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包立誕辰│科學史上的今天:4/25

Photo Credit: Bettina Katzenstein / ETH Zürich license Source

就在普朗克首創量子說的這一年,包立誕生於奧地利。這位天才型的物理學家不到 25 歲就提出「包立不相容原理」,因而也躋身量子力學的奠基者之一。

他的天才從他 18 歲高中畢業那年,就寫出一篇關於廣義相對論的論文可見一斑;尤其此時距離愛因斯坦發表廣義相對論也才不過三年。他進了慕尼黑大學,沒念大學就直接當著名的物理學家索末菲(A. Sommerfeld)的研究生,21 歲就以氫分子的量子理論取得博士學位。同年,索末菲請他幫忙審查《數學科學百科全書》中有關相對論的詞條,結果他竟交出一篇多達 237 頁的專文,獲得愛因斯坦的特別讚許。

當時的量子理論無法解釋某種原子光譜的奇特現象,包立研究後,於 1924 年底主張電子除了已知的三種量子數之外,還有第四種量子數,而且只允許有兩種數值;這個全新的量子數在第二年被三位物理學家確認就是現今所稱的「自旋」。包立指出兩個電子不能有相同的量子態(由四種量子數定義),因此同一軌域最多只能有兩個自旋彼此相反的電子;若有更多電子只能往更外層軌域擴展。感謝包立這個「不相容原理」,我們才能站在地板上,不會往下陷進去。

「包立不相容原理」可以完美解釋物質的原子結構與化學作用。他所引入的「自旋」這個量子數,後來更成為粒子物理標準模型中將所有粒子區分為兩類的依據──整數自旋的是波色子,其它是費米子;所有費米子都遵守「包立不相容原理」,波色子則否。包立因而獲頒 1945 年的諾貝爾物理獎。

1930 年包立在思考 β 衰變的問題時,還率先預測必定存在質量極小的中性粒子。結果直到 1956 年微中子才被發現確認。

包立是有名的完美主義者,對於別人論點的差錯總是言詞尖銳地當面指正,不論對象是誰。他常用「完全錯誤」批評有錯誤的論點,不過這還不是最差的評語,對於那些他認為不夠格的論文,他會譏諷「甚至連錯誤都稱不上(Not even wrong)」,因為科學至少要能被否證。而他所給的最好評語就只是「竟然沒什麼錯」。

包立雖然話語尖酸、不留情面,但這毫不影響他在同儕心目中的地位,因為這代表他總是給出最嚴格、最真實的意見。因此在他因胰腺癌而於 58 歲病逝後,每當出現新理論或新發現,大家仍不免要想:若是包立還在的話,不知會有什麼高見……。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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