有没有普通物理通俗讲解(任何人都可以理解的物理科普第六部分)

二象世界

有没有普通物理通俗讲解(任何人都可以理解的物理科普第六部分)(1)

郎之万随包附言,让老爱给点意见。这篇论文的作者不是郎之万,而是一位法国王子:路易·维克多·皮埃尔·雷蒙德·德布罗意(Louis Victor Raymond de Broglie)。

这个“王子”,并非国王之子的意思,而是地位低于子爵、高于男爵的一个封号。子爵往上,依次还有伯爵、侯爵、公爵,公爵最高。而男爵,就是最低的贵族爵位了。所以,“王子”这个封号并不高,翻译成“公子”或许更合适。但是,这位王子,却是名副其实的贵N代、官N代、富N代,他出身于法国最荣耀、最显赫的贵族之一:徳布罗意家族。这个家族,在法国自18世纪以来的历史中非常拉风,出过将军、元帅、首相、外交官……王位征战闪过光,七年战争练过枪,独立战争飘过洋,法国革命验过伤,外交场上圆过谎,内阁案上安过邦……N代人文治武功,勋业凶猛,所以被册封为世袭公爵。路易之所以只是“王子”,那是因为,在这一代活下来的4个孩子中,他排行老四。只有大哥莫里斯才有资格顶着公爵的光环。1960年,莫里斯驾鹤西去,68岁的路易成为第七世徳布罗意公爵。莫道桑榆晚,为霞尚满天。别看起步晚,这个爵位,他顶了27年!直到95岁逝世。

路易王子小时候没上过学,因为这个家族都是请私人教师的。后来,在大哥莫里斯的建议下,聪明的路易被送到巴黎大学。1909年,17岁的路易取得了哲学、数学双学士学位。路易小时候看起来蛮有政治天分,对帝国干部花名册了如指掌,还能以时事政治为题材,进行像模像样的演说。和家人一样,路易也以为,自己将来会继承家族传统——混政坛。所以,他又选修了中世纪历史。但是,他很快发现,自己对政治家这个很有前途的职业不感冒。他左看看,右看看,还是大哥干的事儿好玩。

莫里斯是个科学控,在家里弄了个实验室,什么无线电、X射线,各种高精尖,还搞出点名堂,圈子里小有名气。路易没事儿就往大哥的实验室跑,慢慢地喜欢上了物理。狗血的是,刚喜欢上物理,物理考试就得了一次不及格。难道,天将降大任于路易王子,已经开始苦其心志了?花样年华的路易很彷徨:搞得掂的提不起兴趣,提起兴趣的搞不掂,我这是在跟上帝撒娇吗?

路易正纠结间,大哥莫里斯捡到一件好事儿,去布鲁塞尔,参加第一次索尔维会议。

意气飞扬的弟弟冷不丁深沉起来,莫里斯很担心。参加索尔维会议,自己虽然只是书记员这个龙套角色,但是,有机会见到一群物理大腕,还能聆听他们的讨论,机会实在难得。正好,带弟弟去见见世面,就当旅游散心了。

后来的事情,在前面都说过了。书记员莫里斯公爵利用职务之便,每天会议结束,见到路易,就绘声绘色地转播会议时况,路易王子无限神往、激情澎湃。回家后,路易王子欣赏了大哥带回家的会议记录,扔掉历史书,拿起物理书,树立了当一名物理学家的远大理想。

1913年,21岁的路易拿到了理学学士学位。他没有摩拳擦掌继续深造,因为,他知道自己要服兵役了。

当兵这事儿,对徳布罗意家族来说,那真不叫事儿,别的不说,光是元帅,就出过三个!但人家不靠关系,都是从基层干起的。比方说路易王子,他加入法国陆军,在工兵连当了一名倒霉的二等兵。不想当将军的王子不是好士兵,路易既不喜欢打仗,也不喜欢指挥打仗,所以,他后来被调到无线电通信部,干技术活去了,在埃菲尔铁塔下面,一干就是4年多,度过了人生中最无聊的岁月。

1819年,路易王子翻身的解放,他光荣退役了。回到了久违的实验室。哥俩做实验,写论文,讨论问题,不亦乐乎。功夫不白费,慢慢的,哥俩对光的认识越来越深。他们认为,光粒说,光波说,在某种意义上说,都没错。这种看法相当前卫,因为当时,只有爱因斯坦宣扬这种看法,但是没人信。

1922年,路易·徳布罗意写了一篇论文,采用了“光量子”的概念。这种看法更前卫,因为当时,也只有老爱自己相信光是“量子”。

然后,康普顿效应证实,光真的是量子!后来,光量子被称为“光子”。而这时,徳布罗意已经完全接受老爱的“一元二体”这种奇谈怪论了。

只要有实验支持,不管看着多丑陋、多荒唐的东西,徳布罗意都能接受。这种大胆的包容性,可不是谁都能有的。也许,正是这巨大的包容性,让他眼界更宽,完成了又一个伟大的统一。

波?粒?这个纠结了几百年的问题,正在纠结徳布罗意。

1923年,冥思苦想的徳布罗意头脑中划过一道闪电,一个大胆怪诞的问题浮现出来:光波可以表现得像粒,那么,电子之类的粒,可以表现得像波吗?

徳布罗意略一沉吟,答道:可以。爱因斯坦大叔1905年的发现,应该推广到所有物质粒子。

老爱1905年的发现很多,王子指的是哪个呢?当然是光电效应,论文里有句话,我们复习下:

“不应当忘记,光学观测都同‘时间平均值’有关,而不是同‘瞬时值’有关。”

他的看法是:观测光在一段时间内的平均状态,你看到的是“波”;观测光的瞬时情况,你看到的是“粒”。这就是小爱同学推销了18年,直到变成老爱大叔,也没推销出去的“一元二体认识”。这个步子迈得太大,物理界的同仁们不肯跟,怕扯得蛋疼。

现在,徳布罗意打算迈出更大的一步:把老爱大叔的这个认识,推广到所有物质粒子,尤其是电子!

这个想法太感人了!

光、电、磁;质量、能量、运动;引力、加速度、惯性;固体、液体、气体、分子、原子……大自然中千奇百怪的现象,似乎各自遵守着不同的规律,但是,经过不懈探索,我们渐渐发现,这些花样,都服从某个更高层次的规律。就像眼花缭乱的制度要服从行政法规,法规服从法律,而法律又服从宪法一样。你觉得杂七杂八的制度和法规不可理喻,那是因为你没搞懂宪法。宪法不能保证的东西,再多的法规条款都是逗你玩。自然规律也是这样,幼稚的地球人感到宇宙浩瀚无极,诡异莫测,不可思议,那是因为我们没看到宇宙的本质。层次越高越简洁。从经验上看,追求统一、追求融合、追求简洁的思路,似乎总是指向正确的方向,让我们越来越接近世界的本质。万有引力定律、热力学、电磁论、相对论……这些理论的建立,都是谋求统一的结果。

如果波粒合体,统一物质的存在形态,会发生什么呢?

