年青时我以为自己是一个革命者。当伟大的问题到来时，我将是解决并书写它们的人。伟大的问题来了又去了，他人解决并书写了它们。我其实只是一个古典主义者，而不是革命者。
——泡利
撰文|张天蓉
在量子热学诞生的那一年，沃尔夫冈·泡利（Pauli，1900年-1958年）也在英国的维也纳呱呱坠落。二十多年后泡利，他成为量子热学的先驱者之一，是一个颇富特色的理论化学学家。
天才的上帝皮鞭
泡利的教父，是被鼎鼎有名的被爱因斯坦称呼为老师的马赫。在中学结业时，年青的泡利就表现出过人的聪明，发表了他的第一篇科学论文。后来，泡利刚进学院便直接投奔到索末菲门下，以学生的身分成了赫尔辛基学院年纪最小的研究生。泡利在21岁的时侯为日本的《数学科学百科全书》写了一篇237页纸的有关狭义和广义相对论的文章，除了令索末菲对他刮目相看，也得到爱因斯坦的高度称赞和好评。爱氏曰：“该文出自21岁青年之手，专家皆难信也！其深刻理解力、推算之能力、物理洞察力、问题表述之明确、系统处理之完整、语言掌握之确切，无人不钦羡也！”
其实如泡利这些天才，更适宜做一个严格的衡量者。泡利善挑毛病，在化学学界以犀利和挖苦的评论而闻名，丝毫不给人留面子。但有意思的是，对发觉了他的天赋的第一个老总索末菲，泡利始终保持着毕恭毕敬的心态。
听说泡利自己讲过他中学生时代的一个故事。有一次在柏林学院听高手爱因斯坦讲相对论的报告，报告完毕，几个资深院士都暂时沉默不言，其实正在相互猜想：谁应当提出第一个问题呢？忽然，只见一个年青学子站了上去说：“我认为，爱因斯坦院士明天所讲的东西还不算太荒谬！”这愣头愣脑的姑娘就是泡利。
泡利的措辞犀利、思想敏锐，对学术问题慎重，习惯于挑剔，且颇具一种发觉错误的能力。因而，玻尔将他誉为“物理学的良知”，同行们以“可怕的泡利”“上帝的皮鞭”“泡利效应”等爱称和嘲讽来表明对他的崇敬之心。泡利有一句广为留传的评论之言：“这连错误都谈不上！”此话足见其风格，被同学们传为笑谈。
非常有趣的是，听说每次爱因斯坦在讲演前，会自然地向听众席上观看：“鞭子”是否在场？还有这位堪称傲慢的朗道，作报告时假如有泡利在场，心态便乖巧如山羊。一次，朗道讲演完毕后，发觉泡利在，便破天荒地敬称自己所讲的东西其实并非完全是错的，泡利则开导他说：“噢，绝对不是完全错，由于你讲的东西乱作一团，我们根本弄不清什么是对的，什么是错的。”
然而，泡利并不完全是个傲慢自负、目中无人的家伙。他心目中，有三个半他所敬仰的化学学家。前三个按名次排队应当是：索末菲、玻尔、爱因斯坦；还有半个崇敬者的荣耀，则赠予了好同学海森堡。
当时的数学学界非常注重泡利对每一个新成果、新思想的尖锐评价。不仅仅是当时，虽然在泡利死后许久，当化学学界又有新的进展时，人们就会说：“如果泡利还活着的话，对此会有哪些高见呢？”
虽然泡利对学术问题批评挖苦，但他的中学生们依然能觉得出泡利亲切和平易近人的一面，非常是，泡利对自己也一样地挑剔，毫不留情！还有值得赞赏的一点是：中学生们在泡利面前不担心问任何问题，也毋须害怕变得愚昧，由于对泡利而言，所有的问题都是荒谬的。
对于泡利的轻蔑，同行中留传的笑话好多，其中有一个说的是他连上帝也不放过！人们说，假若泡利死后去见上帝，上帝把自己对世界的设计方案给他看，泡利看完后会耸耸肩，说道：“你原本可以做得更好些……”当然，其中好多故事只是传说或称八卦，博你们一笑。
泡利不相容原理
1925年，25岁的泡利，为了解释反常塞曼效应，提出了“泡利不相容原理”，这是原子化学的最基本原理，也是量子热学的重要基础。
塞曼效应指的是在外磁场的作用下，原子波谱线由1条分裂成3条的现象。这一效应由德国化学学家塞曼于1896年发觉。同是德国化学学家的洛伦兹，用精典电磁理论解释了这些现象。他觉得，基态发生分裂是因为电子的轨道磁矩方向在磁场作用下发生改变，促使每条谱线分裂成间隔相等的3条谱线。塞曼和洛伦兹由于这一发觉共同获得了1902年的诺贝尔化学学奖。
