纪念沃尔夫冈·泡利诞辰125周年 | 《泡利物理学讲义》

125年前的今天，沃尔夫冈·恩斯特·泡利（Wolfgang Ernst Pauli）出生于奥地利维也纳的一个知识分子家庭。他的父亲是一位医学博士，而教父则是奥地利的物理学家兼哲学家恩斯特·马赫。泡利也正是从小在这样浓厚的学术氛围中，展现出了他过人的天赋。12岁自学微积分，18岁中学毕业后，泡利发表了他的第一篇研究论文，探讨引力场中能量分量的问题。不久后，他带着父亲的介绍信，到慕尼黑大学访问著名物理学家阿诺德·索末菲，不仅成为了索末菲的研究生，还成为了慕尼黑大学最年轻的研究生。

1919 年，泡利更是展现出了非凡的洞察力和批判性思维。他在两篇论文中精准地指出了韦耳引力理论的一个错误，并以极为成熟和深刻的视角对韦耳的理论进行了批判。1921 年，泡利凭借一篇关于氢分子模型的论文获得了理论物理学博士学位。同年，他全身心地投入到为德国的《数学科学百科全书》撰写一篇关于狭义和广义相对论的词条。凭借着自己扎实的知识储备和对相对论的深刻理解，他写下了长达 237 页的内容。爱因斯坦在阅读后惊叹道：“任何该领域的专家都不会相信，该文出自一个仅 21 岁的青年人之手。

▲大学时期的泡利

1925年1月，在汉堡大学任教的泡利提出了量子理论中的重要原理——不相容原理。这一原理可以表述为：对于完全确定的量子态来说，每一量子态中不可能存在多于一个的粒子。泡利后来用量子力学理论处理了h/4π自旋问题，引入了二分量波函数的概念和所谓的泡利自旋矩阵。通过泡利等人对量子场的研究，人们认识到只有自旋为半整数的粒子（即费米子）才受不相容原理的限制，从而确立了自旋统计关系。泡利不相容原理涉及自旋理论，是理解物质结构乃至化学的基础。1945年，在爱因斯坦的提名下，他因“泡利不相容原理”而获得诺贝尔物理学奖。

泡利为创立量子力学作出过许多重要贡献，他虽然失去了直接提出量子力学基本形式的机遇，但他发表了许多有独创性的论文，而且还提出过许多很有创见的批评和见解。他的看法对于海森伯等人创建量子力学起着极其重要的作用。他的许多关于量子力学的综述性文章中，最著名的一篇《波动力学的普遍原理（1933年）》是量子力学方面的重要文献。

泡利另一历史性贡献是提出了中微子概念。为了解释β衰变中放出的电子能量之所以有连续谱，他在1930年作出过一个大胆的假设，认为原子核在β衰变中不仅放出电子，而且还放出一种质量非常小，穿透力却非常大的中性粒子。他当时把它叫做“中子”；1932年，费米把它改称为中微子。泡利这一假说解决了β衰变中角动量和能量不守恒的困难，但当时并不能得到实验证实。1933年，费米根据这种假说提出了β衰变理论。随着基本粒子物理学的进展，中微子假说在弱相互作用中的重要性日益显著。后来中微子在实验中得到确证。 

然而，泡利的成就并不仅限于此，他还在量子场论、固体物理等方面做了很多重要的工作。此外，他还培养了一批优秀的物理学家。他在苏黎世联邦理工学院和普林斯顿大学等高校担任教授期间，指导了许多学生，并为他们提供了宝贵的学术指导和支持。这些学生在泡利的熏陶下，逐渐成长为物理学界的佼佼者，为物理学的发展做出了重要贡献。有“核磁共振之父”美誉的伊西多·艾萨克·拉比（Isidor Isaac Rabi）就对泡利有着高度的评价，他说：“善良，直率，不妥协的原则，他（沃尔夫冈·泡利）是物理学的良心”。

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“泡利物理学讲义”系列一共有9卷。泡利在原子物理学和量子力学领域做出了重要贡献，发现了“泡利不相容原理”，建立了“中微子”假说，提出了二分量波函数的概念和著名的泡利自旋矩阵，并在量子场论、固体物理等领域都做了很多杰出的工作。

泡利去世后，他晚年的助手查尔斯·恩斯教授编辑修订了他生前在苏黎世联邦理工学院的授课讲义的英文版，分6卷，分别为《电动力学》《光学和电子论》《热力学和气体分子运动论》《统计力学》《波动力学》和《场量子化选讲》，英文版由The MIT Press出版。

泡利年轻的时候还写过两篇重要的长达数百页的综述长文《相对论》和《量子力学的普遍原理》，直至今日仍是相对论与量子力学领域重要的经典文献。

1921年，泡利为德国的《数学科学百科全书》撰写了关于相对论的长篇综述文章，爱因斯坦阅读后评价道：“任何该领域的专家都不会相信，该文出自一个年仅21岁的青年人之手，作者在文中显示出来的对这个领域的理解力、熟练的数学推导能力、对物理深刻的洞察力、使问题明晰的能力、系统的表述、对语言的把握、对该问题的完整处理及对其评价，使任何一个人都会感到羡慕。”

1933年，泡利又为德国的《物理百科全书》撰写了关于量子力学的长篇综述文章，很快也成为经典。这两篇综述长文后来都以单行本的方式独立出版。在泡利生命的最后一年，他又对两书进行了全面修订，英文版分别由Pergamon Press和Springer-Verlag再次出版。我们将这两本书作为“泡利物理学讲义”的第7卷和第8卷一起出版。

1994年，Springer-Verlag又出版了同样由泡利晚年助手查尔斯·恩斯教授编辑的《泡利物理哲学文集》，此书包含了泡利撰写的关于空间、时间与因果性、对称、泡利不相容原理和中微子等的21篇重在阐述科学思想与哲学的文章和演讲稿。我们将此书作为“泡利物理学讲义”的第9卷。这套“泡利物理学讲义”对高等院校的学生与研究人员深刻理解物理原理会有极大的帮助。

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供稿 排版 初审｜孙域啧

复审｜朱利伟

终审｜徐国强