與海森堡師出同門-毒舌泡利的「電子自旋」

2020-12-05 彬哥物理小站

沃爾夫岡·泡利

之前彬哥帶大家領略了海森堡的魅力,今天我們認識下他的同門師兄弟,毒舌-泡利。

提起自旋,就不得不把泡利給請出來(他是個有著」毒舌「稱號的人)。1921年,泡利在導師索末菲的幫助下終於拿到了哲學博士學位,而這時候的海森堡則更像是一個年輕的小學弟,他也師從索末菲,不過這才是他的第一年。海森堡的確很聰明,在1924年的時候,他已經獨立創立了一套符號,去解釋波爾的「原子結構模型」——而這正是後來鼎鼎大名的矩陣力學的原版。不過即使聰明如海森堡,卻也經常遭受泡利的臭罵。海森堡在獲得諾獎後,曾笑著對記者坦言泡利不止一次地罵他「你是個徹頭徹尾的蠢驢」。然而這個「蠢驢」卻先於他的師兄做出了重大發現,這當然讓泡利很是鬱悶。不過,幾個月後(確切的時間是1925年1月16日),泡利終於還是提出了著名的「泡利不相容原理」。大意是說,原子中不能同時容納兩個運動狀態相同的電子,泡利認為電子有四個自由度,除去電子層、電子亞層、電子云伸展方向三個自由度外,還有第四個自由度,可這第四個自由度究竟是什麼他自己也一直搞不清楚。泡利曾設想過電子是不是有自旋這個問題,可他很快否定了自己的想法。因為理論上講,自旋電子的邊緣線速度超過了光速,這根本就違背相對論,屬於大逆不道。

幾乎同時的時間,美國的物理學家克羅尼格也提出了電子自旋的想法,他急切地想與泡利討論,可泡利認為電子自旋是一種毫無根據的假設,他說:「你的想法很聰明,但大自然並不喜歡它」。於是,克羅尼格膽怯了,相信了泡利的話。然後就是,這樣一個重大的發現竟這樣與他擦肩而過了。

俗話說「東邊不亮,西邊亮」,克羅尼格(Ralph Kronig)的確不幸,但隱藏在自然中的秘密終究要被揭示。同年的十月,烏倫貝克和高斯密特已經摩肩擦掌,電子自旋——這個被泡利(Wolfgang E.Pauli)視作經典力學中的怪物,終於還是在這個新奇的世界紮下根來了。

現在我們把目光轉向荷蘭的萊登大學(Leiden University),1925年6月, 在偉大的物理學家埃倫費斯特(Paul Ehrenfest)的勸說下,本想要轉行從事歷史研究的喬治·烏倫貝克(George Uhlenbeck)勉強答應做了他的研究助手。同年夏天,高斯密特(S.A. Goudsmit)也被請來,負責教授烏倫貝克有關光譜學的知識。

二人定期在海牙聚會,高斯密特同他交流的當然是些原子光譜結構之類的東西,不過烏倫貝克也會向高斯密特灌輸些經典物理的知識。到了夏天快要結束的時候,二人已經隱約地感覺做出了一個重大的發現,他們推想「泡利不相容原理」所指出的電子的第四個自由度應該是自旋!

他們兩人激動不已,埃倫費斯特很讚賞他們的觀點,建議他們寫成論文。很快,他倆將寫好的短文交給埃倫費斯特,請求他給推薦到《自然》雜誌發表。然而,對於自旋背後真正的物理意義,二人其實並不理解,他們很想去聽聽當時的物理學權威——洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz)的意見。不過,高斯密特因為要去阿姆斯特丹,於是烏倫貝克準備只身前去請教洛倫茲。

洛倫茲答應幫他們想一想,請他一周以後再來。等到烏倫貝克再次登門時,洛倫茲拿出很厚的一疊稿紙,上面密密麻麻寫滿了算式。洛倫茲對他說:「是的,這(電子自旋)是困難的,它會導致電子的自能出現錯誤」。

於是,他們急忙跑去找埃倫費斯特,請求老師拿回稿子。但是埃倫費斯特早已把稿子寄給了《自然》雜誌,雜誌社已經同意發表且已排版準備印刷了。烏倫貝克和高斯密特簡直懊惱極了,埃倫費斯特安慰他們還年輕,做點蠢事不要緊。他原話說:「這是個很好的想法,儘管它可能錯了。不過既然你們都還沒有名聲,那其實也沒失去什麼。」

然而,當文章登出後第二天,海森堡(Werner Heisenberg)就寫信給他們,對於他們的勇氣給予鼓舞。恰巧當時,萊登大學正舉行活動——慶祝洛倫茲得到博士學位50周年。愛因斯坦和波爾也前去祝賀,他們也聽說了烏倫貝克和高斯密特的工作,並對他們大加讚賞。很快,整個物理學界似乎都接受了這個觀點,但有一個人仍堅持反對,你沒猜錯,這個人就是泡利。

後來,波爾邀請烏倫貝克和高斯密特去哥本哈根,當高斯密特要乘火車返回海牙時,波爾建議他可否先停道漢堡,去和泡利解釋一下自旋問題。可糟糕的是,高斯密特本人對電子自旋也沒能完全搞透,他自然不能說服泡利。不過,再後來,他收到了一張來自泡利的明信片,上面說他已經接受了自旋。

當然,因為烏倫貝克天才般地想出了電子自旋這一東東,也最終促使他放棄了成為一名歷史學家的念頭。

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