这个问题提得太早,因为,现在有一个更要紧的问题:怎样才能让波粒合体?

为这俩家伙,人类动用最高智慧,已经斗了几百年,战鼓未歇,烽烟又起,这时节,你让它俩合体?!开什么星际玩笑?你能想象,一只足球,同时又是一缕波吗?神马?你说国足们一直是把球当波玩儿的?I 服了 you ! You win 了!徳布罗意用法语说道,俺既然采纳了老爱大叔的“一元二体”,为啥不顺便动用他的相对论呢?

老爱告诉我们,能量、质量可以相互转化。我们目前知道的物质,不外乎以这两种形式存在。那么,任何物质,光子也好,电子也罢,俺都可以当作能量来看。OK,现在,咱俩手上,有2套关于能量的方程:

爱因斯坦:E=mc^2

普朗克:E=hv

大家都很熟,所以不介绍了。能量面前一律平等,那么:

mc^2=hv

哗,一个简单的交换,就异象环生:质量和频率这两个风马牛不相及的家伙,闷骚地盘踞在公式的两侧,各自坐拥一款妖娆的常数。

如果你觉得不奇怪,那麻烦你称一下,这缕波的质量是多少?

质量是粒子的属性,而频率是波的属性,这两种没法联系在一起的属性,居然可以划等号!

假设物体以速度V0在运动,根据相对论,会产生质量、时间膨胀的效应。

看看上面这款闷骚的公式,c和h都坚挺不变,如果质量m膨胀,那么频率v必须如何?当然要提高,才能hold住这个等号,是吧?

可是,频率是什么?频率就是“单位时间内,运动的周期性变化”呗!时间膨胀,意味着“周期”延长,周期延长的意思是,频率降低!

矛盾啊矛盾!

可是,等一下,频率真的降低了吗?我们来看看:

由:mc^2=hv

得:v=(mc^2)/h

以速度V0运动,则:

① E=m0c^2

② v0=(m0c^2)/h。

记住这两个等式哦,等下用得上。

根据E=hv

得v=E/h=(m0c^2)/h =v0

洛伦兹因子没忘吧?没忘就相对论一下:

v=v0/√(1-v^2/c^2)

看,频率没降低,是增加了,但是丫超速了!

算来算去,这个波的速度是c^2/V0,超了光速!

这还了得?敢超光速!尤其,这是用相对论算出来的。你是在挖苦中微子吗?这个节骨眼,整蛊很好玩吗?

不是整蛊。徳布罗意沉声道。

这个波,不含任何信息,也没有任何质量。所以,不违反相对论。还记得上部提到的“相速度”吗?对,就是这个意思。不明白?回去复习咯。有没有发现?前面提到的东西,后面总能用得上。嘿嘿!

不对啊!我们刚刚不是在八卦光子、电子等等这些粒子物质吗?怎么变成谈论“波”了?难道是两个大妈在谈物理吗这么容易跑题。回去看看是从什么时候开始的?哦,从老爱和普朗克的方程开始的,能量,把粒的质量、波的频率联系到了一起!

如此看来,波和粒这对冤家,还真是分不开!实际上,从mc^2=hν开始,徳布罗意就已经知道,自己是对的,电子这样的粒子,也可以表现得像波。因为这个等式本身,就是在暗示我们:粒子,有内禀频率。它的频率,刚才已经算出来了:ν=(mc^2)/h。

徳布罗意左算右算,发现,所谓粒子,是甩不掉波的!它不管怎么运动,都是“随波”逐流,这个波,就是刚刚说到的,那个超光速的波,徳布罗意管它叫“相波”。但是后来,大家都更喜欢叫它“徳布罗意波”。

那么,“随波”逐流的粒子,是一个神马样的粒子呢?如果非要形象化,你可以脑补一下冲浪运动,冲浪者,就是随波逐流的粒子。

但是,徳布罗意波上,不存在一个随波运动的粒子,因为这个波本身就是那个粒子。

啊?!你确定自己是在跟地球人说话吗?

粒子是个波?!先不要管它是什么样(实际上,你也没法想象作为波的粒子是个啥造型),单说咱们这个世界吧,都是由粒子组成的,但是粒子都是波,也就是说,咱俩,还有一切,都是波?!

波是啥东西?我们前面已经说了,波不是东西,它只是物质的一种周期性运动现象,离开了物质,怎么会有波?

物质本身就是波。所谓“物质波”。徳布罗意残忍地回答道。

上帝啊!有爱因斯坦、玻尔这些标新立异的地球居民已经够受的了,怎么又冒出徳布罗意这样异想天开的家伙?

这就受不了了?更奇葩的还在后面,因为泡利、海森堡、狄拉克……这群冒失鬼还没正式登场呢。

我们先安抚下扑扑鹿撞的小心脏,看看徳布罗意接下来要干嘛。

电子是“驻波”。徳布罗意沉吟道。

驻波?很眼熟的样子,对了,上部,赫兹测电磁波波长的实验里说过。所以,咱俩对它不陌生。在这里,需要拓展补习的是:

1.两个相邻的波节的距离,就是半个波长。这半个波长,拥有一个“波腹”,画出来像一节藕,咱俩可以私下叫“一节”。

2.作为驻波来讲,它的节数总是整数。不可能出现半节。

电子作为一缕驻波,盘旋在原子核周围。我们原以为的“电子轨道”,变成了一个误会。也就是说,原子核周围,不存在什么绕着轨道转的小颗粒,只有一圈一圈的驻波!

这个设计虽然荒诞,但它回答了一个问题。一个玻尔回答不了的问题:为嘛能量吸收和发射必须是一份一份的?

那是因为,一缕环状驻波,总是波峰→波谷→波峰……首尾循环相接,不可能在波峰处突然消失,然后接着波谷,这没法接,所以,波峰也好、波谷也好,都是整数。就像自行车链条,一节一节地首尾相接,才能形成一圈完整的链条,如果把其中一节链拦腰斩断,那就接不上了。

这样的环状驻波,该怎么吸收、释放能量呢?很明显,不管是吐,还是吞,必须保证能凑足整数波节,否则它吐不出、吞不进!这就是能量必须按份吐纳的秘密,同时也是轨道数有限的秘密。

还有一个更好的消息:如果电子是一圈驻波,那么,就没有加速度了,就不会连续损失什么能量了,也就不会自主坠亡了!

1923年秋,徳布罗意的这些思想形成了三篇短文,发表在《法国科学院通报》上。又是三篇?不要紧张,德三篇比玻三篇精炼多了!所以,1924年春,他把这三篇短文毁成一篇论文:《量子理论的研究》。合成一篇后,仍然不太长。

论文虽然不长,但相当精悍,提出了石破天惊的概念:光子、电子这些东西具有“波-粒二元性”,波即粒,粒即波。不仅光子、电子如此,其他所有粒子都一样!