尽管塞曼效应虽然有所解释，但在1897年，好多实验中观察到波谱线并非总是分裂成3条，有时是4条、5条、6条、9条……间隔也不相同，虽然复杂而无规则。人们把这些现象称作为反常塞曼效应。原先用以解释正常塞曼效应的机制对反常塞曼效应完全无能为力。这个问题困扰着数学界，也困扰着阿姆斯特丹学派的掌门人玻尔。刚好这时侯泡利申请到玻尔研究所工作，玻尔便把这个困局交给了他。
泡利给人挑毛病堪称淋漓尽致、十分畅快，评论文章也能滔滔不绝泡利，口若悬河。这下可好了，自己遇到了困局。反常塞曼效应是如何回事啊？想来想去总感觉非常棘手，一筹莫展。当初塞曼在他的诺奖讲演中以前谈到了无法理解的反常塞曼效应，声称他和洛伦兹受到了“意外袭击”。那时候的泡利还是个两岁的娃娃，没想到过了20年后，这个困局一直是困局，还“意外袭击”到了泡利。
为此，那段时间，人们见泡利时常漫无目标地徘徊于赫尔辛基的大道小巷，眼眉紧闭、怏怏不乐。那是1922年到1923年，泡利凭直觉明白，现有的旧量子论不能彻底解决反常塞曼效应的问题。但是，量子的新理论才刚才开始在敲击着海森堡、薛定谔等人的脖子！泡利其实是天才，但他擅长的是与中学生讨论、与朋友交流，在与人互动中贡献他的才气，他不是那个喜欢自己写文章开拓新天地的人，这就正是他徜徉街头闷闷不乐的诱因。
泡利自己后来在一篇追忆文章中描述过当初的心情，大意是说，当你被反常塞曼效应这些困局纠缠的时侯，你能开心得上去吗？
虽然暂时没有新理论，泡利显然算是当初化学界的革命右派。20出头的年青人，思想前卫，总能想出一些怪引来。面对从反常塞曼效应得到的一大堆波谱实验数据，泡利决定首先从这种经验数据中摸索规律。
有一些外磁场十分强悍时得到的实验数据对泡利有所帮助。那是1912年和1913年分别被帕邢和巴克独立发觉的帕邢-巴克效应（-）。在这种实验中，当外磁场很强时，谱线又恢复到了3条。也就是说，强磁场破坏了导致反常塞曼效应的“某种诱因”，致使反常塞曼效应回到了正常的塞曼效应。
正常塞曼效应的缘由是轨道磁矩量子化，这么，这“某种诱因”又是哪些呢？一定也是与磁效应有关的。于是，在1924年，泡利方式化地引入了一个他称之为“双值性”的量子自由度，即最内层电子的一个额外量子数，可以取两个数值中的一个。这样一来，虽然可以方式地解决反常塞曼效应问题。
据悉，泡利最后判定反常塞曼效应的谱线分裂只与原子最内层的价电子有关。从原子谱线分裂的规律，应当可以找出原子中电子的运动形式。于是，泡利引入了4个量子数来描述电子的行为。它们分别是：主量子数n、角量子数l、总角量子数j、总磁量子数mj。这种量子数稍为不同于今人所习惯使用的量子数！它们的取值相互有关，例如说，角量子数给定为l时，弱冠量子数j可以等于l加（减）1/2。在磁场中，这种量子数的不同取值促使电子的状态得到不同的附加能量，从而促使原先磁场为0时的谱线分裂成多条谱线。
1924年左右，一位美国理论化学学家埃德蒙·斯托纳（）研究了原子基态分层结构中最多可能容纳的电子数，最早给出电子数量与角量子数的关系。他的文章启发了泡利的思路。1925年，泡利在如上所述的4个量子数基础上，得到不相容原理，以限令的方式表示如下：
电子在原子中的状态由四个量子数（n、l、j、mj）决定。在外磁场里，处于不同量子态的电子具有不同的能量。假如有一个电子的四个量子早已有明晰的数值，则意味着这四个量子数所决定的状态已被占有，一个原子中，不可能有两个或多个电子处于同样的状态。
