杨振宁评价狄拉克的作品:秋水文章不染尘直到深处的奥秘

2018-03-27 18:19

  导读:本章摘自学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的,但世界的确定性不是我们能把我的。

  狄拉克可以说是最害羞,最特立独行的科学家之一。喜欢一个人做研究,不愿意代学生。

  原先,狄拉克希望研究一直以来感兴趣的,然而在拉尔夫·福勒的指导下,狄拉克开始接触原子理论。福勒将原子理论中最新的概念如尼尔斯·玻尔等人的理论介绍给了狄拉克。

  对此狄拉克曾回忆到:“还记得我头一回看到玻尔的理论,我相当惊讶...让人惊奇的是在特定的条件下,我们居然能将牛顿定律用在原子里的电子。第一个条件是忽略电子辐射,第二则是放入量子条件。我仍记得很清楚,玻尔的理论当时给了我多大的震撼。我相信在发展量子力学上,玻尔引入的这个概念是最大的突破。”

  之后狄拉克也尝试着将玻尔的理论作延伸。1925年维尔纳·海森堡提出了着眼于可观察的物理量的理论,当中牵涉到矩阵相乘的不可交换性。狄拉克起初对此并不特别欣赏,然而约莫两个星期之后,他意识到当中的不可交换性带有重要的意义,并且发现了经典力学中泊松括号与海森堡提出的矩阵力学规则的相似之处。基于这项发现,他得出更明确的量子化规则(即正则量子化)。这份名为《量子力学》的论文发表于1926年,狄拉克也凭借这项工作获得博士学位。

  通过这一点,就可以说明狄拉克有很高科学,对于不同寻常不看作是偶然,认为他们必有意义。这也是我一直所有章节中强调的。世界的确定,一切相似,定有渊源。

  同时埃尔温·薛定谔以物质波的波方程提出了自己的量子理论。狄拉克很快地发现到海森堡与薛定谔两人的理论是彼此互补的,并开始研究起薛定谔的波动力学。

  1926年9月,在福勒的之下,狄拉克前往位于哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所作了一段时间的研究。在哥本哈根的这段期间,狄拉克持续量子力学的研究,发展出了涵盖波动力学与矩阵力学的广义理论。这个方法与经典哈密顿力学理正则变换相类似,允许使用不同组的变量基底。此外,为了处理连续的变量,狄拉克引入了新的数学工具—狄拉克δ函数。

  狄拉克也开始研究辐射理论。在他的文章“吸收和放出辐射的量子理论”中,他运用二次量子化的技巧将波函数量子化,进一步将光子辐射与玻色-爱因斯坦统计连结起来。在这个方法中,粒子集合的量子态是以其粒子在各能态中的分布来表示,并以粒子的创造与消灭来对量子态作改变。狄拉克展示了两种方法是等价的,将电以光子处理或将场作量子化。事实上,这个工作引发了新的物理课题—量子场论,而二次量子化则成为后来量子电动力学的基础。

  1927年2月狄拉克来到哥廷根,在此他待了几个月并结识了赫尔曼·外尔、马克斯·玻恩、罗伯特·奥本海默等人。

  二战期间,狄拉克投入研发同位素分离法以取得铀235。这在原子能的应用上是极关键的技术。

  他发展了量子力学,提出了著名的狄拉克方程,并且从理论上预言了正电子的存在。

  狄拉克原来从事动力学的研究,自从1925年海森伯访问剑桥大学以后,狄拉克深受影响,把精力转向量子力学的研究。

  1928年他把引进了量子力学,建立了形式的薛定谔方程,也就是著名的狄拉克方程。

  这一方程具有两个特点:一是满足的所有要求,适用于运动速度无论多快电子;二是它能自动地导出电子有自旋的结论。

  这一方程的解很特别,既包括正能态,也包括负能态。狄拉克由此做出了存在正电子的预言,认为正电子是电子的一个镜像,它们具有严格相同的质量,但是电荷符号相反。

  狄拉克根据这个图象,还预料存在着一个电子和一个正电子互相湮灭放出光子的过程;相反,这个过程的逆过程,就是一个光子湮灭产生出一个电子和一个正电子的过程也是可能存在的。