你别以为我们的徳布罗意王子在玩哲学,这可是正儿八经的科学!他拿出了一个公式,把波与粒紧紧地联系起来:

λ=h/p。

简约而又旖旎。

波军的专属族徽“λ”,闪耀着古老的荣光,速度和频率的暗纹,簇拥出灵动的“波长”。

粒军的传世帅旗“p”,招展着历史的辉煌,速度与质量的底色,烘托出鲜活的“动量”。

雍容华贵的普朗克常数h,从容肃立,令波粒这对宿敌,传奇般地融为一体,混搭成一袭神迹!

是谁在颤栗?是谁在哭泣?不要嫌我诡异。不要怪我忤逆!

奴本佳人,出落名门。E=mc^2和E=hv,是我双亲!

徳布罗意把这篇精炼的论文给他和大哥的导师郎之万看过后,作为博士论文交了上去。郎之万看了,拿不定主意,就寄给了爱因斯坦。

老爱看了,于吾心有戚戚焉!徳布罗意发展了自己的“一元二体认识”,还搞得有板有眼,很高兴。老爱从λ=h/p中读出了一个预示:一场大戏就要开演了。于是,称徳布罗意“掀开了大幕的一角。”

转眼间,大约到了冬季,11月25日,徳布罗意论文答辩。考官有4个,保罗·郎之万和他的伙伴们:让佩兰(验证老爱的布朗运动理论得诺奖那个)、查尔斯·莫甘(Charles Mauguin,当时以研究晶体特性闻名)、艾里·嘉当(Elie Cartan,著名数学家)。看到徳布罗意的论文,郎之万的小伙伴们都惊呆了。虽然他们都不懂量子论,但也感到一股怪诞的气息扑面而来。

不过,一篇博士论文,得到当世活牛顿的好评,着实不易,博士论文千千万,有几篇能入老爱的法眼?况且,自己又不懂,你凭什么反对?又有什么理由不予通过呢?

于是,路易王子成了徳布罗意博士。他喜欢这个称号,因为这个不能祖传,只能靠自己争取。

老爱没看走眼。评委们没信错人。这是迄今为止,人类史上含金量最高的博士论文。作者凭它获得了1929年的诺贝尔物理学奖——这是诺奖首次、也是截至目前唯一一次颁发给一篇博士论文。并且,它还衍生出至少两枚诺贝尔物理学奖!

这些都是后话,现在的问题是,虽然评委们通过了篇论文,但是,这不代表他们相信粒真的可以是波。这时,全世界可能只有三个人相信这件事:路易、莫里斯、爱因斯坦。是莫里斯引导路易重视“辐射的粒子、波动二元性”的。

也难怪大家不信,如此出格的论调,你又没个证据,单凭一款看上去很美的公式,就让大家相信整个世界都是波?!想让人信你,还是那句话:你有证据吗?

会有的。徳布罗意做出了一个很拽的预言:电子穿过一个小孔,应该有衍射。

说完,他把目光转向大哥的私人实验室。莫里斯正带领他的团队忙乎别的,认为让电子衍射的实验太难,没时间做。路易也就没再坚持。徳布罗意家族就是牛啊,很随便地就放弃了一个诺奖。

所谓难题,从来都是只对大部分人来说的。哥廷根大学的埃尔泽塞尔(Walter Elsasser)同学很快就提出实验办法:可以利用晶体让电子发生衍射。爱因斯坦听了,觉得靠谱。老爱有十足的信心,波粒二象性是对的,我们一定能看到电子衍射,看到电子衍射,就看到了诺奖。于是,老爱给小埃提了个醒:小伙子,你坐到金矿上了!

话是不假,不过,你以为坐在你屁股底下,这座金矿就是你的?就在大家眼巴巴等着小埃挖金矿的节骨眼上,两个家伙从天而降,误打误撞地把金矿从小埃屁股底下抢走了!

克林顿·戴维逊(Clinton Davisson),1911年取得普林斯顿大学的哲学博士学位,同年被卡内基理工学院任命为物理学助理教授。1917年加入西部电力公司实验室——就是后来鼎鼎大名的贝尔实验室。

这段时间,戴维逊和助手革末一直都在玩一个很无聊的游戏:用电子轰击各种金属,看看会发生什么。虽然没有什么神迹发生,但,他们一直在期待,发生点什么震撼的事情。

1925年4月,神迹终于发生了:一瓶液化空气爆炸了,实验室里真的很震撼。

这不是重点。重点是,一个真空管被炸坏了。虽然人类炸坏的东西就像天上星亮晶晶数也数不清,但这支管,堪称舍生取义的典范,被无数次写进物理史。真空管里,装着用来接受电子轰击的镍靶。镍靶为什么要装在真空管里呢?因为只有靶的表面够纯净,细微的电子弹射到上面,才有可能观测到发生了什么。现在真空管坏掉了,空气浪荡地侵蚀了镍靶娇弱纯洁的肌肤。实验装置基本报废。

这也不是重点。重点是,为了节能减排,戴维逊和革末打算勤俭节约一把,修复这个装置。恢复镍靶纯净肌肤的最好办法,就是加热,高温会除去氧化层。但是他们忘了一件事:高温还会改变晶体结构——镍靶本来由N多微小的镍晶体构成,高温让它们融成了几大块晶体。

这还不是重点。重点是,这种巨变是内在的,镍靶表面还是很无辜的老样子。戴医生和革护士都以为手术成功,丫痊愈了,于是,很有成就感地接着做实验。然后,他们发现,观测结果跟以前不一样了!数据曲线出现了好几处尖锐的峰值!What?是以前看走眼了,还是现在看走眼了?公司一位显微镜专家诊断了下,发现这是一起医疗事故,镍靶变性了!先不管了,折腾了一年多,也该歇歇了。这时已经是1926年7月了。戴维逊匆匆把数据发表了,就迫不及待地给老婆写信,约她去英国旅行:“亲爱的洛蒂,这将是咱俩的第二个蜜月,而且将比第一次更甜蜜!”死相!思想好肮脏哦不理你了啦车票哪天的?

1926年8月。牛津。

第二

有没有普通物理通俗讲解(任何人都可以理解的物理科普第六部分)(2)

次蜜月里的戴维逊听说,本月10日,英国科学促进会在这里召开,他的大舅子、也是他的老师理查森也要去参会,于是戴维逊决定,一起去凑热闹。会上,他惊奇地听到,德国著名物理学家马克斯·玻恩(Max Born)提到自己的名字!

玻恩认为,戴维逊发表的那些实验数据,支持了一位法国王子的理论。此前,戴维逊从没听说过徳布罗意,更别提看过他的论文了。运气来了,真是神仙也挡不住。

蜜月结束后,戴维逊恶补了徳布罗意、薛定谔的波动理论,投入了甜蜜的事业:用镍晶体做电子衍射实验。

冬去春又来。戴维逊的实验带来一个噩耗:电子发生了衍射,这厮真的是波!世界太疯狂了!

实验的一系列成果,经整理后,于1927年12月发表在《物理评论》上。狂飙未启雷先炸,惊落了,几多下巴。

故事还没完。戴维逊埋头挖金矿时,没注意到,另一边,还有个人挥汗如雨。

英国物理学家乔治·帕吉特·汤姆逊(George Paget Thomson)。他爱电子的一切,因为电子是他们家发现的。没错,他就是J.J.汤姆逊的儿子。徳布罗意说电子应该有波动性,G.P.汤姆逊当然要验证一下。也是1927年,他另辟蹊径,用特制的金属箔,也搞到了电子的衍射图像!

