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泡利效应趣谈

- 卢昌海 -

按照最近一段时间本站的更新频率, 我决定在 6 月 1 日上传本文。 不过 “六一” 这个日子似乎不太适合谈论严肃的话题, 我们就挑一个以物理学家命名的非物理效应——泡利效应 (Pauli effect)——来聊聊吧。

奥地利物理学家泡利
奥地利物理学家泡利

泡利 (Wolfgang Pauli) 是上世纪一位很早熟的理论物理学家 (当然, 他的早熟是学术上的早熟, 跟 “九零后”、 “零零后” 的早熟不是一个概念)。 记得有人说过, 理论物理与实验物理的鲜明区分是始于 20 世纪的, 这种说法是否恰当有待考证, 不过这种区分在出生于 1900 年的泡利身上倒是体现得很鲜明, 且很有戏剧性。 泡利的理论天赋无疑是很高的, 但他的实验才能则不仅不高, 而且有可能是负的。 这种 “负才能” 的集中体现就是所谓的 “泡利效应”——即泡利的出现对实验设备的破坏效应。

是谁最早采用了 “泡利效应” 这一名称? 我不太清楚, 不过这一效应在当时的实验物理圈中是颇有些名气的, 而且那名气并非只是搞笑意义上的名气。 泡利的朋友斯特恩 (Otto Stern——1943 年的诺贝尔物理学奖得主, Stern-Gerlach 实验中的那位斯特恩) 就曾因为担心泡利效应而对泡利下达了封杀令, 禁止其进入自己位于德国汉堡的实验室。 科学史作品中有不少科学家逸闻是以讹传讹的故事 (比如伽利略的斜塔实验、 牛顿的苹果、 瓦特的茶壶、 爱因斯坦的板凳等), 但这件是真的, 斯特恩在 1961 年接受访谈时还亲自回忆过此事。

不过斯特恩的措施恐怕还小瞧了泡利效应的威力。 据说有一次实验物理学家弗兰克 (James Franck——1925 年的诺贝尔物理学奖得主, Franck-Hertz 实验中的那位弗兰克) 位于哥廷根大学 (University of Göttingen) 的实验室里出现了一次事故。 据查, 泡利有不在现场的充分证据。 于是弗兰克写信给泡利, 很欣慰地告诉他说你总算无辜了一回。 真的无辜吗? 泡利对这种无罪推定似乎并不领情, 他回信很诚实地 “自首” 说自己虽不在第一现场, 但事发当时自己乘坐的从苏黎世到哥本哈根的火车却恰好在哥廷根的站台上停留了一会儿!——言下之意, 泡利效应是可以有 “超距作用” 的。

泡利效应最初只是实验圈里的传说, 但后来名头渐渐出了墙, 波及的对象也变得五花八门, 不再限于实验设备。 据说有一次泡利去听一个讲座, 他看见两位衣着体面的女士中间恰好有一个空位, 便走过去坐了下来。 谁知他刚一坐下, 那两位可怜的女士所坐的椅子就双双垮掉了。 这故事是德国裔美国艺术史学家潘诺夫斯基 (Erwin Panofsky) 讲述的, 是真有其事还是艺术的虚构就不得而知了。

戈革先生 也转述过一个类似的故事, 说泡利在某次学术会议上听到了一个令他不满意的理论, 便走上台去严厉批评。 泡利的不留情面在物理学界是出了名的, 他说到紧要之处时, 忽然拿粉笔向那已经坐回台下的演讲人隔空指去, 吓得那人向后一仰, 结果那人所坐的椅子竟突然垮掉了。 坐在那人背后的俄国物理学家伽莫夫 (George Gamow) 当即跳起来喊道: “泡利效应!” (后来有人根据伽莫夫 “此地无银三百两” 的那声吼, 怀疑是他在报告人的椅子上做了手脚)。

有关泡利效应的传闻有一个有趣的特点, 那就是泡利效应绝不会损害到泡利本人, 不仅不会损害, 甚至还能在关键时候 “拯救” 泡利。 泡利的助手派尔斯 (Rudolf Peierls) 和韦斯科夫 (Victor Weisskopf) 都曾在自己的自传中讲述过一个故事 (细节略有出入, 但本质上是同一个故事), 其情节大致是这样的: 有一次泡利要参加一个学术会议, 与会的年轻物理学家们决定跟他开个玩笑, 他们在会议厅的门上做了一个触发式的机关, 只要泡利一推门就会发出类似爆炸的响声。 结果呢? 在泡利推门而入的一刹那, 那些被年轻物理学家们反复调试过的机关居然 “卡壳” 了! 泡利效应通过破坏 “实验装置” 而成功地 “拯救” 了泡利。

泡利本人对泡利效应的这种 “损人利己” 的效果也很有信心, 并将之作为了判断一个效应是否为泡利效应的重要凭据。 泡利后期的助手及传记作者恩兹 (Charles Enz) 曾经讲过一个故事。 那是在 1956 年, 泡利去世前的两年, 恩兹夫妇与泡利夫妇在意大利的科摩湖畔共乘出租车时, 车子在一个小山坡的顶上抛了锚。 恩兹打趣说那是泡利效应在作祟。 但泡利不同意, 因为那个故障给泡利自己也造成了不便, 不符合泡利效应损人利己的特点。

