泡利不相容（熵增是最绝望的定律）

　　泡利不相容（熵增是最绝望的定律）
　　上回我们说了德布罗意的物质波，这个发现解释了玻尔原子模型中，一些不自然的假设，比如，电子存在分立的轨道，在这些轨道上电子不辐射能量。
　　可玻尔的原子模型总归是，经典物理学和量子论产下的怪胎，它身上还有很多疑难杂症，比如电子在核外的排布问题？以及我们前面提到的反常塞曼效应。
　　这两个问题是我们今天的主角，泡利的战场。
　　沃尔夫冈泡利，1900年4月25日出生在维也纳，对于那些老一辈的物理学家来说，00后一代将是未来的希望。
　　他们的成长过程一直沐浴在相对论和量子论的洗礼当中，思想上不会受制于经典物理学条条框框的限制，所以未来的量子力学将是年轻人的天下，老一辈已经后劲不足，只能给这些年轻人加油打气了。
　　我们接着说泡利。
　　1918年9月他选择了慕尼黑大学，在索末菲手下攻读博士学位。不过此时的泡利已经写了一份关于广义相对论的论文，在所有人的眼里，不满19岁的他已经是一位相对论的专家了。
　　关于泡利最值得说的就是他的性格，当他还是学生的时候，人们说他的嘴尖酸刻薄，怼人的时候毫不留情面，在任何人的面前都会直接指出错误，就连爱因斯坦也不例外。你跟泡利说话，很可能下一句他就要怼你。所以人们送他外号：上帝的鞭子。
　　泡利批评别人的时候，习惯这样说：你的想法连错误都算不上。这句话确实挺狠的。玻尔不同意别人观点的时候，就比较含蓄，他会说：你的想法挺有趣的。
　　后来海森堡，也学会了玻尔这句话，他也喜欢说：你的文章挺有趣的。
　　泡利虽然嘴上不饶人，但有一人除外，就是他的老师索末菲，泡利在索末菲的面前永远都是毕恭毕敬的，索末菲也很器重他的这位学生。
　　从一件事可以看出来，索末菲曾经在编写《德国百科全书》第五卷物理学部分的时候，就邀请泡利写相对论的部分，泡利也不负老师的期望，一下写了几百页，爱因斯坦看了以后都觉得泡利对相对论的解释非常的深刻，没有一丁点需要修改的地方。
　　1921年泡利获得博士学位，在博士论文中，他发现玻尔索末菲的原子模型连电离氢分子都无法做出准确的描述，更不用说更为复杂的原子和分子。
　　同年泡利离开慕尼黑，应波恩的邀请来到歌根廷大学给波恩当了一段时间的助手，不过泡利这个人，豪放不羁，波恩根本掌控不住，每天还得安排女仆叫泡利起床给学生上课。
　　最主要的是，泡利不喜欢波恩，在研究当中，泡利比较看重的是物理直觉，但是波恩总是喜欢玩弄那些沉长的数学公式，他觉得波恩没有物理直觉，所以道不同不相为谋。
　　很快，1922年4月泡利就去了汉堡大学担任助教。6月他又回到了歌根廷大学，因为有一个人要来这个地方做演讲，他就是玻尔。
　　演讲的当天，索末菲也带着自己学生前来学习，其中就有海森堡，玻尔在演讲中主要提到了一件事，就是他对原子核外电子排布的想法，解释了元素周期表中为什么元素具有不同的化学性质，为什么周期表中元素的化学性质会表现出周期性的规律。
　　波尔说，现在的原子模型有三个量子数，主量子数n，角量子数l，磁量子数ml，分别决定了电子轨道的大小，形状和方向，原子模型成为了一个三维壳层结构。
　　电子在核外一层一层的壳层中绕着原子核运行，每个壳层中可容纳的电子数依次为2、8、18、32等等。
　　而且由这些数字构成的电子壳层都是闭合的电子壳层，只有闭合壳层外的电子才会参与化学反应，称为价电子。
　　（当然每个壳层中，电子的轨道又分为S亚轨道，p亚轨道，d亚轨道，电子在每个壳层中的填充顺序由上图给出，不过这里我们不需要了解太多，毕竟这不是教科书）
　　下面我们举个例子，看看玻尔说的是啥意思，比如惰性气体，氦、氖、氩、氪、氙、氡，他们的原子数分别为2、10、18、36、54、86，他们之所以是惰性气体，化学性质相似，是因为最外层的电子数目形成了一个闭合的壳层，使得原子不愿意失去，也不愿意获得任何一个电子，所以他们不喜欢参与化学反应。
