“电子自旋”为何与“诺贝尔”擦肩而过？
20世纪初期的20多年 ， 是相对论和量子理论两大力学从传统（经典）物理学脱胎而出的“英雄时代” 。 当时科学的天空物理学群星璀璨：普朗克、玛丽•居里、爱因斯坦、玻尔、狄拉克、玻恩、洛伦兹、路易•德布罗意、泡利、海森堡、薛定谔……名单可以开得很长很长 ， 是一条“星等”很高的明星汇聚的亮丽星河 。“电子自旋”的发现 ， 是20世纪物理学的一个原创性研究成果 ， 更是奠定量子力学基础的一个全新概念 ， 授予诺贝尔物理学奖 ， 理所当然 。 实际上全世界大多数物理学家甚至以为发现者获得了诺贝尔奖 。 然而 ， 无论是最早发表论文的两位荷兰物理学家塞缪尔•古德思米特和乔治• E•于伦贝克 ， 还是早一年提出“电子自旋”理论的德裔美国物理学家拉尔夫•克罗尼格 ， 最终都这项殊荣擦肩而过 。夜读曼吉特•库马尔所著的《量子理论——爱因斯坦与波尔关于世界本质的伟大论战》 ， 我从相关章节中梳理出了这个有趣的故事 。1922年 ， 玻尔-索末菲模型中关于电子是在原子内部三维能级中运动的理论 ， 已被物理学界认可 。 但是该理论的“基础就是一系列的化学数据和物理数据” ， “背后并没有精密的结构原理或标准来给予支持 。 ”对此 ， 奥地利物理学家沃尔夫冈•泡利始终在为解决玻尔-索末菲模型的不足之处大伤脑筋 。泡利年青时代就认为学校权威并非不可挑战 ， 14岁第一次见到马赫 ， 学术上深受其影响 ， 天赋罕见、才华横溢 。 他19岁受导师索末菲之命 ， 为《德国大百科全书》第5卷物理学部分撰写相对论的内容 ， 两年后完成 。 索末菲一看初稿就说“这篇文章是如此深刻和成熟 ， 不需要我再提出任何修改意见 。 ”连爱因斯坦在审阅该文时 ， 也对泡利“成熟的构思 ， 宏伟的文章”深感震撼 。 事实是19岁的泡利在索末菲指导下 ， 刚开始学习一年级博士课程时 ， 就已被大家看作相对论专家了 。 在后来的学术生涯中 ， 他的长处与缺点都相当突出：“人们普遍认为 ， 他对物理学直觉式的理解” ， “甚至连爱因斯坦也无法超越” 。 德国犹太裔理论物理学家、量子力学奠基人之一马克斯•玻恩评价泡利：“从纯科学的角度看 ， 他甚至比爱因斯坦还伟大 。 ”玻恩在评论作为助手的泡利时还承认：他从这个“小毛孩”那儿学到的东西 ， 要比泡利从自己这儿学到的东西还要多 。 泡利的学术批评尖锐直接 ， 通常一针见血 ， 坚持原则毫不妥协 。 泡利突出的毛病是“生活上放荡不羁 ， 从不守时”；同时又自以为是 ， “说话尖酸刻薄 ， 毫不饶人” 。1924年 ， 针对玻尔-索末菲模型的不足之处 ， 泡利推出了电子的第4个量子数 ， 进而发现了“不相容原理”：“一个原子不能容纳运动状态完全相同的电子” ， 并成为公认的自然界的一个伟大规律 。 这个原理为原模型3个量子数面临的学术困境解了围（泡利也因“不相容原理”最终于1945年获得诺贝尔物理学奖） 。可见泡利在20世纪世界物理学高地上的海拔 。但是 ， 泡利提出第4个量子数的时候 ， 并没有确定它对电子的物理规定性 ， 这成为一个急需继续探索的问题 。 1925年 ， 两位荷兰研究生塞缪尔•古德斯密特和乔治•E于伦贝尔在一次讨论“不相容原理”的时候 ， 根据玻尔-索末菲模型前3个量子数都与电子在三维空间运动的自由度一一相对 ， 以及泡利关于第4个量子数的“二值性”（即只能有两个值） ， 突然灵光一现：第4个量子数应当对应“自旋”状态！并且是“二值自旋” ， 电子或朝“上”自旋 ， 或朝“下”自旋 ， 进而证明电子自旋二值分别为＋1/2和－1/2 。 相关论文在当年11月发表 。