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少言寡语的Paul Dirac和反物质

(2009-05-23 11:55:19) 下一个


 

大科学家里面,有些是人人皆知,如雷贯耳的,例如爱因斯坦。可是你知道二十世纪另一个堪与爱因斯坦比肩的物理学家是谁吗?别跟我说是霍金(Stephen Hawking)

那是保罗 狄拉克。

Paul Adrien Maurice Dirac 190288日生于英国的布里斯托尔(Bristol)。父亲是瑞士移民,在当地一所学校教法语,对他们三兄妹管教极严。其中一条就是要求他们在家都得说法语,不许说英语。这样严厉的管教造成父子关系的严重疏离。在迪拉克日后对童年的回忆里,很少提及有幸福的时候。他曾经说过:”我小时候根本不知道什么是爱“。他哥哥后来甚至自杀,迪拉克也觉得跟他父亲有关系。由此看来,日后他得诺贝尔奖的时候,只请母亲不请父亲参加颁奖典礼就在情理之中了。

迪拉克早年在布里斯托尔学的是电力工程,之后又改成应用数学1923年,他拿到一笔奖学金,到剑桥的圣约翰学院,在Ralph Fowler指导下研究广义相对论和量子物理。

上世纪初,牛顿的传统力学面临两方面的挑战。一是研究对象在速度上极快,接近或者达到光速的时候,牛顿力学不再适用,这就催生了爱因斯坦的相对论(1905) 迪拉克刚到剑桥的时候,正是原子物理学初具雏形的时期,研究对象是组成原子的微观粒子,在尺度上极为微小。在这种情况下,牛顿力学和爱因斯坦的相对论都无能为力,量子力学于是应运而生。量子力学发现,宏观状态下连续的变量,在微观状态下其实是不连续的。早期的量子力学用牛顿力学构筑它的大尺度极限,由于电子等微观粒子的运动速度太快,这就使得那时的量子力学还是不够精确。那时的量子物理学家不是没有尝试过把量子力学和相对论揉合,只是遇到不可克服的技术上的难题:他们的尝试得到的概率居然为负值,显然于理不通。这种情况一直到迪拉克方程的建立才得以解决。

迪拉克提出了正确描述电子的量子波,同时给出了满足相对论条件的规范这些量子波的动力学的方程。不仅如此,迪拉克方程还推导出反电子的存在。也就是说,任何具有正能量的电子必有与之相对应的具有负能量的电子存在。正负电子相遇后互相湮灭,而它们的质量将会以辐射的方式作为能量释放。这就实际上上预测了反物质的存在。关于反电子的预言,当时很少人买账,其中包括大名鼎鼎的奥本海默(J. Robert Oppenheimer) 和泡利(Wolfgang Pauli)。因为这东西太奇怪了,连实验物理学家都没看见过。很多人于是开始怀疑第拉克方程的正确性,甚至连第拉克本人都不是那么确定了。 1932年,第拉克的预言差不多成了笑柄。在哥本哈根的一次会议上,玻尔(Niels Bohr) 终于失去了耐心,问第拉克:“你真的相信那玩意?“第拉克也只是犹疑地回答说:”我想还没有人令人信服地证明它不存在“。正电子的存在迟迟得不到证实,大大打击了第拉克的士气。据说他甚至私下里跟海森堡(Werner Heisenberg) 说他不再相信正电子的存在了。同年,第拉克远在美国的时候,Robert Millikan在剑桥的一个讲座上出示了Carl Anderson拍摄的宇宙射线粒子轨迹的图像。其中有些象是电子的轨迹,在磁场中却向和电子相反的方向弯曲。在场的人根本没有把这个奇怪的发现跟第拉克方程联系起来。 

那年的八月二日,安德森发现单个这样的粒子的清晰轨迹,那一天现在在教科书里面定为正电子发现日,可是当时还是没有人把它和第拉克方程联系起来。安德森的论文在《科学》(Science) 杂志发表以后,剑桥的物理学家居然没有谁去阅读。第一个把正电子和第拉克理论联系起来的是Blacket。他在伦敦皇家学会的一次会议上展示了正负电子对产生的图像, 声称 这一现象跟第拉克理论惊人地吻合。从此以后人们才真正开始认识到第拉克理论的奥妙和正确性。由于对量子力学的杰出贡献,迪拉克和薛定鄂( Erwin Schrödinger参阅本人以前写的《 薛定的猫和埃弗雷特的多世界理论》)一起分享了1933年的诺贝尔物理学奖。

后人埋怨第拉克当时没有努力向实验物理学家推介他的理论,指导他们如何寻找正电子,否则就象Anderson所说的,正电子可能在“一个下午“就会被发现。这个跟迪拉克的性格有很大的关系。 第拉克有自闭症,讨厌抛头露面,不喜欢跟别人交流。他曾经想拒绝诺贝尔奖,就是怕太引人注目。只是后来有人跟他说他如果拒绝会更引人注目的时候,他才勉强接受。海森堡的性格正好跟他相反。有一次两人坐船去日本开会,船上美女如云,海森堡如鱼得水,一会跟这个美女调情,一会跟另一个美女跳舞。第拉克只是在一边傻坐着。休息的时候他问海森堡:“你干吗跳舞去了?”海森堡说:“我看见好女孩就来劲“。第拉克更不解了,问:”可是在和她跳舞之前你怎么知道她是好姑娘呢“?