1937年,埃尔泽塞尔眼巴巴地看着戴维逊和汤姆逊分享了诺贝尔物理学奖。

30年前,老爹J.J.汤姆逊因为发现了电子这个粒子而喜获诺奖,30年后,儿子G.P.汤姆逊因为证明电子是个波又喜获诺奖。谁说30年河东30年河西?波粒二象被老汤家玩儿了个够。好吧,你们爷儿俩赢了。

但是,整个物理界抓狂了。电子是个波!电子是个波?!

电子是个波吗?

还记的汤姆逊发现它时,是怎么算出它的质量的吗?如果它是波,这样能算出它的质量?

还记得康普顿效应吗?不是粒撞了粒,怎么解释那遗失的能量、精致的散射角、被踢飞的电子?

还有,1912年,英国科学家威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson)改进了自己在1895年发明的云室,电子经过云室中的水蒸气时,划出了一道道清晰的轨迹——电子是个粒子,这就是直接观测证据!为此,威尔逊和康普顿分享了1927年的诺贝尔物理学奖。如果电子是波,怎么解释这些轨迹?

还有,你怎么解释电子在感应屏上砸出的小点?

还有……

粒军扫射一梭子问号。波军看了看城墙上的弹孔,扔回一颗问号:那你怎么解释美丽的衍射图案?

再美丽的图案也是由一个一个小点组成的!粒军急了,飞回一柄叹号。

有种你用颗粒搞出个干涉、衍射图案给俺膜拜下?波军一把接过叹号,折弯了又扔回去。

……

波、粒这对生死冤家,无论是看概念,还是看形态,无论是看外表,还是看内心,它们之间都没有任何逻辑联系,如果非要说有联系,那就是你死我活!在光的本质之争中,它们各司疆域,各领风骚,势成水火,来来往往斗了几百年,直杀了个硝烟弥漫、天昏地暗,从波义耳、牛顿、胡克、惠更斯、托马斯·杨、马吕斯、菲涅尔、拉普拉斯、泊松……到麦克斯韦、赫兹、普朗克、爱因斯坦、玻尔……两军阵前,随便拽出任何一个将领,都会把咱俩和小伙伴们惊呆的!波粒大战,是人类顶级智慧的大PK!现在,光的波粒之争还没平息,又把围观群众——以电子为代表的粒族——也就是所有物质卷了进去,光的内战,变成了真正的世界大战!徳布罗意,你是唯恐天下不乱吗?!

双方打得鼻青脸肿、丢盔卸甲,却丝毫没有结果。物理世界的天幕神秘而厚重,肃穆的背景深处,隐约透出阵阵郁积已久骚动,似乎有某种恐怖的东西在逐渐接近,沉着而坚定,从容舒缓而势不可挡。

大幕掀起了一角。幻光乍泄。转瞬便湮灭在一片巨大的阴影之中。

你可以瞠目结舌,但架没打完干嘛要扔掉刀呢?神马?敌人也扔了?!压力再大,饭也得吃、路也得走不是?兄弟,拾起跌落的盔甲,横刀跃马,继续前行吧!

不相容

话说哥廷根“玻尔节”,这是合作双赢的典范,哥廷根引进了原子物理的新鲜空气,玻尔更是赚得钵满盆满,交了友,扬了名,立了言,还挖了墙角,为哥本哈根谋取了两个栋梁之才。

其中一位,就是在前文打过几次酱油的泡利。这是个真正的奇才,同行们公认,在对物理的直觉理解能力上,这厮跟爱因斯坦有一拼。

沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli),美籍奥地利物理学家。1900年4月25日出生在多瑙河畔的音乐之都——维也纳。其实他是沃尔夫冈2.0,因为他父亲与他同名。

沃尔夫冈1.0是个医生、维也纳大学教授,妻子贝莎是个著名的记者和作家。泡利的教父更有名,他是马赫,对,还是跟牛爷抢水桶的那个马赫。

音乐之都、书香门第、教父是哲学和物理学大腕,三者居其一,就够一般人汲取半辈子营养、臭屁一辈子的了。但是这些,对于学习能力强到变态的泡利来说,很快就不够塞牙缝的了,这里变成了他的“精神沙漠”。

1918年9月,18岁的泡利迫不及待地走出维也纳,一头撞到慕尼黑,投入索末菲门下。那时,索末菲正在苦心经营他的理论物理学“苗圃”。经营苗圃,有两个关键,一个是苗,一个是圃。索末菲建的研究所,起点就不如玻尔,只有办公室、研讨室、教室、小图书室四个房间,加一个地下实验室。圃是小了点,但更关键的是苗。好在索园丁眼光独到、园艺精湛,培育出不少好苗子。

索末菲很快就发现,泡利天赋异禀、前程似锦,是棵打着灯笼都难找的好苗子。好苗子遇到好园丁,那是双方的幸运。你负责精心培养,我负责茁壮成长,师生各展其长、相得益彰。

索末菲对这棵神速健康可持续成长的苗子相当满意、对泡利的能力相当有信心,在这一点上,泡利和索老师始终保持高度一致。

工作之余,索老师揽了个瓷器活:编辑《德国大百科全书》的物理部分。本来,他想请爱因斯坦写相对论部分,但老爱没时间干这事儿,于是,就找泡利江湖救急。泡利同学18岁那年,就发表过一篇关于广义相对论的论文,已经是内行人眼里的相对论专家了。泡利没辜负索老师殷切期待的眼神,很顺利地写完了初稿。索老师一看,太深刻了!太成熟了!一个字都不用改!!顿时想起玻三篇,卢老师泪奔啊!索老师还真不是吹,爱因斯坦看了这篇长达237页的文章后,赞不绝口:“对该领域的理解力、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及其评价,足令所有人羡慕!”当老爱得知,这篇“成熟的构思、宏伟的文章”出自一位21岁的毛头小子之手时,感到很震撼。直到现在,这篇雄文还是相对论领域的经典之一。

在索老师手下,泡利最大的收获,应该是接触到量子论。那时,大家都在忙着拯救玻尔,给他的原子模型打补丁。最大的补丁当然是索老师几年前打的k和m。

泡利刚听到量子理论的基本假设时,真的“惊呆了”。但他很快就适应了。接受了索老师指派的另一项任务:用玻尔理论和索老师的补丁搞定电离氢分子。啥叫电离氢分子呢?前面说过,2个氢原子核共享2个电子,这就是氢分子;把电子踢飞1个,它就变成了电离氢分子。

泡利的任务完成得相当完美,但他很失望。因为,他的分析固然无懈可击,结论却与实验不符。虽然大家对玻尔理论与实验不符已经习惯了,但泡利一点也不适应,因为这是他的“处女败”。虽然责任并不在他。他的这顿分析,直接证明了玻尔-索末菲模型搞不掂电离氢分子!

