沃尔夫冈·泡利在科学上的成就有哪些 他的早年生活是什么样子的

2019-01-22 15:39:17 首页

  科学成就

  泡利矩阵

  1927年他引入了2× 2泡利矩阵作为自旋操作符号的基础,由此解决了非相对论自旋的理论。泡利的结果引发了保罗·狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。虽然狄拉克说,他发明了这些相同的矩阵自己独立的时候,没有受泡利的影响。

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  狄拉克在结合狭义相对论与量子力学的过程中,发明类似的,但更大的(4 × 4)旋转矩阵,用以解释费米子的自旋。

  泡利原理

  泡利最重要的成就是泡利原理

  泡利不相容原理(Pauli’s exclusion principle 又称泡利原理、不相容原理):在原子的同一轨道中不能容纳运动状态完全相同的电子。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。每一轨道中只能容纳自旋相反的两个电子,每个电子层中可能容纳轨道数是n个,因此每层最多容纳电子数是2n个。

  β衰变

  1930年,泡利考虑了β衰变中能量不守恒的问题。12月4日,在一封给莉泽·迈特纳的信中,泡利向迈特纳等人提出了一个当时尚未观测到过的、电中性的、质量不大于质子质量1%的假想粒子来解释β衰变的连续光谱。1934年,恩里科·费米将这个粒子加入他的衰变理论并称之为中微子。首次证实中微子存在性的是1956年Frederick Reines和克莱德考恩的实验,两年半之后泡利才去世。在接到消息后,他回了一封电报:“感谢您的消息,对于懂得等待的人,一切终将了然。泡利。”

  个人履历

  命运给了泡利良好的生活、学习环境,他也自我证明了自己并未被命运宠坏。

  上中学时,泡利就对当时鲜为人知的爱因斯坦广义相对论产生了浓厚的兴趣,经常埋首研读。1918年中学毕业后就成为慕尼黑大学苏末菲教授的研究生。他的物理老师——著名的索末菲教授请他为德国正准备出版的百科全书写一篇关于相对论的文章,泡利居然完成了一部250页的专题论著,使教授大为惊讶。1921年,泡利获慕尼黑大学博士学位。后来,爱因斯坦看过泡利的论著后说:“任何一个人看到这样成熟和富于想象力的著作,都不能相信作者只是个21岁的学生。”泡利在学生时代就已展露了不同凡响的科学才华,引起了一些著名物理学家的注意。

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  大学毕业后,泡利先后给马克斯·玻恩和尼尔斯·玻尔当助手。这两位当时站在世界物理学前沿,而后又都获得诺贝尔奖的科学家后来说到泡利时,都对他那寻根究底追本溯源一丝不苟的钻研精神和他那闪现灵敏的思想火花记忆犹新。泡利总是有与众不同的见解而且绝不轻易为别人说服,他好争论但绝不唯我独尊。当他验证了一个学术观点并得出正确结论后,不管这个观点是他自己的还是别人的,他都兴奋异常,如获至宝,而把争论时的面红耳赤忘得一干二净。正是他这种远世俗重真理的科学态度,赢得了索末菲、玻恩和玻尔的厚爱。他也从这些名师那里学到了富有教益的思维方法和实验技巧,为他后来的科研攀登打下了坚实的基础,终于以发现量子的不相容原理而迈入世界著名物理学家的行列。

  1925年春,从汉堡大学传出一个令世界物理学界瞩目的消息:一个新的物理学原理——不相容原理诞生了。它的提出者正是当时在这个大学任教的、尚名不见经传的年轻学者——25岁的泡利。

  泡利的不相容原理可以这样表述:一个原子中,任何两个轨道电子的4个量子数不能完全相同。

  不相容原理并没有立刻呈现出它的价值,可是泡利的才华却因此而得到社会的承认。1928年,他被任命为苏黎世联邦工学院教授;1935年,他应邀前往美国讲学。1940年在美国普林斯顿高级研究所工作。此间,他还以科学的预见预言了中微子的存在,获得普朗克奖章。直到泡利提出不相容理论20年后的1945年,这个理论的正确性和它产生的广泛深远的影响才得以确认。不相容原理被称为量子力学的主要支柱之一,是自然界的基本定律,它使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得条理化。人们可以利用泡利引入的第四个、表示电子自旋的量子数,把各种元素的电子按壳层和支壳层排列起来,并根据元素性质主要取决于最外层的电子数(价电子数)这一理论,对门捷列夫元素周期律给以科学的解释。

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  他把一生投入了科学研究,34岁才结婚。

  1945年,泡利因他在1925年即25岁时发现的“不相容原理”,获诺贝尔物理学奖。

  1958年,不幸病逝。

  泡利于1946年加入美国国籍,是美国科学发展协会的创始人之一。

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  泡利的主要成就是在量子力学、量子场论和基本粒子理论方面,特别是泡利不相容原理的建立和β衰变中的中微子假说等,对理论物理学的发展做出了重要贡献。

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