灵魂有趣的科学家——纪念泡利诞辰 120 周年

泡利 (1900.04.25--1958.12.15) | 照片来源：CERN

有一颗聪慧头脑的科学家很多，但聪慧又有趣的灵魂稀少，物理学家泡利（Wolfgang Pauli, 1900--1958）兼而有之。

他带着“神童”光环出身于奥地利书香之家，从小游走于著名科学家之间。爱因斯坦广义相对论刚问世，高中生泡利就开始钻研。于 1919 年通过观测日全食的光线弯曲而肯定广义相对论的英国科学家爱丁顿（Arthur Eddington, 1882--1944）曾说，世界上懂广义相对论的人不超过三个：原创爱因斯坦、他自己，第三位是谁不清楚。如果当时少年泡利听到此话，一定会打上门去。

高中最后一年，泡利读了一篇试图统一引力场和电磁场的论文，立刻给作者写了一封言辞犀利、火力十足的信。收信人是著名数学家外尔教授（Hermann Weyl, 1885--1955），他是规范场的创始人。从此，这二位就成为了忘年交。泡利最早三篇论文都与广义相对论和规范场有关，后来也经常在思考统一场这个宏大的科学问题。泡利因为“不相容原理”（Pauli exclusion principle）获得 1945 年诺奖时，在普林斯顿高等研究院的诺奖庆祝晚宴上，外尔教授还揶揄少年泡利曾经给了他“恶毒的一拳”，此时他们二位与爱因斯坦都是该研究院同事。

18 岁的泡利进入德国慕尼黑大学后，师从索末菲教授（Arnold Sommerfeld, 1868--1951），他是量子力学的开山鼻祖级人物。这位大师考察了泡利一段时间后，发现这孩子啥都知道，觉得自己没什么好教他了，那就直接做项目吧。于是大学生泡利接到了人生第一个科研项目：为数学百科全书（Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften）撰写广义相对论综述章节。泡利花了两年时间完成了一份两百多页的文件、并附带近 4 百来个参考文献和注释。泡利的两位老师索末菲和波恩（Max Born, 1882--1970）大喜过望，决定为这位 21 岁的青年出个单行本，就叫《相对论》。波恩教授还乐滋滋地把泡利版的《相对论》一书送给爱因斯坦，还附加了一封得意的便签：这小犊子不仅物理好、文笔优美，还是一个码字狂人 ......

爱因斯坦对此书也深感惊艳，评论到：“没人会想到这篇成熟、构思宏大之作的作者是一位 21 岁的青年。他对相对论构思时心理层面的理解，可靠的数学推导，深刻的物理洞见，清晰而系统的表达能力，文献知识，对主题的全面把握，还有挑剔赞许的拿捏，都很值得佩服。”后来，爱因斯坦一直视泡利为“精神儿子”（Spiritual son），并多次提名他为诺奖候选人。

学生时代的泡利 | 照片来源：CERN

含着学术金钥匙长大的泡利是老量子力学重要参与者，也是新量子力学的奠基人之一。但他的科学成就并非都显示在发表的论文中，他留下的几千封与同行和朋友们交流的信件，慷慨挥洒自己无与伦比的洞见与才华。很多人以收到泡利的信件为荣，并广泛传阅。连 20 世纪的物理学巨人波尔教授对泡利的来信也视若珍宝、随身携带，见到合适的人就与之分享。无疑，泡利信件中的奇思妙想启发了很多同行开拓崭新的科学领域。

1930 年，物理学界讨论的一个热门话题是“为什么 β 衰变时有一部分能量不见了？”当时这是一个危及能量守恒这个基本物理学定律的大问题，泡利坚信能量守恒律，认为是一种尚未被人观察到的无电中性小粒子带走了部分能量，于是写了一封信给同行阐述自己的想法，“中微子”就这么诞生了。1956 年，科学家首次测量到了中微子的存在，大量相关成果接踵而至，如今至少有 4 次诺奖颁发给了数位与中微子直接相关的成就。

1953 年 6 月，泡利和普林斯顿高等研究院的佩斯（Abraham Pais, 1918--2000）在荷兰莱顿参加一个国际会议，讨论了核子及介子相互作用等问题，也谈及如何用规范场理论来描述核力场。会议后泡利沿着这个思路做了一些研究，写成一篇题为“介子-核子相互作用和微分几何”的文稿，附在一封信中于同年 7 月寄给了佩斯 [O'Raifeartaigh and Straumann, 2000]。该文基于外尔、Kaluza 和 Klein 等人的规范场工作推导出统一描述核力场与电磁场的非阿贝尔规范场方程。在物理学原理和假设之上、依靠数学工具严谨地推导方程不仅显示研究者的数学技巧和实力，也是一个展现物理学思路和洞察力的过程，非常重要。

1953 年 11 月，泡利在欧洲就此项工作做讲座，他又给佩斯发了一封信补充了之前的理论、并表达了对该理论显示场介子质量为零的顾虑。1954 年 2 月 10 日，来到普林斯顿高等研究院访问的泡利也就此题目给了一个讲座 [Pais, 2000]。由于这个非阿贝尔规范场方程的介子质量为零，不符合已知物理实验结果，于是追求完美的泡利最后没有正式投稿发表该成果。