  1932年,美国物理学家安德森在研究射线簇射中高能电子径迹的时候,奇怪地发现强中有一半电子向一个方向偏转,另一半向相反方向偏转,经过仔细辨认,这就是狄拉克预言的正电子。

  后来很快又发现了γ射线产生电子对,正、负电子碰撞“湮灭”成光子等现象,全面印证了狄拉克预言的正确性。狄拉克的工作,开创了反粒子和反物质的理论和实验研究。

  狄拉克是量子辐射理论的创始人,曾经和费米各自发现了费米-狄拉克统计法。这个我们后面要讲。

  4、在量子场论尤其是量子电动力学方面也作出了奠基性的工作。在引力论和引力量子化方面也有杰出的工作。

  他的学生约翰·波罗金侯恩曾回忆道:“有次他被问到对于物理的核心,他黑板并写下‘自然的应该用优美的方程去描述’”

  对于狄拉克,玻尔对他影响很大。但玻尔曾说:“在所有的物理学家中,狄拉克拥有最的灵魂。”

  马克斯·玻恩曾回忆到他第一次看狄拉克的文章:“ 我记得非常清楚,这是我一生的研究经历中最大的惊奇之一。我完全不知道狄拉克是谁,可以推测大概是个年轻人,然而其文章每个部分都相当完美且可敬。 ”

  物理学家杨振宁在1991年发表《对称的物理学》一文,提到他对狄拉克的看法:“ 在量子物理学中,对称概念的存在,我曾把狄拉克这一大胆的、独创性的预言比之为复数的首次引入,复数的引入扩大改善了我们对于整数的理解,它为整个数学奠定了基础,狄拉克的预言扩大了我们对于场论的理解,奠定了量子电动场论的基础。”

  杨振宁曾提到狄拉克的文章给人“秋水文章不染尘”的感受,没有任何渣滓,直达深处,直达的奥秘。

  他重视学术上的追求,在物质生活上毫无享受,他不喝酒,不抽烟,只喝水。喜欢走和游泳,偶而也会和朋友去电影院看电影。此外,狄拉克是出了名的精确与沉默寡言。他在剑桥大学的同事曾经开玩笑地定义了“一个小时说一个字”为一个“狄拉克”单位。

  尼尔斯·玻尔写作论文的方式是自己,请别人纪录下来。有一回波尔不断地说了又改,抱怨说不知该如何完成一篇文章的某个句子,当时正好在场的狄拉克如此说到:“我以前在学校时被这么,在还不知道如何结束一个句子前,不要动笔。”

  另外关于狄拉克的教观点,海森堡搜集了的1927年索尔维会议中一群年轻学者的对话,内容是讨论爱因斯坦和普朗克对教的观点。泡利、海森堡与狄拉克皆接参与其中。狄拉克了教上的意图,而玻尔则赞许了其面。

  对于其他的部分,狄拉克有这样的意见:“ 我不能理解我们为何闲着没事要讨论教。如果我们抱持科学家该有的诚实态度,那必须承认教混杂着虚假的断言,没有真实的基础。的概念不过是人类幻想的产物。对于那些在自然力量下的原始人类,不难理解他们会将这些恐惧与害怕拟人化。然而如今我们已经了解了这么多自然现象,我们不再需要如此看待自然。我一直都不明白,假设一个全知全能的对我们到底有什么好处。这个假设导致了无数的问题,例如为何容许和不、富人对穷人的剥削利用以及各种他该为我们消弭的恐怖。

  如果教仍持续被,那绝不是因为这些思想了我们,而是因为有部分人士希望底下的人们保持沉默。比起吵闹与不满的群众,那些沉默的大众更容易,同时也更容易剥削。教正是一种鸦片,使民族而沉浸于一厢情愿的梦想,忘却了不公不义。也因此国家与一直是密切的联盟。双方都需要这种错觉,一位好心的神将会(如果不在就会在天堂)励那些不对抗不公义、毫无怨言默默完成工作的人们。这也是为何,把神视作一种幻想的这种想法总是被当作人类最大的。”

  海森堡对此接受各种意见。泡利作为一名天主,从话题一开始便一直保持沉默,然而在被问及意见时他说到:“看来我们的好友狄拉克抱持一种,而其指导原则是‘不存在,而狄拉克是祂的先知’”所有人包括狄拉克都大笑了起来。