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物理学家——狄拉克

发布日期:2023-02-10    作者:     来源:     点击:

狄拉克(P.Dirac, 1902—1984)(图1)是二十世纪一位大物理学家。关于他的故事很多,譬如:有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲。

演讲完毕,一位听众站起来说:“我有一个问题请回答:我不懂怎么可以从公式(2)推导出来公式(5)。” 狄拉克不答,主持者说:“狄拉克教授,请回答他的问题。” 狄拉克说:“他并没有问问题,只说了一句话。”

这个故事所以流传极广是因为它确实描述了狄拉克的一个特点:话不多,而其内含有简单、直接、原始的逻辑性。

一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑,他的文章读起来便很通顺,就像“秋水文章不染尘”,没有任何渣滓,直达深处,直达宇宙的奥秘。

狄拉克最了不得的工作是 1928 年发表的两篇短文,写下了狄拉克方程③:

(pcα + mc²β) ψ= Eψ(D)

这个简单的方程式是惊天动地的成就,是划时代的里程碑:它对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解。没有这个方程,就没有今天的原子、分子物理学与化学。

没有狄拉克引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像(MRI)技术,不过此项技术实在只是狄拉克方程的一项极小的应用。

狄拉克方程“无中生有、石破天惊”地指出为什么电子有“自旋”(spin),而且为什么“自旋角动量”是二分之一而不是整数。初次了解此中奥妙的人都无法不惊叹其为“神来之笔”,是别人无法想到的妙算。

当时最负盛名的海森堡(W.Heisenberg , 1901 —1976)看了狄拉克的文章,无法了解狄拉克怎么会想出此神来之笔,于1928年5月3日给泡利(W .Pauli , 1900 —1958)写了一封信描述了他的烦恼④:

为了不持续地被狄拉克所烦扰,我换了一个题目做,得到了一些成果。

(按:这成果是另一项重要贡献:磁铁为什么是磁铁。)

狄拉克方程之妙处虽然当时立刻被同行所认识,可是它有一项前所未有的特性,叫做“负能” 现象,这是大家所绝对不能接受的。

狄拉克的文章发表以后三年间关于负能现象有了许多复杂的讨论,最后于 1931 年狄拉克又大胆提出“反粒子”理论(Theory of Antiparticles)来解释负能现象。这个理论当时更不为同行所接受,因而流传了许多半羡慕半嘲弄的故事。

直到 1932年秋安德森(C.D.Anderson , 1905—1991)发现了电子的反粒子以后,大家才渐渐认识到反粒子理论又是物理学的另一个里程碑。

二十世纪的物理学家中,风格最独特的就数狄拉克了。我曾想把他的文章的风格写下来给我的文、史、艺术方面的朋友们看,始终不知如何下笔。

去年偶然在香港大公报大公园一栏上看到一篇文章,其中引了高适(700—765)在《答侯少府》中的诗句:“性灵出万象,风骨超常伦。”

我非常高兴,觉得用这两句诗来描述狄拉克方程和反粒子理论是再好没有了:一方面狄拉克方程确实包罗万象,而用“出”字描述狄拉克的灵感尤为传神。

另一方面,他于1928 年以后四年间不顾玻尔(N.Bohr , 1985—1962)、海森堡、泡利等当时的大物理学家的冷嘲热讽,始终坚持他的理论,而最后得到全胜,正合“风骨超常伦”。

可是什么是“性灵”呢? 这两个字联起来字典上的解释不中肯。若直觉地把“性情” 、“ 本性”、“心灵”、“灵魂”、“灵感”、“灵犀”、“圣灵”(Ghost)等加起来似乎是指直接的、原始的、未加琢磨的思路,而这恰巧是狄拉克方程之精神。

刚好此时我和香港中文大学童元方博士谈到《二十一世纪》1996年6月号钱锁桥的一篇文章,才知道袁宏道(1568—1610)(和后来的周作人[1885—1967] ,林语堂[1895—1976]等)的性灵论。

袁宏道说他的弟弟袁中道(1570—1623)的诗是“独抒性灵,不拘格套”,这也正是狄拉克作风的特征。“非从自己的胸臆流出,不肯下笔”,又正好描述了狄拉克的独创性!