泡利不相容原理看上去并不是哪些大不了的理论，实在来说只是一个总结实验资料得出的假说，但它是从精典迈向量子公路上富有革命性的一步。这个原理高深的革命意义有两点：一是与全同粒子概念相关（全同粒子有两种：费米子和玻骰子，泡利不相容原理描述的是费米子行为），二是与载流子的概念紧密联系。并且全同粒子和载流子，都是量子化学中特有的现象，没有相应的精典对应物。这个原理的深层意义，虽然是当时的泡利也认识不到，由于在精典热学中，并没有这些奇怪的费米子行为，也没有作为粒子内禀属性的载流子。
泡利和载流子
泡利提出的不相容原理，与载流子的概念只有一步之遥，但颇为奇怪的是，他除了自己没有跨越这一步，还抵挡了别的同行（克罗尼格）提出“自旋”。
从泡利引入的四个量子数的取值规律来看，载流子的概念早已到了呼之欲出的地步，由于从四个量子数得到的谱线数量恰好是原先理论预测数的两倍。这两倍从何而至？或则说，应当怎样解释刚刚我们说过的“总角量子数j等于l加（减）1/2”的问题？这个额外1/2的角量子数是哪些？
克罗尼格生于美国，后来到日本伦敦波兰学院读博士。他当时对泡利的研究课题形成了兴趣。具体来说，克罗尼格对我们在上一段提出的问题企图给出答案。克罗尼格想，玻尔的原子模型类似于太阳系的行星：行星不仅公转之外还有自转。假如原子模型中的角量子数l描述的是电子绕核转动的轨道角动量的话，那种额外加在角量子数上的1/2是否就描述了电子的“自转”呢？
克罗尼格迫不及待地将他的电子载流子的看法告诉泡利，泡利却冷冷地说：“这确实很聪明，而且和现实毫无关系。”克罗尼格深受泡利这么强烈的反对，就舍弃了自己的看法，也未写成论文发表。
但是，仅仅半年以后，另外两个年青化学学家乌伦贝克（E.）和高斯密特（.A.）提出了同样的看法，并在导师埃伦费斯特支持下发表了文章。她们的文章得到了玻尔和爱因斯坦等人的好评。
这令克罗尼格因丧失了首先发觉载流子的机会而颇感沮丧。不过，克罗尼格认识到，泡利只是由于接受不了电子自转的精典图象而批评他，并非故意欺瞒，因而后来仍然和泡利维持良好的关系。胸襟厚实的克罗尼格活到91岁高龄，于1995年逝世。
泡利当时觉得，载流子难以用精典热学的自转图象来解释，由于自转造成的超光速将违背狭义相对论。有人把电子的载流子解释为因带电体自转而产生的磁偶极子，这些解释也很难令人信服。由于实际上，不仅电子外，一些不带电的粒子也具有载流子，例如，中子不带电荷，并且也和电子一样，载流子量子数为1/2。泡利对载流子的疑问之处，如今也依然存在，不过一言以蔽之：内禀属性！
泡利其实反对将载流子理解为“自转”，但仍然都在努力思索载流子的物理模型。他开创性地使用了三个不对易的泡利矩阵作为载流子算子的群叙述，而且引入了一个二元旋量波函数来表示电子两种不同的载流子态。
泡利随即用泡利矩阵和二份量波函数完成了电子载流子的物理描述，使之不再是一个假说。但是这对于泡利来说，又意味着更大的遗憾，由于狄拉克因而遭到启发，完成了量子热学基本多项式之狄拉克多项式。不过，其实泡利不遗憾，泡利就是泡利！
事实也是这么，载流子的确有它的神秘之处，无论从数学意义、数学模型、实际应用上而言，都还有许多的谜团等待我们去研究、去出炉。
在电子载流子的数学意义上，可探究的问题好多：这个内禀角动量究竟是哪些意思？载流子到底是如何产生的？为何费米子会遵守泡利不相容原理？为何载流子是整数还是半整数决定了微观粒子的统计行为？
据悉，载流子在实际应用上也神通广大，它解释了元素周期律的产生，波谱的精细结构，光子的偏振光性，量子信息的纠缠等等。
泡利的遗憾
泡利过分聪明和自负，又不在意学术上的桂冠和声誉，因而错过了不少“首次发觉”的机会，昨天所说的“自旋和全同粒子”即是一例。
听说泡利在海森堡之前提出了测不准原理，狄拉克也承认泊松括弧量子化最早是由泡利强调的。