在所有与 “泡利效应” 这个金字招牌相联系的逸闻中, 似乎只有一件是与泡利自己所受的伤害联系在一起的, 不过那是一个伪效应 (或者确切地说, 是伪效应中的伪效应——如果考虑到泡利效应本身也是伪效应的话)。 那件逸闻是这样的: 泡利是个夜猫子, 并且有一个不良嗜好, 那就是喝酒 (有时甚至是酗酒)。 1932 年夏季的某一天, 他在美国安娜堡 (Ann Arbor) 参加暑期学校时喝醉了酒, 从楼梯上摔下来, 摔伤了肩膀。 在接下来的一段时间里, 他的讲座改由乌伦贝克 (George Uhlenbeck——电子自旋概念的提出者之一) 代写板书。 据说那几次演讲由于不必亲自写板书, 反而讲得特别精彩。 不过泡利受伤的真正原因 (醉酒) 是不能让普通听众知道的 (谁想听酒鬼的讲座?)。 为了隐瞒真相, 知情的物理学家们八仙过海、 各显神通, 有人戏称泡利是在游泳时受的伤 (敢情那水不是 “硬” 水就是 “重” 水), 而泡利的老师索末菲 (Arnold Sommerfeld) 则炮制了一个新术语: 逆向泡利效应 (inverse Pauli effect)。 至于该效应的真正原因是什么, 就任由别人去猜了 (拜托别往醉酒上猜就行)。

泡利效应很有趣, 但它只是讹传、 巧合及附会混合而成的逸闻, 它是物理学家们的幽默而非真实的物理效应, 这应该是相当显而易见的。 但世界之大, 却也不乏一本正经看待这种效应的人, 比较著名的我数了数共有两个半人 (我很想拾日月神教任老教主的牙慧, 找出 “三个半” 人来, 可惜实在找不到能与那两个半人齐名的 “第三者”)。 这其中前文提到的斯特恩算半个——该同志虽相信泡利效应, 但只知防范不求甚解, 故只能算半个。 剩下那两个 “完整的人” (郭德纲语) 一个是泡利本人, 另一个则是瑞士精神科医生兼心理学家荣格 (Carl Jung)。 听起来有些令人难以置信, 但象泡利那样出色的科学家在学术高峰期之后有时也不免象聂棋圣那样出昏招, 而且那样的科学家还并不鲜见 (因此太过器重——甚至举国器重——老科学家的暮年言论不见得是明智的事情)。 泡利自 30 岁之后开始遇到一些心理方面的麻烦[注一], 在他父亲的提议下, 他向荣格进行了咨询 (他们的通信后来被整理出版)。 自那个阶段起, 部分地受到荣格的影响, 泡利开始相信一些后来被人们视为伪科学的东西[注二]。 他不仅对泡利效应的真实性深信不疑, 认为它可能与所谓的 “超心理学” (parapsychology) 有关, 而且还写过文章, 试图发掘物理学与精神分析学之间的 “互补性” (complementarity)。 泡利与荣格的交往对荣格也有一定影响, 其信件被后者视为了案例。 荣格并且提出了诸如 “非因果联系原理” (acausal connecting principle)、 “非因果平行性” (acausal parallelism) 之类的概念, 试图解释包括泡利效应在内的一些 “现象”。

尽管相信泡利效应的这两个半人都有赫赫的名头, 不过若是让我来评论一下这几位爷在此事上的观点或做法的话, 我愿意借着 “六一” 的气氛斗胆给出以下的评语:

  • 斯特恩的做法: humourously wrong (错得幽默);
  • 泡利的观点: wrong (错);
  • 荣格的观点: not even wrong (连错误都不如)[注三]

当然, 荣格的粉丝也别生气, 就当是 “六一” 节的玩笑好了。

注释

  1. 泡利在这方面的麻烦与生活中的不顺利事件有一定联系。 1930 年 11 月, 他与结婚不到一年的妻子离了婚。 令他愤愤不平 (是真的不平, 而非幽默) 的是, 使他妻子弃他而去的竟是一位普通的化学家, 而不是斗牛士之类泡利无法匹敌的猛男 (斗牛士的例子是泡利自己举的)。 那真是 “生可忍, 熟不可忍” (韦小宝语), 最低限度也是 “伤自尊了” (宋丹丹语), 而且这一事件似乎引发了他对自己在与女人相处方面的能力的担忧 (有他的多封信件为证)。
  2. 不过泡利毕竟是泡利, 哪怕在精神状态最低落的时期, 他也依然作出了一些重要工作, 比如撰写他的量子力学 “新约” (Die allgemeinen Prinzipien der Wellenmechanik)。 他后期在量子场论方面也有不俗的工作。
  3. “Not even wrong” 是泡利针对某位年轻物理学家的一篇论文发表的评语。 后来有人将之引申为与科学哲学上的可证伪性原理 (principle of falsifiability) 相联系的概念。 从可证伪性原理的角度上讲, 错误好歹算是被证伪的东西, “not even wrong” 则是连可证伪性都不具有, 因而连错误都不如。

参考文献

  1. C. P. Enz, No Time to be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli, (Oxford University Press, 2002).
  2. A. I. Miller, Deciphering the Cosmic Number: The Strange Friendship of Wolfgang Pauli and Carl Jung, (W. W. Norton & Company, Inc., 2009).
  3. R. Peierls, Bird of Passage: Recollections of a Physicist, (Princeton University Press, 1985).
  4. V. Weisskopf, The Joy of Insight: Passions of a Physicist, (Basic Books, 1992).
  5. 戈革, 《史情室文帚》(下), (中国工人出版社, 1999).

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