虽然结果不尽人意,但泡利同学的分析相当给力。

1921年10月,泡利顺利取得博士学位后,就去了哥廷根,给德国物理学家玻恩当助手。

马克斯·玻恩(Max Born),1882年生于布雷斯劳。他本来喜欢数学,后来在父亲古斯塔夫教授的建议下,选修了物理、化学、逻辑学、动物学等七七八八的东西,却爱上了天文学。不过,他还是数学最厉害。1906年,拿了哥廷根数学博士。后来,他去了剑桥,又移情物理。回到家乡后,他打算像汤姆逊老师那样,搞搞实验,教教学生,拿拿诺奖什么的,但很快,他悲哀地发现,自己根本不是这块料。因为搞实验,是一门技术活,而且是需要超强耐心的技术活。技术、耐心,这两样他一样都不占,咋办?改理论物理!

这个选择看似很搞笑,实则很靠谱。因为那时,玻恩博士已经是哥廷根数学系的讲师了。虽然是无薪讲师。不过,别忘了,哥廷根的天才们,能用强大的数学武器解决几乎所有问题。只要你提出问题,我就能用数学解答问题。所以,他们不厚道地炫技:“对物理学家来说,物理太难了!”因为物理怎么也离不开数学,而物理学家,可不是个个数学都好,比如法拉第、爱因斯坦等。哥根廷的学生尚且如此强悍,何况是讲师!

果然,玻恩小试牛刀,就尝到了新鲜牛肉——他用数学,悍然解决了一连串物理问题。比做实验爽多了!

但是,武器,永远只是武器,解决问题的能力固然重要,如果不能发现和理解物理问题,那就像找不到目标的猎手,手里的枪再高档,也是摆设!所以,数学家成为物理学家,也不容易。

好在玻恩颇有物理天赋。所以,他的选择还是比较伟光正的。后面,我们将细细领略他对物理的理解能力。

1914年,玻恩应邀任柏林大学理论物理学教授。这个职务,可不是闹着玩的,看看同事就知道了:普朗克、能斯特、爱因斯坦……老爱比玻恩来得早一点,哥俩都是音乐爱好者,很投缘,所以常在一起混,Happy物理、High音乐会等。后来,自从玻恩解读了那个神秘的ψ,他俩就开始吵架,那时玻恩早就离开柏林大学了,只能写信吵,牛人吵架也是成果——这些信后来结集成了一本书。

1919年,玻恩转战法兰克福大学。1921年杀回哥廷根,已经不是数学系无薪讲师了,而是响当当的理论物理学教授。

玻恩也在卯足了劲建设理论物理培训基地,暗暗跟索末菲较劲,培育出不少新人,人称“玻恩幼儿园”,哥廷根被建成国际理论物理研究中心。

泡利的到来,让玻恩很Happy,人才宝贵,天才无价啊!可是这个天才不太好控制。泡利的缺点和优点一样明显:他是个直筒子。直筒子很正常,但这位,是个反应异常敏锐、看问题异常尖刻的直筒子。这几个词凑在一起,如果你依然无感,那咱俩就看看,跟异常敏锐尖刻的直筒子在一起,会发生什么。

在开扒这些雷事之前,我们得先了解泡利的优点,不然,谁都受不了这厮的所作所为。

首先,泡利的实力不同凡响,说他是最聪明的物理学家,他的同行们谁都不会反对。有人认为,在物理王国,泡利是个征服者,而不是殖民者,他似乎只注重解决问题,而不在乎问题是谁解决的。所以,他大量的工作没有发表,包括一些相当牛的发现,他只是在信里提出一番见解就过去了,而懒得去搞出一个成型的成果去发表。具体事例,后文会提到两三个,那时,咱俩会像当时的物理学家一样,为之所倾倒。

其次,泡利的眼光也是顶尖的,物理学的任何新理论拿给他,他都能迅速给出一个明确的评价,这不算牛,牛的是,他的结论准确度相当高!并且,他有一眼就能发现错误的能力,这一点,当时的物理学家们都服气。

再次,对于科学,泡利是真正的一丝不苟。问题搞不清楚,绝对要打破沙锅问到底。他喜欢争论,轻易不肯服输,但是,一旦验证了某个结论是正确的,无论这个结论是自己还是辩论对手得出的,他都会如获至宝,立即把争论时的不快抛到九霄云外。他关注的,从来只是科学本身。

最后,泡利的自信和坦荡人所共知,圈里人习以为常。而这个优点,也是缺点的开始。

他说话从来不掖着藏着,语气也毫不客气。除了对索末菲恭顺一些外,其他人一律不在话下,包括对他心中的King——爱因斯坦。

作为二十世纪的“世纪伟人”,在大家心里,爱因斯坦简直就是神一般的存在。泡利拿到诺奖后,普林斯顿高级研究所为其开庆祝会,老爱发表演讲以示祝贺。泡利给玻恩写信回忆道:“那情景,就像是物理学的王传位于他的继承者。”这句话至少包括两个内容:老爱是物理学之王;泡利自信自己就是继承者了。可见,老爱在物理学中的地位,在泡利看来,是至高无上的。饶是如此,泡利对老爱也没客气过。一次,老爱演讲。时年20岁的泡利赶去,坐在最后一排听讲。讲到半路,泡利杀出来,提了一连串问题,火力十分凶猛,老爱险些招架不住。据传,老爱一朝被蛇咬,十年怕后排,打那以后,以后每次演讲时,目光都要扫过最后一排,生怕再蹦出那个毛小子来。

该来的总会来,在一次国际会议上,老爱做完报告,泡利又站了起来,这次没提问,不过评论让老爱哭笑不得:“我觉得爱因斯坦不那么蠢。”这在泡利来说,就是至少四星的好评了。

如果看了谁的论文,泡利给出一句:“哦,这竟然没什么错。”这就是五星级好评了!得到这个评语的人通常会欣喜若狂。

有这个幸运的人不是太多。由于新理论并不总是对的,所以,同仁们给泡利展示成果时,经常得到的是恶评。

一次,意大利物理学家塞格雷(Emilio Gino Segrè)做完报告,泡利当面点评:“我从来没听过这么烂的报告。”塞格雷顿时抑郁了。瑞士物理化学家布瑞斯彻(这个英文名没查到,哪位知道?)在旁窃笑,不料,泡利转头冲他道:“你上次在苏黎世的那个报告除外。”这下轮到塞格雷Happy了。

才华横溢、放荡不羁的费曼(Richard Feynman)对别人的看法,总是摆出一副“你爱怎么说就怎么说”的姿态,可是,当别人提起泡利对当代物理学家的评判时,费曼却迫不及待地想知道,泡利是怎么评判他的。泡利的评判是:“费曼那家伙,讲起话来像是混社团的。”费曼听了,哈哈大笑。至少,泡利的点评名单里有他。费曼的泡利恐惧症不是凭空来的他在自传《爱开玩笑的物理学家》中讲过一件事:费曼和老师惠勒(John Archibald Wheeler)合作关于“量子电动力学的推迟势”问题,恰逢一个国际会议,二人决定把研究成果拿到会上宣读,费曼讲上半部分,惠勒讲下半部分。中场休息时,泡利降临,和费曼打了个招呼,费曼顿时很紧张。当费曼谈到上述成果和分工时。泡利想了想,露出诡异的微笑,冲费曼耳语道:“惠勒永远做不出那个那部分报告的。”果然,惠勒没做那部分报告,并且以后也没有,因为那是错的。费曼被这个神预测震得目瞪口呆。