　　比如氦的电子排布为2，氖为2、8，氩为2、8、8，氪为2、8、18、8，氙为2、8、18、18、8，除了氦，他们最外层的电子数都是8，不愿意失去，也不愿意获得电子。
　　而排在惰性气体前面的那一列元素，它们正好就缺一个电子，最外层就可以形成闭合的壳层，它们是氢和卤族元素：氟、氯、溴、碘、砹，原子序数分别为1、9、17、35、53、87，可以看出正好比惰性气体天生少了一个电子，所以它们很想获得一个电子，在外层形成一个闭合的壳层结构。
　　和卤族元素正好相反的是碱性金属，锂、钠、钾、铷、铯、还有钫，它们的原子序数分别为3、11、19、37、55、87，如果把它们的电子排列一下，就会发现在闭合壳层外，这些元素的最外层都只有一个电子，所以它们很想丢掉这个电子，变成正离子，这样它们最外层就是一个闭合的壳层了。
　　比如碱性金属钠，它想丢掉最外层的电子，所以非常活泼，遇水就能爆炸，卤族元素氯，迫切地想获得一个电子，它也很活泼，在一战的时候毒死了数十万人。
　　它俩一合计，要不结合一下，生出来的儿子肯定更牛，没想到变成了氯化钠。化学性质非常稳定。这就是化学的神奇之处。两个王炸，居然生出来了一只小绵羊。
　　玻尔成功地解释了元素的化学性质，这时的化学才成为了一门独立的、逻辑自洽的学科，化学家也从此摆脱了炼金术士的帽子。
　　在演讲结束以后，玻尔邀请泡利去他的研究所，给他担任为期一年的助手，泡利爽快地答应了，1922年的秋天泡利去了哥本哈根。
　　到了根本哈根以后，玻尔让泡利试着研究下反常塞曼效应，在弱磁场下氢光谱的单条谱线会分裂成2条或者3条，这是塞曼效应，索末菲引入磁量子数解决了这个问题，很快人们就发现，在强磁场下，氢光谱会非裂成4条或者5条。这是反常塞曼效应。
　　这个问题困扰了泡利很长一段时间，在哥本哈根的一年中，泡利多半时间都在思考这个问题，搞得他整天闷闷不乐，直到他1923年的9月离开哥本哈根回到汉堡大学的时候，依然没有想通是咋回事。
　　1924年，泡利总于是取得了一点突破，他觉得要想解决反常塞曼效应，必须先解释玻尔的原子模型中，为什么第一个壳层可以容纳2个电子，第二个壳层可以容纳8个电子，第三个18个电子，等等。为什么所有的电子不挤在最低的能态？
　　只有先解决了电子为什么是这样排布的，才能解释在磁场中电子到底发生了啥事。1924年泡利找到了一条关键的线索。
　　这条线索是10月份剑桥的一位研究生斯托纳，在《自然科学》杂志上发表的一篇论文《原子能级中的电子分布》；
　　斯托纳认为，现在的原子中有三个量子数，根据这三个量子数，可以知道在一个电子壳层中存在多少个可能的电子轨道，或者说是可能的能级。
　　比如当n等于1的时候，l只能取0，ml也只能取0，所以原子的第一个，电子壳层中只有一个能态，也就是（1、0、0），当n等于2的时候，l可以取值为0和1，ml可取值为1、0和1。
　　那么在电子的第二个壳层中，存在的能态有（2、0、0）（2、1、1）（2、1、0），（2、1、1）。同样的第三层，第四层也可以这样排列出来。
　　斯托纳发现，按照玻尔的说法，每个壳层中可以容纳的电子数是能态数的2倍，你看，第一层只有一个能态，但可以容纳两个电子，第二层是四个能态，但可以容纳8个电子。
　　也就是说，当电子数量是能态数的两倍时，电子壳层就是满的，或者说是闭合的。满足这样数学关系，2n。n是主量子数，每个壳层可以容纳多少个电子，就可以用这个简单的公式算出来。
　　泡利对这个2倍产生了疑问，为什么是能态数的两倍？敏锐的物理直觉让泡利觉得应该存在一个具有二值性的量子数没有被发现。
　　这个量子数应该作用在电子本身，只有这样，两个电子就可以处在同一个轨道上。原子中的电子数才能增加2倍。