尽管如此，泡利对这个非阿贝尔规范场介子质量为零问题发人深省的尖锐追问，像幽灵一样笼罩在理论物理学家的心头，引导人们不断探索答案。之后，Glashow、Higgs、Weinberg、Salam、't Hooft、Veltman、Gross、Politzer、Wilczek 等后辈科学家沿着这个方向耕耘并先后获得了物理学诺奖，他们集体构建了今天理论物理“标准模型”。泡利的工作也对规范场的另一个分支“超对称理论”有重要影响。（现在，泡利首先推导的这个非阿贝尔规范场方程，被很多人称为“Yang-Mills Equation”）。

的确，泡利对自己的工作十分挑剔。他于 1925 年提出“不相容原理”很好地解释了元素的周期分布规律，但这项基于物理直觉对现象的经验解释，让他十分不满，自嘲为“骗局”。之后十几年，他一直试图从物理原理出发用严谨的数学工具来推导和理解这个规律，终于在 1940 年前后搞清楚了不相容现象是由电子等费米子的自旋和波函数、及量子统计规律等所导致的。这样，1945 年登上诺贝尔奖巅峰的泡利才自信而坦然了。

德国物理学家海森堡（Werner Heisenberg, 1901--1976）是泡利的同门师弟，二战前他们友谊深厚。二战后，作为纳粹德国领衔原子弹项目的首席科学家，海森堡在科学界十分孤独落寞。他于 1950 年代开始探索统一场论，知道师兄泡利这方面功底深厚，希望找他合作。泡利对海森堡的早期理论提出了诸多修正，他们试图构建一个统一所有力和场的“世界方程”。但讨论一段时间后，泡利认为这是一个漏洞百出的理论，最后拒绝在论文上共同署名。

对于很多同辈科学家来说，率直、幽默而博学多才的泡利是一缕尖锐但也十分有趣的灵魂，被誉为“物理学的良知”和“上帝之鞭”。他把过分客气礼貌看作人类关系的异端，对华而不实、低劣和错误的科研工作毫不吝啬嘲讽和批评。他的口头禅是：“错，彻底错！”更有甚者，“连错都算不上。”如果一个学术报告会有泡利在场，他看见谬误便会立刻摇头尖锐批评的风格，难免会使得科学道行较弱的报告人瑟瑟发抖。其实，有幸受到泡利批评的高手不会受到伤害、反而受益匪浅，海森堡就说过自己的文章在发表前不让泡利先过目批评一番就心里没底，可见最顶级的大脑之间交流不需要太多虚与委蛇。

不仅同行们认为泡利的灵魂特别而有趣，他自己也是这么认为的。为此，他前后二十多年记录了上千个自己的梦境，把灵魂裸露给心理学家荣格来研究和解读，并与荣格一起探索科学与心理活动的关系 [Lindorff, 2013]。科学界还广泛流传一个笑话“泡利效应”，即干什么事（比如做科学实验时），如果正好泡利在附近，那就一定会出问题。他还真相信这个“泡利效应”，花了不少精力与荣格一起探讨其科学根据或神秘原因。

泡利一生科学成就既多又卓越，但一些知他甚深的人对他有更高的期待。他的老师波恩评价说：泡利应该是一个比爱因斯坦更伟大的科学家，但他的科学成就没有达到爱因斯坦的高度。为什么呢？

海森堡认为，泡利既注重从实验和自然现象中洞察科学规律，又用最先进的数学工具来构建模型解释自然，一个人试图同时整体地驾驭实验和理论实在太难了 [Heisenberg, 1968]。泡利自省到，自己“从小就知道得太多了”。自幼就周旋于顶级科学家之间的泡利尽管对科学充满热情，但他对科研成就的获取远不如其他人饥渴。他对很多人的论文贡献良多、无疑应该是共同作者，但他从未争取。他的完美主义偏好以及兴趣多而发散的特质，使得他的智慧处处闪光，却不愿发表不够完备的工作，也没有把点连成片，从而与奠基科学宏伟大厦的使命擦肩而过。

58 岁就英年早逝的泡利今年 120 岁了。这位犀利、真诚而全能的科学家会如何评价他走后这六十多年科学界的人和事？又会给新一代科学家提供什么样的忠告呢？■

参考文献

1. W. Heisenberg, IAEA Bulletin special supplement (1968), p. 45.

2. D. Lindorff, Pauli and Jung: The Meeting of Two Great Minds, Quest Books, (2013).

3. L. O'Raifeartaigh and N. Straumann, Gauge theory: origins and modern developments, Rev. Mod. Phys. 72 (January 2000), no. 1.

4. A. Pais, The Geniuses of Science: A Portrait Gallery, Oxford University Press, (2000).

5. K. von Meyenn, Wolfgang Pauli, Physics Totay 54 (Feburary 2001), no. 2.

拓展阅读

1. K. V. Laurikainen, Beyond the Atom: The Philosophical Thought of Wolfgang Pauli, Springer Verlag, (1989).

2. L. O’Raifeartaigh, The Dawning of Gauge Theory, Princeton University Press, Princeton, NJ, (1997).

3. M. Shifman, Standing Together on Troubled Times: Unpublished Letters by Pauli, Einstein, Franck and Others, World Scientific Publishing Co., (2017).

4. W. Pauli, (Edited by Charles P. Enz, Karl v. Meyenn), Writings on Physics and Philosophy, Springer-Berlin, (1994).