1925年3月21日
不相容原理的建立
微观粒子有着很奇异的性格，“不相容性”就是其中之一。由于有这种奇特的性质，在原子内，两个电子不可能处在相同的状态中。发现这件事的人就是德国物理学家沃尔夫冈·泡利（图1），他的这一发现是从研究玻尔的原子模型开始的。
图1
1922年6月，泡利来到哥廷根大学听取玻尔的讲座，玻尔介绍了他在建立原子模型时的一些思考，也介绍了索末菲对这个模型的修正。这次会后，泡利的导师索末菲提醒他：“要多留意2、10、18、36、50……这一组数，有可能从中发现点什么。”玻尔的讲座及索末菲的提醒对泡利的新发现起着至关重要的作用。
这一时期，玻尔-索末菲的原子理论遭遇到了瓶颈，尽管它成功地解释了氢原子光谱的不连续性，解决了紫外灾难，解释了塞曼效应，还预言了一些未知的元素，但它却不能解释“反常塞曼效应”。由于磁场的作用，原子的特征谱线会分成两条、三条或更多条，间隔彼此也不相同，为什么会出现这种现象在当时困扰着许多人。泡利不喜欢玻尔的原子模型，也不同意电子的轨道跃迁解释，此外还有另外一个重要原因，他认为这个模型有一个重要的缺陷，它缺乏一个基本原理作为支撑，这就是使它不能继续向前发展的原因。在当时的物理学界，泡利看问题一向准确而尖锐，埃伦费斯特给他起了个绰号，叫他“上帝的鞭子”，果然，泡利对玻尔原子模型的看法再次切中了要害。
不少人在解释“反常塞曼效应”上遭到失败，泡利却想试试这潭水到底有多深，他试图给“反常塞曼效应”一个合理的解释，为此他整整奋斗了一年多，直到1923年6月，也没有得到结果，此时他还不到23岁。正在一筹莫展之时，一篇论文使他眼前一亮，这是卢瑟福手下的研究生斯托纳1924年10月发表在英国《哲学》杂志上的一篇论文，题目是“原子能级中电子的排布”。
斯托纳认为，就像惰性气体原子中的电子那样，碱金属原子最外层的电子也有多种能态可以选择，例如，锂的价电子就可以选择8种之中的任何一种能态，而这个数值8正好就是周期表下一列氖原子闭合壳层的电子数。泡利立刻意识到，在这个说法里，可以找到玻尔原子壳层电子排布的量子数准则。
泡利耐心地思考了起来。在当时，原子的电子状态用3个量子数来表征，这就是n、k和m，对于电子的第一个壳层，也就是n=1、k=1、m=0时，对应的能量状态就是（1，1，0），这个壳层最多可以容纳2个电子；对于第二个壳层，即n=2，要么是k=1、m=0；要么就是k=2、m=-1、0、1，于是第二个壳层所可能选择的状态就是（2，1，0）、（2，2，-1）、（2，2，0）、（2，2，1），这个壳层最多可以容纳10个电子；依照同样的方法，对于第3个壳层，电子能态有9个可选的状态，最多可以容纳18个电子。
斯托纳的论文很枯燥，但是到了这里，他忽然得出了一个有趣的结论，当原子中每个电子壳层都充满电子时，每个壳层可以容纳电子数是N=2n2。也就是当n=1、2、3、4和5时，满壳层的电子数是N=2、10、18、32和50，泡利见到这一系列数，立刻一惊，他忽然想起来索末菲的嘱咐，这不正是索末菲请他注意的那组数吗！
在这组数中，果然有些事情可以挖掘。面对这组数，他继续思考着，为什么每个壳层可容纳的电子数N会是n2的2倍呢？他下意识地认为，在自然规律中所显现的数字不可能没有道理，数字2绝不是偶然出现的，一定有更大的秘密蕴藏在其中。他忽然想到，数值2是否意味着还应该再加一个量子数来表征电子的排布呢？所加的这个新量子数一定与其他的量子数不同，它只可能取两个值，泡利把这个性质叫做“二值性”，它标志着电子的能态可以有双倍可取的机会。
看问题一贯犀利的泡利一下子抓住了问题的关键，新量子数的“二值性”起到了一箭双雕的效果。正是这个“二值性”造成了谱线的复杂分裂，由此揭开了“反常塞曼效应”的根源。更重要的是，电子的量子状态只能是“二取一”，由此使泡利发现了电子状态的一个重要规则，即“在给定的原子中，不可能有两个电子处于4个量子数完全相同的状态之中。”这是泡利的一个重大的发现。1925年3月21日，泡利以“不相容原理”为题，把他的论文发表在德国物理杂志上，当时他年仅24岁。
在一开始，泡利的这一原理没有立刻引起人们的注意，事后的发展却证明，它有着强大的生命力。随着物理学的进展，人们发现泡利原理适用于所有符合费米统计规律的粒子，即费米子。于是泡利原理又有了进一步的发展，它的陈述是：“在由费米子组成的系统中，任何两个费米子，如电子、质子、中子和夸克等，都不可能处于同一个能态之中。”随着这一原理从电子扩展到所有费米子，这一原理在物理学中的影响也逐渐深远。在含有电子的体系中，在分子的化学键理论中，在固态金属、半导体和绝缘材料的相关理论中，泡利不相容原理都有着重要的应用，它成为量子理论中的重要原理之一，也是认识自然现象的基础理论之一。
1940年以后，泡利进一步证明，这个原理可以从相对论波动方程中推导出来。泡利原理在发表20年之后被人们重新提起，泡利因此获得了1945年的诺贝尔物理学奖，而提名泡利的正是爱因斯坦。他认为不相容原理为发现自然新规律做出了重要贡献，是20世纪物理学中最伟大的发现之一。图2是泡利发表诺贝尔物理学奖获奖致辞。
图2
关键词：沃尔夫冈·泡利，不相容原理，Wolfgang Pauli，exclusion principle