03.06 狄拉克這個人到底有多厲害?

無情的人192964207


英國一直不缺乏最優秀的物理學家,從牛頓開始,到麥克斯韋,再到狄拉克(1902-1984),都是第一流的物理學家。牛頓是經典力學的締造者,麥克斯韋是電磁理論的創建者,而狄拉克是量子力學理論體系的最終完成者。

1925年,當狄拉克還是一個研究生的時候,他讀到了海森堡關於量子力學的一篇論文,狄拉克發現海森堡論文中的矩陣對易關係和經典力學中的泊松括號在結構上很像,受此啟發狄拉克很快就發展出了一套基於非對易力學量的量子理論。

狄拉克對量子力學的重新陳述,掃清了籠罩在這一理論之上的朦朧的面紗,量子力學變得和經典力學一樣清晰優美,我們今天學習的量子力學就是基於狄拉克發展起來的形式,狄拉克發明出來的一些工具,如:狄拉克記號,狄拉克函數等都使得量子力學的計算變得簡潔清晰。

針對電子(或更一般地,自旋半奇數的粒子),狄拉克發展了費米-狄拉克統計,這屬於量子統計的基礎工作,是以後研究金屬,半導體等的基礎。

狄拉克最重要的工作是發展了相對論性量子力學(1928)。此前的量子力學只適用於非相對論性粒子,狄拉克通過引入一系列4x4的矩陣,得到了描述電子運動的“相對論性”方程-狄拉克方程:

這個方程很厲害。它解釋了電子為什麼具有自旋1/2;能夠描述電子的產生和湮滅過程;預言了反粒子(對於電子來說就是正電子)。

當時的科學家只知道有電子、質子和中子。狄拉克預言的與電子質量相等,但電荷相反的粒子誰也沒見過,這難免讓狄拉克心裡有點不安,但狄拉克覺得他的方程很優美,這麼優美的方程一定反映了物理現實。

狄拉克非常幸運,很快安德森就在宇宙射線中找到了正電子(1932),證實了狄拉克的預言。這使狄拉克獲得了1933年的諾貝爾物理學獎。

PS:狄拉克有多厲害呢,這裡還有一個小故事。

上世紀初在學霸圈流行這樣一個小遊戲,用4個2和基礎的數學運算表示自然數,從1開始,1,2,3,4……,看誰能表示的多。比如這樣:

後來這個問題被狄拉克一勞永逸的解決了,因為他找到了一個通式,可以表示從1,2,3,4……一直到n。

這個式子是:

比如:


物理思維


  • 在量子力學的極早期,獨自發現了海森伯矩陣力學與經典力學中泊松括號的關係。
  • 在海森伯矩陣力學與薛定諤的波動力學爭執不休的時候,發現了兩者內在的等價性。

  • 發展出二次量子化,將光子輻射和玻色愛因斯坦凝聚統一起來。同時為量子場論的出現奠定了基礎。

  • 發展相對論量子力學,提出了著名且優美的狄拉克方程,預言了正電子。

以上成就,每一個都用問鼎諾貝爾物理學獎的實力。

當我在這裡卻想說的是另一件事,這是狄拉克相比其他物理學家更加耀眼可貴的光環:他的研究風格。

1955年狄拉克在莫斯科大學物理系演講時被問及他個人的物理哲學,他這麼回答:“一個物理定律必須具有數學美。”

狄拉克的研究風格是徹徹底底地追求方程本身的美,看方程美的指引來發現科學。

楊振寧曾提到狄拉克的文章給人“秋水文章不染塵”的感受,沒有任何渣滓,直達深處,直達宇宙的奧秘。在1991年發表《對稱的物理學》中提到楊振寧再次提到對狄拉克的看法:“在量子物理學中,對稱概念的存在,我曾把狄拉克這一大膽的、獨創性的預言比之為複數的首次引入,複數的引入擴大改善了我們對於整數的理解,它為整個數學奠定了基礎,狄拉克的預言擴大了我們對於場論的理解,奠定了量子電動場論的基礎。”

馬克斯·玻恩曾回憶到他第一次看狄拉克的文章:“我記得非常清楚,這是我一生的研究經歷中最大的驚奇之一。我完全不知道狄拉克是誰,可以推測大概是個年輕人,然而其文章每個部分都相當完美且可敬。”

史蒂文·溫伯格對此曾有評論:“狄拉克告訴學物理的學生不要煩惱方程的物理意義,而要關注方程的美。這個建議只對那些於數學純粹之美非常敏銳的物理學家才有用,他們可以仰賴它尋找前進的方向。這種物理學家並不多——或許只有狄拉克本人。”

以上三位均是載入史冊的大物理學家,能得到此三人如此高的推崇,我想狄拉克有多厲害,大概可見一斑吧。


低熵製造機


1925年,海森堡寫出新量子力學的第一篇文章。然後他訪問劍橋大學,期間提到這個工作。富勒教授請他回去後寄一份校樣。收到以後,富勒交給他的一個研究生看。這個研究生名叫狄拉克。狄拉克之前在布里斯托大學念電子工程,這個工程學訓練使得他重視近似的重要性。

研究生狄拉克感覺海森堡抓住了問題的本質。狄拉克將海森堡的矩陣與經典力學的哈密頓-雅可比理論聯繫起來,發現了海森堡提出的對易子與經典力學中的泊松括號的對應,由此立即發表了一篇文章。在這篇文章中,他還提出了產生和湮滅算符的最初形式。