在论文发表之前 ， 洛伦兹以经典物理学为基础 ， 对论文主要内容进行了一系列推导、计算 ， 否定了“电子旋转”概念；玻尔也在磁场方面也对“电子旋转”提出质疑；更不幸的是这个看上去像模像样的“量子旋转”理论 ， 在碱族元素面前出现了“双重线”间隙的预测值是测定值2倍的误差 。 后来 ， 是爱因斯坦运用相对论“彻彻底底地把（磁场）问题说清楚了”（玻尔语） 。 英国物理学家莱威林•托马斯又证明了那个“2倍误差” ， 是在计算电子绕原子核的相对运动时出现的 ， 计算被纠正 。于是“电子自旋”概念很快就被理论物理学界肯定 。当年青的德裔美籍物理学家拉尔夫•克罗尼格获悉这一学术信息时 ， 感到无比愤怒：在两位荷兰研究生关于“电子自旋”论文发表前一年 ， 他就先提出了“电子自旋”概念 ， 后来是因理论物理学权威泡利在一通嘲笑中完全否定了他的论文 ， 他才灰心丧气地没敢发表！毕竟 ， 连当时理论物理学泰斗玻尔也认为泡利是学界的“可怕”人物 ， 曾当众幽默地评论：“也许我们所有人都害怕泡利 ， 但我们并没有怕他怕到不敢承认这个事实”的地步啊 。这件事 ， 不仅替克罗尼格将论文转交泡利的朗德教授知情 ， 经助教克拉波斯的提醒 ， 玻尔也想起自己也的确反对过当时在玻尔研究院工作的克罗尼格提出的“电子自旋”说 ， 连泡利本人也还完全记得此事 。 克罗尼格因此感到无比懊悔：“以后我必须更加相信我自己的判断 ， 少听别人的 。 ”可是 ， 在人类发现重大科学新知识的道路上 ， 克罗尼格至死也没有再遇“以后” 。伟大的科学家玻尔后来为此专门去信 ， 向格罗尼格“表示了他的惊愕和深深的遗憾 。 ” 深感失望的克罗尼格回信说：“如果不是为了嘲笑那些只会教训人的物理学家 ， 我根本不会提到这件事 ， 他们总是对自己观点的正确性抱着一种活见鬼的确信无疑 ， 并且还为此得意洋洋 。 ”克罗尼格也真是一位充满人文情怀的科学家 ， 虽然心存自己的成果被别人夺走的无比惋惜 ， 仍坚信古德斯密特和于伦贝尔两人的无辜 ， 因此特请玻尔不要将这件遗憾事件公布于众 。 同样人格高尚的古德斯密特和于伦贝尔最终还是知道了这件事 。 于伦贝尔勇敢地公开承认：他和古德斯密特“显然不是第一个提出电子量化自旋概念的人” ， “他（克罗尼格）主要是由于遭到了泡利的否定才没有发表他的研究成果 。 ”诺贝尔奖评审委员会当然不会无视由古德斯密特和于伦贝尔正式发表的“电子自旋”这一相关宇宙本质的重大创新成果 ， 只是碍于克罗尼格首提、被泡利制止而没能发表论文 ， 才采取了尽力回避该成果的立场 。 这的确是20世纪物理学发展历史上一大憾事 。回味这个故事 ， 我以为它留给科学界的启示是深刻的：——要珍惜科学家在青年阶段最蓬勃、强劲的创新能力 。 在“电子自旋”以及相关科学发现中 ， 提出新猜想、新概念的都是年青人：泡利发现具有诺贝尔奖水平的“不相容原理” ， 为经验性想象的电子壳层原子模型（即玻尔-索末菲模型）“提供了合理的解释” ， 当时只 24岁 ， 克罗尼格首先提出“电子自旋”概念时 ， 是玻尔研究院21岁的实习生；未满23岁的古德斯密特和24岁的于伦贝尔发表“电子自旋”论文之前 ， 18岁的古德斯密特已发表了“最为狂妄的自信的表现” ， 但又“相当可信的”第一篇论文 ， 当两个人开始合作攻关时 ， 于伦贝尔还担心“绝不会吓到”自己的、才华横溢的古德斯密特“可能会吓到其他人” 。 实际上20世纪20年代中期（整个发现量子力学的年代） ， 就曾被称为“‘小伙子的物理学’年代” 。 当时青年俊才大批崛起的现象背后 ， 是一批理论物理学巨子在努力发现新人、推出新人（年龄也就与当下刚出校门的本科生或硕士生相当） ， 并尽力将他们托起 ， 直接送上世界科学前沿 ， 由此造就出一个健康的、让年青人放胆创新、大显身手的学术环境 ， 终使科学发现的花朵竞相怒放 ， 形成量子力学领域的满园春色 。