在他的家乡布里斯托尔,他的校友Archie Leach(也就是著名影星Cary Grant)的名声远远盖过他。作家Graham Farmelo为写新书向布里斯托尔档案馆索取有关第拉克的资料,对方居然问第拉克是何方神圣。玻尔说迪拉克是”最奇怪的一个人“。他沉默寡言,即使说话的时候也是翻来覆去,永远一个声调。他同时是个极为谦虚的人。当他推导出量子力学方程的时候,在每周一次寄往家里的明信片上写的是“没什么汇报的“。那年他用费米--第拉克统计解决了困扰了几十年的一个老问题的时候,明信片上写的依然是“没什么汇报的“。当他建立了描述电子的相对论量子方程的时候,干脆连明信片都没寄。连他的同事都不知道这件事。上世纪20年代的剑桥为第拉克这样独一无二的天才提供了最理想的条件,其中最主要的一条就是对不合群的人的宽容。看看今天的某些科学捐客,个个是社交明星,胡吹乱侃的嘴巴硬是把稻草说成金条,而芸芸众生居然就被骗得团团转。看看某些疾病,例如癌症已经被声称攻克了多少次就知道了。 玻尔说了,在所有物理学家里面,迪拉克心地最纯洁,是个清水男人。要是第拉克生活在今天,说不定就是个倒霉蛋,一个奇特的天才可能就这样默默无闻埋没一生。人生最大的悲哀可能就是生不逢时了。


迪拉克的文笔非常明晰简洁,他的《量子力学原理》(Principles of Quantum Mechanics) 就是很好的例子。有一次玻尔写论文的时候迪拉克正好在。写到不顺之处,玻尔抓耳挠腮,改了又改,终于停下来说:“我不知道如何完成这个句子”。旁边的迪拉克说:“我在学校的时候老师就说,在你还不知道如何结束一个句子的时候不要急着先下笔“。奥本海默刚好相反,喜欢用诗化的语言。第拉克看不惯,说:”科学的目的是把难懂的问题用简单明了的方式表述,而诗是把简单的东西绕着弯子说,目的就是让你糊里糊涂,两者是不相容的”。

1934年第拉克在普林斯顿高等研究所的时候,匈牙利物理学家Eugene Wigner的妹妹Margit正好也在那里探望她哥哥。某天在饭店吃晚饭的时候,“邻桌一个看起来很孤独的人“引起了她的注意。这回眸一瞥竟然成就了一段美满姻缘。每个成功的男人后面都有个了不起的女人。第拉克后来的成就里面自然也包括Margit的辛劳和鼓励。

第拉克是不信教的。他曾经说过:“我不明白为什么这么多人讨论宗教。如果我们是诚实的我们科学家本来就该诚实我们就不得不承认,所有的宗教都不过是一堆虚假的说辞,没有一点真实的成分。上帝只不过是人的想象。。。我不认同任何宗教神话,因为它们本身就自相矛盾。。。“

第拉克最后14年是在佛罗里达度过的。他搬到佛罗里达的主要目的是为了离女儿玛格丽特近点。1984年,第拉克死于佛罗里达州府Tallahassee,死后也葬在那里。1995年,英国人在威斯特明斯特大教堂立了一块匾,上面刻有第拉克方程,以纪念他对量子力学的杰出贡献。

智力是有遗传基础的,但是它是多基因控制的性状。一个天才的诞生,必须是父母的基因最完美的排列组合的结果。所以千万别以为你父母脑子灵光你就怎么怎么的,你可能是个傻子。反过来,很多天才的父母都是平常人,看看爱因斯坦和迪拉克的爸妈就知道了。数学家Mark Kac把天才分成两类,一类是一般的天才,他们的成就是可以想像得到的,普通人通过努力加上运气也许也能达到;另一类是魔术师般的天才,他们的成就是如此不可思议,凡人无论如何都想象不到。

迪拉克是后一种天才。

 

 

推荐阅读《最奇怪的人:保 第拉克不为人知的生活》(The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, by Graham Farmelo, Faber & Faber: 2009. 560 pp. £22.50)

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评论
thunder_bird 回复 悄悄话 哈哈,那本书不是物理学家写的,所以里面不会有高深的科学内容。英文不好的人,如我,都能看懂,小艾更应该应该没问题了:)
thunder_bird 回复 悄悄话 Graham Farmelo 也觉得,第拉克的自闭症,其实是他成功的因素之一。这样的人才能没有其他杂乱的心思,可以集中精力干自己喜欢的事。搞理论物理的人,一切都在自己脑子里面,不用跟别人合作什么的。历史上物理学和数学上最重要的突破,基本上都是单枪匹马的成果。看看那些以人的名字命名的定理,方程等就知道了。今天那些所谓大科学,都象开作坊似的,由一大帮子人去公关一个课题。科学家都逐渐退化成些只会操作机器的熟练技工了,真没劲。
艾丽思笔记 回复 悄悄话 雷鸟推荐的那本书,英文不好的人,如我,也能看得懂吗?
艾丽思笔记 回复 悄悄话 天赋就是一种不可思议的东西,所以我觉得吧,一般的天才就不算天才:)
艾丽思笔记 回复 悄悄话 科学那部分我没有看懂。

有些地方我看懂了。

心底单纯的人,有时会被浮躁的环境所不容,第拉克生活在那个时代,也算他的幸运。性情孤僻的人,不易与人合作,能为这样的人提供良好的研究空间,很有意义啊。
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