幾周後,狄拉克又完成一篇論文,提出所謂的“q-數”,即我們現在所知的算符。接著在下一篇論文中,狄拉克將他的理論用於氫原子問題,得到於實驗相符的結果。

在1926年8月的一篇文章中,狄拉克將他的理論與薛定諤於1月份提出的波動力學聯繫起來。 在這篇文章中,他還討論了全同粒子波函數的兩種形式,即對稱與反對稱。這兩種粒子我們現在稱作費米子和玻色子。狄拉克還就量子力學的微擾論、康普頓效應發表了一些論文。

1926年,狄拉克獲得博士學位。

1927年,狄拉克發表了他的變換理論。在這之前,薛定諤指出他的波動力學與海森堡等人的矩陣力學的等效性。而狄拉克的變換理論嚴格證明了這些都是同一個量子力學的不同形式。

1928年,狄拉克又提出電子的相對論量子力學方程。這個方程導致了正電子的預言。

馬約拉納發現,狄拉克方程有實數波函數解,從而正反粒子是同一個粒子,這就是後來著名的馬約拉納費米子。最近張首晟稱之為“天使粒子”(見我7月21日的回答)。

因為“原子理論的新形式及其應用”,狄拉克與薛定諤分享1933年諾貝爾物理學獎。

現在,在倫敦的威斯敏斯特教堂,有一個狄拉克的墓碑,上面刻著狄拉克方程。


物理文化與施鬱世界線


像羚羊一樣害羞,如女王僕人一樣謙遜。

1933年,因為"發現了在原子理論裡很有用的新形式"(即量子力學的基本方程--薛定諤方程和狄拉克方程),狄拉克和薛定諤共同獲得了諾貝爾物理學獎。

然而,剛開始狄拉克卻對好友盧瑟福說想拒絕這個榮譽,因為他討厭名聲,討厭公眾的媒體的大肆議論和宣傳。

此時,盧瑟福就對他說:“如果你這樣做,你會更出名,人家更要來麻煩你。”

最終,狄拉克像要出嫁的姑娘一樣,羞答答地走上了諾貝爾獎領獎臺,並發表“電子與正電子的理論”的得獎演說。。。

1902年,狄拉克出身於在一個父親專制的家庭,小時候狄拉克和哥哥妹妹過的並不開心。專制的父親連出行都會進行限制,導致狄拉克只能看著其他小夥伴愉快的玩耍。

由於父親的專制、偏執,狄拉克與父親的關係一直不太好,甚至可以說是關係緊張。所以,在父親去世後,狄拉克有種解放了的感覺:"我覺得我更自由了,我要做我自己。"

父親的專制讓狄拉克從小隻能將自己的精力放在課本上,天才的數學天賦就已經顯現,無論老師佈置多難的課後習題,他都會在下課前就做出來。。。

傳奇的人生從小就開始,在後來的日子裡,已經沒有數學老師可以教他了,只能讓他與另外一位學霸待在一個房間裡自學。

可怕的是,跟他同個房間的學霸也被虐得渣都不剩,只留對生命淡淡的懷疑。

畢業後,狄拉克來了考瑟姆學校,學習到了豐富的理工科知識。

之後,狄拉克又去到了布里斯托大學學習電機工程。儘管狄拉克最喜歡的是數學,但是,狄拉克表示工程教育才是對他影響最大的

1923年,21歲的狄拉克便進入到劍橋大學開始進修,原先,狄拉克個人相對論十分感興趣。之後卻在拉爾夫·福勒的“蠱惑”下,選擇了量子力學,躋身進入到量子力學一流研究者的行列之中,可以與眾多前輩大神波爾、泡利、海森堡等相提並論了。

也就在1926年,狄拉克發表論文《量子力學》,成功獲得博士學位。在福勒的建議下,去到哥本哈根的波爾研究所,繼續進行量子力學的研究,同時也開始研究輻射理論,並且將兩者結合起來,引發了一個新的物理課題——量子場論。

1928年,狄拉克把相對論引進量子力學,建立了相對論形式的薛定諤方程,也就是著名的狄拉克方程,並因此於1933年榮獲諾貝爾物理學獎。

有意思的是,在獲得諾貝爾獎後,面對記者的採訪,狄拉克卻說:我的工作並沒有實用價值。

在場的記者滿臉驚訝,以為狄拉克在開玩笑:但它科恩鞥具有實用價值嗎?

狄拉克淡定地回答:那我就不知道了,不過我想不會有吧。

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高冷的狄拉克陷入愛情後,便開始釋放自我,原本沉默寡言,當見到曼茜卻說個不停,各種情書信手拈來。

狄拉克曾深情地說:你讓我成了有血有肉的人。就算我在今後的工作中什麼成績也沒有,和你生活在一起我也能過得幸福。


超級數學建模


狄拉克做出的狄拉克方程很厲害:預言了正電子,後來被實驗所證實,他本人也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

還有一個小故事貌似簡單,但也在一定程度上證實了他的專心的心不旁鶩的素質,也可以解釋他“為什麼這樣厲害”:

得知自己獲了諾貝爾獎,他很煩惱還要去領獎,他表示自己痛恨出名。他的導師盧瑟福勸告他:你還是去領獎吧,因為你要是不去領獎,那麼你會更出名!


bratskid


狄拉克是20世紀最偉大的幾個物理學家之一,與楊振寧的學術地位有一比。他的主要貢獻是提出了量子力學中的狄拉克方程並且預言了反物質的存在。後來美國物理學家安德森發現了正電子,從而證明了反物質的存在。狄拉克也因此或諾貝爾物理學獎。


luomingyi217186683


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流浪法師BLUEMAN


狄拉克函數,狄拉克方程,狄拉克算符聯接了量子力學與相對論,同為量子力學與相對論的基礎,狄拉克方程與質能方程等位,狄拉克函數的應用將使狄拉克在今後的位置上升到與愛因斯坦並列。


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