当然,泡利的毒舌也不全体现在工作上。一次,泡利想去某地,却不知怎么走,一位被他骂过的同事热心地画了张图给他。回来后,那位同事问泡利,此行是否顺利。泡利赞曰:“不谈物理时,你思路还蛮清晰的。”

在物理学上,泡利是个完美主义者,容不得一点瑕疵,他发现问题又快又准,评论绝不留情,被称为“物理学的良心”、“上帝的鞭子”。大家对他的毒舌司空见惯。后来甚至发展到,谁得到泡利的点评,哪怕是虐评,也可以是拿出来炫耀的资本。

这帮变态的家伙还编出一个笑话:说泡利死后去见上帝,上帝拿出自己的宇宙设计方案给泡利看。泡利看了挠挠头,评曰:“居然找不到什么错。”上帝刚松口气,不料泡利又耸耸肩:“你本来可以做得更好些……”

不论泡利怎么刻薄,在同代同行眼里,他也是那个璀璨的物理夜空中最耀眼的巨星之一。以至于在他去世N久以后,每当物理又有新理论时,大家还常常设想:“如果泡利还在,不知有何高见?”

按照性格,泡利的名字应该译作“炮利”。不过,这厮并不总是在放炮,偶尔也会安慰人。一位同事写了篇论文,被泡利发现一个错误后骂了一顿。但论文已发表,没法改了。该同事追悔莫及。泡利良心发现,温柔地安慰道:“我其实并不在意你思维迟钝,我只是反对你发表文章的速度比你思考的速度还快。” 同事听了痛不欲生。泡利一看,疗效不好,于是恳切地补充道:“没关系,不可能谁都像我一样,论文写得滴水不漏。”神呐!

泡利的学生说,他们可以问泡利任何问题,而不必担心太愚蠢,反正在泡利眼里,任何问题都是愚蠢的。

泡利的毒舌让朋友和同事饱受暴虐,却毫无办法,因为事后证明,他总是对的。所以,大伙就盼着能看到泡利出糗,也好让饱受欺凌的劳苦大众扬眉吐气一次。

最正常的期待是,出现一个超级天才,跟泡利PK一下,看看泡利表现如何。在那个天才辈出时代,你还真别盼什么,因为什么都可能发生。这样的天才还真出现了——朗道(Lev Davidovich Landau)。简单介绍下,朗道是前苏联人,此人比泡利晚生8年,天资卓绝,4岁就被誉为神童,被称为世界最后一名全能物理学家,他所做的十项物理贡献被称为“朗道十诫”。朗道命运多舛,1938年差点被斯大林整死,秀才遇到匪,咋整都后悔,多亏恩师玻尔多方周旋、师兄卡皮查以命担保,总算捡回一条命。但1962年的一场车祸剥夺了他的工作能力。可惜了。话说朗道也是极其狂傲自负之人,并且,圈里人都承认他有这个资本。一次,朗道去苏黎世演讲,而泡利正好在苏黎世联邦工业大学任理论物理学教授。圈里人立即兴奋了:当朗道遭遇泡利,会擦出神马火花呢?所有人都认为,这回有戏看了。

事情的发展,却让殷切期待的围观群众大跌眼镜。也许是到了人家的地盘,知道泡利这条地头蛇不好惹吧,一向狂傲的朗道破天荒地摇身一变,作谦谦君子状,讲完后,居然谦称自己所讲的可能是错的。泡利很能尽地主之谊,立即安慰道:“噢,绝不可能。因为你讲得乱糟糟,根本闹不清对错。”

面对这个出人意料的结果,那些唯恐天下不乱的家伙很不甘心。不过,他们还是有幸见到了泡利俯首帖耳的窘态,在索末菲老师出现的时候。

不论何时,哪怕是泡利名满天下、声望极高以后,只要索老师走进泡利的屋子,泡利就会立即站起来,甚至鞠躬行礼。说话也极为恭顺:“是的,枢密顾问先生……是的,那是最有趣的……我可以这样说吗?”这哪是雄狮般的泡利?活脱脱一只温顺的小羊羔!所以,索末菲老师到苏黎世,就是泡利同事、学生们的节日,因为他们能免费欣赏一场绝世魔术:一头飞扬跋扈、横行霸道的犀牛,瞬间变成一只柔顺乖巧、五讲四美三热爱的小乖猫。这次第,怎一个爽字了得!

顺便八卦下,索末菲本人注重德国式的传统礼节,也喜欢他的学生遵守这种礼节。不止是泡利,索老师的所有学生,在他面前无不毕恭毕敬。枢密顾问,是德国对成就卓著的教授的一种荣誉尊称。索末菲当得起这个称号。在他的学生之中,有6人获得过诺贝尔奖,几十人成为一流教授。索末菲一生斩获无数荣誉,独缺诺贝尔奖。不过,他保持了一项别致的纪录:被提名诺奖次数最多的物理学家,他曾被81次提名诺奖。

回到泡利。这家伙不光是毒舌,他生活习惯也不太好,喜欢喝酒泡吧,还酷爱舞蹈艺术。第二次索尔维会议,泡利没去参加,仅寄去一篇论文了事,为毛这么忙呢?居然是为了赶去参加一个舞蹈比赛!难以想象,一个大眼暴突、身材敦实的物理学家飙起舞来,评委会不会集体疯掉。

除了酒文化、舞蹈艺术和夜店体验,泡利还喜欢晚上工作和思考,属夜猫子型。他晚上睡觉时通常已经是早晨了,而早晨起床时一般已经是下午了。这也算正常。但是,作为助教,他完全不顾及教授早出晚归的正规作息时间。玻恩有事不能讲课时,他只能差人提供叫醒服务,才能让泡利及时赶去代课。

如此自由的空间,泡利还是受不了,因为哥廷根作为大学,够大,但作为小城,太小,不够High。于是经常开溜。

对这些,玻恩特淡定地表示理解:“他受不了小城生活。”

玻恩还给老爱写信炫耀:“泡利现在是我的助手。他极聪明,特能干。”

实际上,无论是作为物理学家来说,还是作为导师来说,玻恩一点也不比索末菲差,手下也是英才辈出。玻恩在自传中谈到学生们的天赋,最聪明的学生居然不是泡利,而是中国的黄昆。黄昆最牛的贡献是在玻恩手下做出的。50年代,黄昆回国。他后来的成就,与师兄弟们相比,算是比较低的。跟泡利就更没法比了。

