保罗·狄拉克——“数学美”指引研究道路

保罗·狄拉克——“数学美”指引研究道路

保罗·狄拉克

保罗·狄拉克,英国理论物理学家,量子力学的奠基者之一,并对量子电动力学早期的发展作出重要贡献。

保罗·狄拉克——“数学美”指引研究道路

荣誉

狄拉克与埃尔温·薛定谔由于“发现了原子理论的新形式”共同获得1933年的诺贝尔物理奖。此外,狄拉克在1939年获颁皇家奖章,1952年获颁科普利奖章以及马克斯·普朗克奖章。他在1930年被选作皇家学会院士,1948年和1971年分别被选作美国物理学会及英国物理学会荣誉会士。1973年狄拉克获颁功绩勋章,在英国这是极高的荣誉。

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研究风格——数学方程的美

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信念,他走向黑板并写下‘自然的法则应该用优美的方程去描述’”。

1955年狄拉克在莫斯科大学物理系演讲时被问及他个人的物理哲学,他这么回答:“一个物理定律必须具有数学美。”,狄拉克写上这句话的黑板至今仍被保存著。

狄拉克经常谈到应该优先寻找美丽的方程,而不要烦恼其物理意义。史蒂文·温伯格对此曾有评论:“狄拉克告诉学物理的学生不要烦恼方程的物理意义,而要关注方程的美。这个建议只对那些于数学纯粹之美非常敏锐的物理学家才有用,他们可以仰赖它寻找前进的方向。这种物理学家并不多——或许只有狄拉克本人。”

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求学

求学

保罗·狄拉克,1902年8月8日出生在英格兰西南部的布里斯托,成长在毕晓普斯顿区的城市。

狄拉克第一次受教育是在主教路小学,然后在男子商人合营技术学院(后来的考瑟姆学校)就读。他的父亲在那里是一位法语老师。

之后狄拉克在布里斯托大学工程学院学习电机工程。尽管最喜欢的科目是数学,狄拉克后来声称工程教育对他影响深远:“原先,我只对完全正确的方程感兴趣。然而我所接受的工程训练教导我要容许近似,有时候我能够从这些理论中发现惊人的美,即使它是以近似为基础...如果没有这些来自工程学的训练,我或许无法在后来的研究作出任何成果...我持续在之后的工作运用这些不完全严谨的工程数学,我相信你们可以从我后来的文章中看出来...那些要求所有计算推导上完全精确的数学家很难在物理上走得很远。”

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研究生涯

原先,狄拉克希望研究一直以来感兴趣的相对论,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)。

狄拉克方程

1928年他把相对论引进了量子力学,建立了相对论形式的薛定谔方程,也就是著名的狄拉克方程。这一方程具有两个特点:

一是满足相对论的所有要求,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。

反物质存在性

1932年,美国物理学家安德森(1923-)在研究宇宙射线簇射中高能电子径迹的时候,奇怪地发现强磁场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。

物理之美的追寻

保罗·狄拉克也是一位超常的天才,他的方程预示了反物质的存在,他可以说是继牛顿之后英国最伟大的理论物理学家。 狄拉克在23岁时成为量子力学的创始人之一。该理论是在二十世纪二三十年代发展起来的,提出了很多看起来很古怪的论断,其中包括世界是不可能被完全了解的基本事实。

但是当他的同事还在被方程的哲学含义而困扰时,狄拉克认为语言是危险的,而只注重数学上的价值。对他而言,方程是美丽的。随着年龄的增长,他愈发确认美是通往真理的向导。他认为基础物理是可以从优雅的数学中拾取的,这一观点现已渗入到整个探索自然的领域。

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第一届物理会议

人物评价

玻尔曾说:“在所有的物理学家中,狄拉克拥有最纯洁的灵魂。”

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。”

美籍华裔物理学家杨振宁在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负数的首次引入,负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,直达宇宙的奥秘。


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