杨振宁在1954年2月，应邀到耶鲁研究院作杨-米尔斯规范场论的报告时，泡利提出了一个尖锐的“质量”问题，使杨振宁无法回答。但这也说明泡利当时早已思索过推广规范场到强弱互相作用的问题，而且意识到了规范理论中有一个不这么容易解决的质量难点。
后来，晚年的泡利又接到了青年化学学家杨振宁和李政道的论文，就是那篇知名的《宇称在弱互相作用中守恒吗？》。年老的泡利仍然锋芒不减，在给同学的信中写道：“我不相信上帝是一个弱左撇子，我打算押很高的赌注，赌这些实验将会显示……对称的角分布……”“对称的角分布”指的就是宇称守恒，言下之意，泡利觉得年青人的看法根本就不值一提。
特别辛运的是没有人参与泡利的赌约，否则泡利就要破产了。由于在泡利押赌的七天之前，被泡利称为“无论作为实验化学学家，还是聪敏而美丽的年青中国男士”的吴健雄博士，就早已发出了证明“宇称不守恒”实验的论文，泡利并不知情。泡利此次没有损失金钱，只是损失了一点名誉。
听说弱互相作用下宇称不守恒本身就也是肇始于泡利，由于泡利第一个预言了中微子的存在。其实中微子由费米命名，但确实是泡利在研究β衰变时提出的假想粒子。中微子是弱互相作用的重要粒子，其状态和互相作用会造成弱互相作用的宇称不守恒，假如泡利当时就此深入研究下去，那么他在弱互相作用中的宇称不守恒研究中也会起到重要的作用。泡利又一次咽下了苦酒。
1945年，诺贝尔化学奖总算颁授给了泡利。对于泡利来说，等待的时间太长了，二六年前他就应当得到诺贝尔奖了，在他之前，他的同事甚至长辈纷纷获得了诺贝尔奖。
为了欢庆这个迟来的诺贝尔奖，耶鲁高等研究院为泡利开了欢庆会，爱因斯坦专门在欢庆会上讲演祝词。泡利后来寄信给玻恩追忆这一段，说：“我永远也不会忘掉1945年当我获得诺贝尔奖以后，他（爱因斯坦）在耶鲁所作的有关我的讲话。那就像一位国王在退位时将我选为了如长子般的承继人。”
泡利和爱因斯坦
聪明过头的人常常不快乐。年青的泡利在经受了父亲自尽和结婚风波的严打后，患上了严重的神经紊乱症，因此不得不求救于当时也在慕尼黑而且住得离他不远的心理大夫卡尔·荣格。
荣格是弗洛伊德的中学生，知名心理学家，剖析心理学创始人。从那时侯开始，荣格记录和研究了泡利的400多个“原型梦”，这种梦境伴随着泡利的数学研究梦。荣格二十多年如一日，研究仍然持续到泡利去世为止。泡利也和荣格讨论心理学、物理学、和宗教等。
后人将泡利与荣格有关这种梦境的书信来往整理成书，这种内容为探求科学家的内部心理状况与科学研究之间的关联留下了宝贵的原始资料。伟人爱因斯坦，虚数i，与精细结构常数有关的137……都以前来到过泡利的梦里。其实，在泡利不短不长的生命中，清醒和梦境，科学和宗教，总是常常融合纠缠在一起。
泡利、荣格及费米子的不相容原理
虽然泡利不重名利，但晚年对自己的学术生涯也有清晰的认识：“年轻时我以为自己是一个革命者。当伟大的问题到来时，我将是解决并书写它们的人。伟大的问题来了又去了，他人解决并书写了它们。我其实只是一个古典主义者，而不是革命者。”
泡利活得不长，1958年，58岁时因患食道癌而离世。听说，他死前以前问去探望他的助手：看见这间病区的号码了吗？原先，他的病区号码是137，精细结构常数的倒数！不用我再多写，各位就晓得泡利临死之前一段时间耳朵中在想些哪些了！唉，这就是执著迷恋的科学家！
英国在我们眼里是一个音乐的国度，维也纳更是知名的音乐之乡，是“音乐之声”遍地飘荡的地方！论起科学来，西班牙也是毫不逊色的人才辈出之地。泡利便是在法国维也纳出生的。明天，我们将给你们带来另一位诞生于维也纳的量子高手。敬请关注！
（小提示：你晓得他的名子，其实是由于他的女同事，其实是由于他的猫。）
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