玻恩爱极了泡利,对泡利的评价也是一点没错。但是,泡利和玻恩在工作上不怎么合手。算起来,还是数学惹的祸。

玻恩是个数学控,他大概有个理想:在物理学家里数学最好,而在数学家里物理学最好。但我们知道,这个目标永远也实现不了,因为有麦克斯韦、阿基米德和牛顿。尤其是牛爷,在物理学家里物理最好,而在数学家里数学最好。无论如何,神也阻挡不了玻恩对数学的依赖,不管遇到啥问题,玻恩总是物理未动、数学先行,以数学主导物理研究。

泡利虽然数学也不赖,但他更重视对物理的理解,喜欢靠自己的直觉认识,寻找逻辑完美的论据,然后再动用数学。

别看只是先后顺序的差别,但合作起来,可就不是小问题了。就像生活习惯完全相反的两口子,一个必须上了床再脱,一个非要脱了再上床,别扭大了。

1922年4月,泡利跑到汉堡大学当助教。玻恩黯然神伤,却无力挽留。他承认,自己从这个小毛孩身上学到的东西,比泡利从自己身上学到的还多。

1922年6月,玻恩邀请玻尔来哥廷根讲学。泡利赶回哥廷根,欢度“玻尔节”。玻尔的理论让泡利耳目一新,泡利也很快适应了量子论。泡利的才华与做派,是在哪都特显眼的那种,所以,玻尔很快就注意到这家伙。空荡荡的研究所,是玻尔心中的痛,这种天才不赶紧笼络过来,更待何时?!于是赤裸裸地挖起汉堡大学的墙角,邀请泡利去哥本哈根当助教。泡利刚刚被玻尔的理论吸引,加上玻尔独特的魅力、优越的研究场所、丰沛的研究资金、朝阳般的研究领域,这对任何一个科学家来讲,都是不可抗拒的。泡利答应了,他信心爆棚地说:“物理不是问题,丹麦语可能费点劲。”

1922年秋,泡利如约而至。他惊奇地发现,这下弄拧了,他很快就学会了丹麦语,但物理出了问题。因为玻尔给他出了个难题:反常塞曼效应。

前面说过,这个问题把凡是涉足其中的物理大牛都折磨够呛,比方说洛伦兹、玻尔、索末菲等,都束手无策。现在,哄来个顶缸的,玻尔甭提多高兴了,把这个烂摊子往泡利手里一撂,欢天喜地地挖别的墙角去了。

对于原子、电子这些莫名其妙的东西,泡利手里只有刚刚学来的玻尔-索末菲理论。他很快就把这些理论玩儿得溜溜转,可以搞定很多问题,但也有很多问题搞不定,拿反常塞曼效应更是无可奈何。这很正常,要是拿现有的理论能搞定,玻尔和索末菲早就拿下了,还会搬来你这个大神?

对这些,泡利当然门儿清。所以,担子虽重,但他咬牙扛了起来,NND,舍我其谁?!

咬牙扛重担的滋味并不好受,所以,趾高气扬的泡利在相当一段时间里,总是一副焦头烂额的样子。玻尔建议,用原子核的有限角动量试试,被泡利否决。

一天,泡利溜达到玻尔家里。玻尔太太热情地问候:“你好泡利。”

“我当然不好!我不能理解反常塞曼效应!”泡利暴躁地抱怨道。

“要不……我煮碗面给你吃?”隔壁张姨婆探头怯怯地道。

转眼就是一年。反常塞曼效应依旧反常,泡利与玻尔研究所的合同却很正常地到期了。他只好在1923年9月扛着这副担子回到汉堡。好在汉堡离哥本哈根不远。

在这一年里,泡利和玻尔相处得很和谐。

和爱因斯坦的独行侠风格不同,玻尔更喜欢集团作战。他幽默、外向、合群,是那种“在生活、思想上都迫切需要和别人在一起”的人。这样的人,如果有较强的能力,那就是天生的领袖。而玻尔,恰好具有这个能力。他继承和发扬了恩师卢瑟福的伟大导师品质,魅力倍增。并且,他亦师亦友、思想开放,善于发掘人的潜力,“栽下梧桐树,引得凤凰来”,把研究所的软硬环境搞得像家一样自在和温暖。所以,泡利离开后,也不忘常回家看看。

我们知道,那些奇奇怪怪的原子光谱,其实是电子跳来跳去扔出来的能量。所以,要搞定该死的反常塞曼效应,你就必须先搞清楚电子的情况。

现在,泡利摆弄着几份众所周知的电子生活隐私:

1.喜欢低楼层。先到先得(能量最低原理)。

2.不同楼层房间数不一样。规律是:2n^2。n就是楼层。特好算:1、2、3……楼房间数分别是2、8、18……这是1914年,瑞典物理学家里德伯(Johannes Robert Rydberg)搞到一个经验公式。

3.现有3种量子数可以确定电子的状态:主量子数n、角量子数k、磁量子数m。我们很熟悉,它们分别代表电子轨道的大小、形状、方向。这些量子数,构成了一个丰满的3D原子。

问题是:电子喜欢低能低耗,为啥不都住到一楼,凭什么有的电子顶着压力住高层,它们究竟有着怎样的难言之隐?每层的房间数凭啥限制这么死,到底是政策的不公还是利益的角力?

现在看来,手里掌握的这些隐私,还不足以扒出反常塞曼效应的秘密。线索!我需要线索!泡利在浩如烟海的实验数据、论文中苦苦寻觅。

说来也巧,一天,泡利读索末菲写的新教科书《原子结构和谱线》,要说他对老师的敬重,那真是有如滔滔江水连绵不绝,他连序言都看了,而序言里,刚好提到一篇文章,好像跟他要找的那个线索有点关系。而这篇文章的出处,就在他刚刚看过的一本《自然科学》杂志里,当时他没注意这篇文章。泡利一秒没耽误,立即跑到图书馆,找到这本杂志。

这是剑桥大学研究生斯托纳(Edmund Stoner)1924年10月发表的论文:《原子能级中的电子分布》。还记得前面说过“每个楼层都有亚层”吧?斯托纳给出一个经验公式,亚层房间数是2(2k 1)。

每个楼层房间数最多是2n^2。为啥n的平方还非得乘以2 ?

每个亚层房间数最多是2(2k 1)。为啥要 1 ? 表示顶楼上?

敏锐的泡利断定,这是因为还有第4个量子数!

这个量子数有两个值,与其他量子数相互影响,贡献出多一倍的量子数,所以,从整层楼来看,n^2还得乘以2;从亚层来看,2k还得 1。

这样一算,不管是什么原子,没有两个电子的4个量子数是完全相同的!也就是说,在一个原子里,任意拿出两个电子,它们的4个量子数,至少有1个是不一样的。

是这样吗?泡利综合大量的数据,运筹帷幄,埋头苦算,有多少数据够泡利玩儿命干的呢?比当年开普勒推算行星运动定律的数据还要多得多,泡利运用的是现代数学手段,难度超高超变态,令人叹为观止。此处略去5万字。

哦~!原来,一山不能容二虎,除非一公和一母,在同一个原子里,电子不能容忍有另外一个自己!

自然界又一个伟大的基本规律诞生了:一个原子里,不能容纳运动状态完全相同的电子!

