的他對很多東西都不滿意，對別人不滿意，對自己也不滿意，就算在死前也在為物理學中一個神秘的無量綱常數絞盡腦汁。

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參考資料

[1] 盧昌海（2012），讓泡利敬重的三個半物理學家, 《現代物理知識》二零一二年第四期, 中國科學院高能物理研究所）, [online] Available at:https://www.changhai.org/articles/science/misc/pauli_misc.php. [Accessed 13 Dec. 2018].

[2] Bernstein, J. (2006). Einstein"s Theory of Relativity. In: Secrets of the Old One. Springer, New York, NY. pp. 55-101.

[3] Bizony, P. (2017). Part Three Not Even Wrong. In: Atom (Icon Science). Icon Books.

[4] Peierls R. (1960) "Wolfgang Ernst Pauli, 1900-1958". Biographical memoirs of fellows of the Royal Society (Royal Society (Great Britain)) 5: 174–92.

[5] Enz, Charles P (2002). No Time to be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli. New York: Oxford University Press.

[6] Swiss Physical Society - 50th anniversary of Wolfgang Pauli"s death (2008). 50th anniversary of Wolfgang Pauli"s death, 15th December 2008. [ONLINE] Available at:https://www.sps.ch/en/articles/physics-anecdotes/50th-anniversary-of-wolfgang-paulis-death-4/. [Accessed 13 December 2018].

[7] Pauli, Wolfgang; Jung, C. G. (2001). Atom and Archetype: the Pauli/Jung Letters, 1932-1958. ed. C.A. Meier. Princeton: Princeton University Press. pp. 179–196.

[8] Mehra, J. and Rechenberg, H. (2000), The Historical Development of Quantum Theory. Springer Science & Business Media. pp. 488.

[9] NobelPrize.org. Nobel Media AB 2018. (2018). Wolfgang Pauli – Biographical. [online] Available at:https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1945/pauli/biographical/[Accessed 13 Dec. 2018].

[10]Wolfgang Pauli biography. (2018). Wolfgang Ernst Pauli

. [ONLINE] Available at: http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/history/Biographies/Pauli.html. [Accessed 14 December 2018].

[11] 盧昌海個人主頁. (2018). 泡利效應趣談. [ONLINE] Available at: https://www.changhai.org/articles/science/misc/pauli_effect.php. [Accessed 14 December 2018].

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