包立 (Wolfgang Pauli) Ⅱ

包立 (Wolfgang Pauli) Ⅱ
國立中山大學董騰元教授責任編輯

科學成就

包立在物理學上，尤其在量子力學方面，做出了許多非常重要的貢獻，但是，包立卻很少發表論文，他會與他的同行好友，如波耳（Bohr）和海森堡（Heisenberg）交換非常長的信。許多他的主意和想法從未被發表過，而只是在他的書信中出現。他的收信人往往將他的信影印後給其他同行們看；包立顯然也不關心許多他的發現因此後來沒有歸功於他。 1924年，包立為了解決實驗觀測到的分子光譜與正在發展的量子力學之間的矛盾，他提出了一個新的量子自由度（degree of freedom）。

他還提出了包立不相容原理，這可能是他最重要的一項成果了，這個原理說：任何兩個電子無法佔據同一量子狀態（quantum state），也就是說具有相同量子數的兩個電子是不可能同時存在的。

自旋的主意是包立與拉爾夫•克羅尼格（Ralph Kronig）一起提出的，一年後烏倫貝克（Uhlenbeck）和高德斯密特（Goudsmit）證實電子自旋就是包立所提出的新的自由度。

《包立不相容原理》可說是 包立最偉大的貢獻，其說明了任何一個量子狀態， 不可以收容兩個以上的電子。例如，兩個電子（更嚴格點講，是兩個自旋相同的電子）不可能位於同一個地點。如果不知道此原理，就無法解釋週期表與眾多物質的性質。《包立不相容原理》後來還發現適用於其他粒子，如質子、中子、夸克，是物理理論架構的核心原理之一。

1926年海森堡發表了量子力學的矩陣理論後不久，包立就使用這個理論推導出了氫原子的光譜。這個結果對於驗證海森堡理論的可信度非常重要。 1927年他引入了包立矩陣（2×2）作為自旋操作符號的基礎，由此解決了非相對論自旋的理論。包立的結果引發了狄拉克（Dirac）發現描述相對論電子的狄拉克方程式。然而狄拉克說他當時獨立地發明了這些同樣矩陣, 而沒有受到包立的影響。 1930年在一封給莉澤•邁特納（Lise Meitne）等人的信中，包立提出了一個電中性的、無質量的粒子（不到質子的1％）來解釋β衰變的連續光譜。1934年費米（Fermi）將這個粒子加入他的衰變理論並稱之為微中子。

1956年微中子第一次被實驗證實，此時距包立之死約兩年半，包立獲知此消息時，曾以電報回覆：「對懂得等待的人而言，一切都可能來到」。 1940年包立證明帶半整數自旋的粒子是費米子（fermions），帶整數自旋的粒子是玻色子（bosons）。1949 年, 他發表了一篇有關Pauli-Villars regularization之論文, 這篇論文提供了從＜量子場理論＞（quantum field theories）中回歸常態化（renormalization）或去除無限的重要處方。

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