物理群星
保罗·狄拉克 肖像

保罗·狄拉克

Paul Dirac

1902–1984 · 生于英格兰布里斯托尔 · 英国

量子力学粒子物理

用一行方程预言了反物质的沉默者

诺贝尔物理学奖 1933 发现原子理论的新的富有成效的形式(与薛定谔同获)

「物理定律应当具有数学之美。」

—— 1956 年访问莫斯科大学时应邀写在黑板上的题词(一说 1955 年)

人生时间线

  1. 1902

    生于英格兰布里斯托尔,父亲是来自瑞士的法语教师

  2. 1923

    在布里斯托尔先后读完电气工程与数学后,入剑桥圣约翰学院随福勒攻读博士

  3. 1925

    从福勒手中读到海森堡新论文的校样,独立发展出自己的量子力学表述

  4. 1928

    写下狄拉克方程,统一量子力学与狭义相对论

  5. 1931

    由方程的负能解正式预言「反电子」的存在

  6. 1932

    出任剑桥卢卡斯数学教授——牛顿坐过的教席;同年安德森在宇宙线中发现正电子

  7. 1933

    与薛定谔分享诺贝尔物理学奖

  8. 1971

    离开剑桥后定居美国,任佛罗里达州立大学教授

  9. 1984

    在佛罗里达塔拉哈西逝世

伟大发现

代表方程

狄拉克方程

(iγμμm)ψ=0(i\gamma^\mu \partial_\mu - m)\psi = 0

让量子力学与狭义相对论握手言和的方程——电子的自旋从中自动跳出,还预言了一整个由反物质构成的镜像世界。

在量子力学的英雄谱里,狄拉克是最安静的一位。他惜字如金、不解世故,却用最优雅的数学写下了或许是物理学史上「性价比」最高的一行方程——它不仅让量子力学服从了相对论,还凭空预言了半个宇宙:反物质。

布里斯托尔的沉默少年

狄拉克 1902 年生于布里斯托尔。父亲是位从瑞士移民来的法语教师,家教严苛,规定儿子在餐桌上只许用法语和自己交谈;狄拉克后来说,既然自己用法语表达不了想说的话,那不如沉默。这种沉默跟了他一辈子。他先在本地学院读电气工程,毕业赶上经济萧条找不到工作,又回头读了数学——工程师训练教会他容忍近似,数学训练教会他追求严格,两者的合流塑造了他独一无二的风格。1923 年,他拿着奖学金进入剑桥圣约翰学院。

一狄拉克 = 每小时一个词

在剑桥,狄拉克的寡言成了传奇,同事们戏称应设立一个新单位:「一狄拉克」,即每小时说一个词。逸闻很多:有听众说「我没听懂黑板右上那一步」,他久久不答,主持人提醒他回答问题,他说:那不是问题,是陈述。1925 年秋,导师福勒把海森堡新论文的校样转给他。几周后,狄拉克在一次散步中意识到,海森堡那种「乘法不可交换」的怪异结构,恰好对应经典力学里的泊松括号。他随即独立发展出一套更普遍、更优美的量子力学表述。1926 年他的博士论文题目干脆就叫《量子力学》——历史上第一篇以此为题的博士论文。

美丽的方程

1928 年初,狄拉克着手解决一个人人知道却无人啃得动的难题:薛定谔方程不满足狭义相对论,而当时已有的相对论化尝试(克莱因–戈尔登方程)会算出荒谬的负概率。狄拉克坚信方程对时间应当是一阶的,为此他「玩弄」各种数学结构,最终发现必须引入四行四列的矩阵,让波函数变成四个分量。奇迹随之而来:电子的自旋和磁矩不再需要像以前那样用手塞进理论,而是从方程里自动流淌出来;氢原子光谱的精细结构也应声而解。方程之简洁令同行瞠目——它如今就刻在威斯敏斯特教堂狄拉克纪念石上,与牛顿为邻。

多出来的解

但方程给出的解是「双份」的:除了正能量的电子,还有一族负能量的解,赶不走、删不掉。别人视之为灾难,狄拉克选择认真对待。几经反复,他在 1931 年给出惊人的论断:这些解描述一种质量与电子相同、电荷相反的新粒子——「反电子」。1932 年,美国人安德森在宇宙线的云室照片里真的找到了它,命名为正电子。纯粹的数学推理跑在了实验前面,凭空点出半个宇宙的存在,这在科学史上前所未有。后人常感叹:这个方程比它的作者还聪明。反物质从此由纸上概念变为实验室常客,狄拉克「物理定律应当具有数学之美」的信条也有了最硬的注脚。

教科书与晚年

1930 年,狄拉克出版《量子力学原理》,以公理般的简洁统一了矩阵与波动两种表述,至今仍在重印;他在书中引入的左矢、右矢和 δ 函数成了物理学家的日常语言。1932 年他出任剑桥卢卡斯数学教授,次年获诺贝尔奖——他一度想拒领以躲避出名,卢瑟福劝道:你拒绝了会更出名。此后他还开创性地研究了磁单极子与量子场论的雏形,深刻影响了费曼的路径积分。1969 年从剑桥退休后,他与妻子曼奇定居佛罗里达,在州立大学继续讲学散步,1984 年于塔拉哈西安然离世。一生低调如他,留下的却是教科书里绕不开的名字。

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