著名物理學家緣何被禁止進入實驗室?

2021年08月19日12:17

  今天要講的主要內容是以著名的物理學家來命名的著名的非物理學現象——泡利效應。

  雖然聽著“泡利效應”似乎有點物理學的味道,但是這個效應本身,不能說與物理學不太相關,可以說是毫無瓜葛。

  年輕時的泡利(來源:WWeis,Vienna(Austria))

  泡利是誰?

  相信接觸過原子物理的同學們,對泡利這位學者一定不陌生。因為,估計誰也忘記不了被費米子和泡利不相容原理支配的恐懼。

  沒錯,本文的主角就是那位著名的物理學家:沃爾夫岡·泡利(Wolfgang E.Pauli,1900-1958)。他出生於奧地利一個知識分子家庭,父親是化學教授;教父是著名的物理學家、哲學家,被愛因斯坦稱為“相對論先驅”的恩斯特·馬赫(Ernst Mach,1838〜1916)。從小被學術氛圍中熏陶的泡利,註定將擁有不凡的人生。

  1918年,剛剛中學畢業的泡利,拿著父親的推薦信去了慕尼黑大學,找到了物理學家索末菲。泡利不想讀大學,便直接申請讀索末菲的研究生。

  更讓人不可思議的是,泡利的研究生期間僅用了3年,年僅21歲的泡利便順利獲得了博士學位。所謂:學神考100分是因為試卷滿分就是100分。其實,要不是學校規章要求了讀研究生至少需要3年,泡利可能會畢業得更早。

  1925年1月,25歲的泡利在漢堡大學任教期間,提出了著名的泡利不相容原理,這個理論的內容大概就是在由費米子組成的體系中不可能有兩個或兩個以上的粒子同時處於相同的單粒子態。

  費米子是什麼?專業點說就是自旋量子數取半奇數(1/2,3/2,…)的粒子,自旋量子數的取值則只依賴於粒子的種類。其中,電子、質子、中子等都是典型的費米子。除了費米子,另一種典型的粒子是玻色子,玻色子的自旋量子數是整數。其中,光子就是一種典型的玻色子,它的自旋量子數是1。

  (決戰量子之巔,來源:紅色山西網)

  泡利不相容原理也為原子物理的發展奠定了重要基礎。所以,榮譽可能會遲到,但永遠不會缺席。因為泡利不相容原理這一成果,在1945年, 泡利終於獲得了來自瑞典皇家科學院的諾貝爾物理學獎。

  泡利效應

  言歸正傳,今天不講泡利不相容原理的具體內容,也不講泡利不相容原理對物理學發展史的貢獻,今天要講的主要內容是一個泡利在非物理領域有廣泛影響力的著名現象——泡利效應。而且,據說泡利自己對“泡利效應”也是深信不疑。

  (吃瓜,來源:www.dianping.com)

  關於“泡利效應”一詞緣何而起,又如何廣為人知,我們不得而知。不過,坊間傳聞,這一詞起源於泡利自己的實驗室。據說,當泡利在實驗室的時候,他們實驗室總會出現一些“超自然的現象”,比如儀器設備出現莫名其妙的故障,實驗出現奇奇怪怪的問題。隨著這種效應的持續,泡利效應逐漸聲名遠播。

  後來又有一次,是在1950年,泡利去普林斯頓大學訪問,那裡的迴旋加速器莫名其名的起了大火,大火足足燒了半天,直至加速器燒燬。

  而在隨後的時間里,越來越多的事情,不僅僅是在實驗設備上,而是波及到了很大的範圍,因為在泡利在場之時,還不止一次出現了身旁人的椅子腿莫名折掉的事件。當然,泡利自己從不受傷,因為泡利效應的基本理論之一是“受害者”從不是泡利本人。

  接二連三的離奇事件,逐漸“坐實”了泡利效應的威力。以至於泡利的好朋友、實驗物理學家奧托·斯特恩(Otto Stern,1888~1969)曾甚至禁止泡利參觀他的實驗室,因為他害怕泡利的到來會引發那些超自然的現象。

  但隨後的幾件事證明,斯特恩似乎是低估了泡利效應的威力!

  有次,哥廷根大學的幾間實驗室的設備莫名出現了故障,這其中也包括泡利的老朋友、著名的實驗物理學家詹姆斯·弗蘭克(James Franck,1882-1964)的設備。因為他們認為泡利有充分的不在場證明,弗蘭克便在給泡利的信中寫到,這次實驗室事故和他無關了吧。

  但是後來,弗蘭克收到了泡利的回信後哭笑不得。因為泡利稱,通過自己的詳細計算,在弗蘭克實驗室出事故時,自己乘坐的從蘇黎世到哥本哈根的火車正巧在哥廷根的火車站台停了一會。泡利效應的能力似乎已經到了可以實現遠距離攻擊的地步。

  估計那時的弗蘭克滿腦子都是一句話:我對“泡利”的力量一無所知!!!

  泡利的遺憾

  從索爾維會議大合照上,就不難發現泡利那不羈的性格。泡利樂於且善於評論他人,一生diss他人無數,更以“毒舌”著稱;但這些批評大都一針見血,也給物理學的發展做出了不小的貢獻。這也導致那時的很多學者都認為,來自泡利的批評是對這項研究的意義的肯定;而泡利的不反對,就是相當於是得到了物理學界的認可。

  人非聖賢,孰能無過。樂於發表意見的泡利,也出現了兩次重大的錯誤。一個是關於電子自旋假說。因為他極力反對的態度,在拉爾夫·克勒尼希(Ralph Kronig)提出這個假說之後都沒敢公開,也直接導致了在那之後的很長一段時間里,更多物理學家對這個假說的質疑之聲。

電子自旋

  泡利的第二個錯誤是對宇稱不守恒的反對。而且在他的學生吳健雄要和李政道、楊振寧共同研究宇稱不守恒時,泡利還持了極度反對的意見。後來這三位華人的研究成果,又給自信的泡利狠狠的上了一課。

泡利和吳健雄

  除了在物理學上的遺憾,泡利27歲之後的家庭生活也不那麼美麗,這也許也是他有時表現出過於強勢自信、對“泡利效應”深信不疑的原因。(關於這部分內容感興趣的小夥伴請自行查詢)

  而關於泡利效應,雖然也許就是巧合的疊加,那些奇怪的傳聞也可能和泡利跌宕的個人經曆有著難以言說的關聯。但不論怎樣,泡利仍然是那個時代被公認的最聰明的物理學家之一。

  參考文獻:

  [1] 盧昌海。 泡利效應趣談。 [ONLINE] Available at: https://www.changhai.org/articles/science/misc/pauli_effect.php。 2018-12-14。

  [2]這個毒舌的“儀器殺手”改變了物理學。[ONLINE] Available at: https://m.sohu.com/a/283334780_472787。

  [3]一靜。 泡利和電子自旋[J]。 現代物理知識, 1992(5):26。

  [4]吳昌華。 人類探索基本粒子的足跡[A]。 中國力學學會、北京理工大學。中國力學大會-2017暨慶祝中國力學學會成立60週年大會論文集(C)[C]。中國力學學會、北京理工大學:中國力學學會,2017:12。

  來源:中國科學院半導體研究所

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