——要积极对待青年人在科学赛道上“弯道超车”的现象 。 虽然一个国家整体的科学发展水平欲“弯道超车”是不现实的幻想 。 但是青年科学家思维的敏锐性、发散性、创造激情和不受任何条条框框束缚的“初生牛犊”精神 ， 却可能胜过功成名就的科学大家 ， 这是科学赛道上“弯道超车”的现实机理 。 泡利、克罗尼格、古德斯密特、于伦贝尔等人围绕玻尔-索末菲模型所提出的新见解、新概念 ， 都是在修正“物理学大咖”的理论 。 即便年轻如泡利的理论物理学界权威、翘楚 ， 也面临着被“超车”的局面 。 年青人以新发现挑战“老权威” ， 是科学事业蓬勃前行的常态 。 同时也正因为他们年青 ， 学术根底较浅、学术意志脆弱 ， 很可能在学界权威的否定面前放弃自己的探索方向或成果 。 尤其是那种竭尽讥讽嘲笑之能事的否定、打击 ， 很可能让刚冒出头的重大新知识的发现者丧失信心 ， 甚至毁掉一个青年科学家的一生 。 所以 ， 学界权威应珍惜、呵护年青人的创新激情、创新成果 。 泡利就为自己的失误付出了代价 。 他后来一直在为当初否定克罗尼格的“电子自旋”论文深感内疚；当他自己获得诺贝尔奖时 ， 因古德斯密特和于伦贝尔没能获得这一奖项 ， 自责便又一次深深地纠缠于心 。——青年人在权威面前也要坚持独立思考、坚守正确的学术立场和观点 。 对克罗尼格而言 ， 这无疑是一个教训 。 然而 ， 正如他自己悲叹 ， 这个教训来得太迟了 。 他不能坚守自己的科学发现 ， 在权威否定面前轻易放弃自己认为正确的新知识 。 这是他轻信权威 ， 不懂得一位物理学家就此事发出的感慨中包含的哲理：“神从不犯错的特点 ， 并没有让地球上那些他自己任命的代理人继承下来 。 ”玻尔在懊悔自己当初反对克罗尼格关于“电子自旋”概念的同时 ， 也认为：克罗尼格如果确信自己是正确的 ， 就应当坚持 ， 就应当将论文发表 。 “发表与灭亡”是一条科学界不应忘记的定律 。 我也想 ， 如果克罗尼格发表了自己的论文 ， 古德斯密特和于伦贝尔在此基础上又描述了“电子自旋”的具体状态 ， 并计算出“二值” ， 3人就有可能同时获得诺贝尔物理学奖 。 当然 ， 科学发现的“自然法”拒绝“如果” 。 克罗尼格必须承担畏惧权威的后果 ， 泡利则觉得应为弥补自己的过失尽力：当他被任命为著名的苏黎世联邦工学院理论物理学教授以后 ， 立即邀请克罗尼格担任他的助理教授 。 他在给克罗尼格的信中写道：“以后无论我说什么 ， （你）都要用详细的论据来反驳我 。 ”——宽广温暖的人文情怀是攀登科学高峰的强大内力和定力 。 人文情怀是一种普遍的人类自我关怀：是对人的尊严、价值、命运的维护、追求和关切；是对人类遗留下来的各种精神文化现象的高度珍视；是对全面发展的理想人格的肯定和塑造 。 在“电子自旋”概念确立过程中 ， 无论是爱因斯坦、玻尔、索末菲、泡利等科学巨子 ， 还是量子力学领域的新人克罗尼格、古德斯密特、于伦贝尔 ， 以及涉事的几位教授 ， 他们都具有相当宽广温暖的人文情怀 。 这些中年或青年科学家对揭示宇宙本质都持有强烈的好奇心；他们勤奋、诚实、坦率 ， 坚守科学家的职业道德 ， 创造欲望强烈 ， 善于创新的能力强大；就同一个重大课题 ， 能自发地合作、协同 ， 相互补充、完善别人发现的不完备的新知识；不回避矛盾和问题 ， 坚持实事求是 ， 尊重学界规则 ， 互相理解 ， 互相谦让 ， 即使科学领域的权威也勇于认错 ， 并努力弥补自己的过失 。 20世纪20年代能有这样一个境界高尚、充满人文内力和定力的科学创新大群体 ， 发现“电子自旋” ， 乃至创立量子力学新学科的重大科学事件发生在欧洲 ， 实在不是偶然事件啊！2020年4月20日
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