这个简洁的规律,完美解释了为什么电子不能一拥而上,都挤到最低能级,都到这儿来,那几个量子数不够区分它们。所以,为了让每个电子的运动状态有区别,它们只能占据不同的楼层、不同的房间。所以,原子才会拥有一定的体积。所以,原子结构基本保持稳定,物质一般不会坍缩……

根据计算,第4个量子数只能有两个值,泡利管它叫“二值性”。有了这第4个量子数,反常塞曼效应里的那些复杂分裂,也就很正常了。这么多问题,被泡利一招搞定。这个发现,叫做“泡利不相容原理”。它把玻尔模型抬举到辉煌的顶点。

1925年,泡利发布了这个光辉成果。物理界一片吐血声。为什么不是喝彩声呢?因为大家感到,这个不相容原理,比它的发现者本人还要霸道蛮横。电子凭什么不能容忍另外一个自己啊?那个神秘兮兮的“二值性”是个神马东西?上帝啊!快给我一面墙,我要撞死它!

其实,让物理学家们想撞墙的,不仅是泡利毒舌、泡利不相容原理,还有无比搞恶的“泡利效应”。跟反常塞曼效应相比,泡利效应更反常。因为这个效应是泡利本人引起的。它是物理界无人不知的效应,却不是物理效应。所以,我们就当饭后八卦,开心一下。

话说当年,有几个理论物理学家的实验水平之烂举世公认:海森堡、杨振宁、泡利……海森堡还好,仅仅是自己实验水平烂而已。而杨振宁和泡利的实验水平是“负”的,不仅自己实验水平烂,还对实验有害!Where is yang,where is bang(哪儿有杨振宁,哪儿就有爆炸)这句警世恒言让杨振宁名声更噪。但是,有实验破坏神泡利在,杨振宁简直就是实验之友了。

可能是为了平衡,上帝给了泡利极灵的头脑,却给了他极笨的手脚,你让他搞实验,准砸。这种症状,就该离实验室远点,安心搞理论去。但是,这货偏偏好奇心极强,看到啥新鲜玩意儿都要摆弄下。不幸的是,实验室里净是些新鲜玩意儿。更不幸的是,这些玩意儿往往又精密又娇贵。于是,泡利所到之处,故障频发。善于总结经验的各大实验室望风披靡,纷纷把泡利列入黑名单。

但是,百密一疏,防不胜防。一次,泡利在某车站停半个小时,很无聊,恰好附近有个实验室,就决定:临时性参观。实验室领导眼见大名鼎鼎的泡利驾到,来不及“整理”实验室,又不好阻止,只好无比蛋疼地看着泡利各种鼓捣。幸好时间很快就到了,泡利及时赶回车厢。不过,实验室已经是硝烟弥漫了。

泡利动手搞砸实验,倒也罢了,可怕的是,这厮不用动手,也能搞砸实验,活脱脱一个实验瘟神,令各实验室闻风丧胆。

一次,实验物理学家弗兰克(J.Frank)在哥廷根的实验室出现了一次事故。这次,没人发现泡利出没。于是弗兰克告诉泡利,这回不赖你。泡利很诚实地回忆说,那天,他从苏黎世坐车去哥本哈根,路过哥廷根时,车停了一会儿。那个时间正好是事发当时!天呐,居然有超距作用,还让不让人活了?!

传言,某年某月的某一天,意大利的某实验室故障频发,实验人员实在找不到原因,就打听泡利的行踪,得知泡利刚好乘火车经过此地后,毫不犹豫地在记录本上写下:事故原因,泡利路过。

但是泡利不信邪。一次,这家伙路过一个天文台。他想,到这里走两步,总没啥问题吧?说进就进!刚进门走两步,一块铁板就很给面子地掉了下来,泡利吓得赶紧逃跑。

如此功力,谁不生惧?所以,另一个天才费米(Enrica Fermi)在做实验时,是绝对不敢放泡利进实验室的。有问题请教泡利,只敢隔着门问。你知道,费米搞核物理的,炸不起啊!

泡利效应名头越来越响,其波及范围也越来越广。话说某次学术会议,台上的人讲出一个让泡利十分不爽的理论,泡利便上台抨击之。讲演者乖乖回到台下听讲。重点是,泡利讲到激动处,突然手持粉笔向演讲者凌空一指,吓得演讲者往后一仰,居然把屁股下的椅子弄垮了。坐在那人身后的捣蛋鬼伽莫夫(George Gamow 俄裔美籍核物理学家、宇宙学家、科普大牛)跳起来喊道:“泡利效应!”

你以为这只是巧合吗?对,它就是巧合,还有更巧的。一次,泡利赴会稍晚,见两位体面的女士中间有个空座,便一屁股坐了下去,你猜怎么着?两位女士的椅子双双垮掉!

真是没有女人缘啊!泡利在物理上所向披靡,但在情场上却是弱势群体。结婚一年的老婆,居然被一个名不见经传的化学家抢跑了。

泡利很受伤,就去找荣格(Carl G. Jung 瑞士心理学家,分析心理学的创立者)帮忙。经过梦境分析,结果很狗血:原因是泡利的理性思维太过强悍,忽略了情感交流,性欲严重压抑。于是,泡利以科学的态度配合荣格,进行梦境分析、心理疏导。

荣格惊奇地发现,这位病人很快就能和自己一起进行精神分析了,还在不知不觉之间,教会了自己很多物理学知识!

即使在跟心理学家交流,泡利也坚持吹毛求疵的原则,给荣格带来不少压力,竟然迫使荣格完善了他的心理学理论。后来,这两位居然还合作出了一本书!荣格后来提出了“共时性”,用来解释机缘巧合类的事件,引起很大的争议。不过,用来解释泡利效应足够了。

泡利效应更为传奇之处,在于它“损人利己”——破坏别人的实验,但可以保护自己。泡利的两个助手派尔斯(R.Peierls)、韦斯科夫(V.Weisskopf),都在各自的自传里提到这件事:一次,泡利要去参加一个会议。与会的物理学家们决定跟泡利开个玩笑,在门上安了个触发开关,只要泡利一推门,就会发出爆炸声。反复测试、确认无误后,大家兴奋地等着看戏。泡利果然推门而入,却看到大家惊奇的眼神,这个触发开关竟然卡壳了!泡利效应又一次破坏了实验装置,成功“拯救”了自己!

这下,泡利更牛了,他还把“损人利己”作为依据,来判断事故是不是泡利效应引起的。1956年,泡利夫妇与助手恩兹(C.P.Enzo)夫妇在意大利共乘出租车,路过一个小山坡时抛了锚,恩兹说这是泡利效应。但泡利不承认,因为这次故障给自己带来了不便,不符合损人利己的特征。

泡利效应是一些巧合 传说杂拌而成的逸闻,是物理学家们拿泡利解闷的一个打趣话题,从中也可以读出大家对泡利的一种特殊感情。

泡利搞出不相容原理后,他收到一张明信片:恭喜你,把量子论的“骗局”发展到了新高度。

有没有普通物理通俗讲解(任何人都可以理解的物理科普第六部分)(3)

量子论

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