美国科学家理查德·费曼(Richard Feynman ,1918-1988)1918年生于纽约一个犹太人家庭,是量子力学史上鼎鼎有名的科学顽童,是一位在科学界之外最广为现代人所知的物理学家。他对物理学及科技界有多方面的贡献,包括提出量子计算机的设想,以及用简单的物理方法为一次航天事故“破案”等等。 费曼被公众知晓的原因之一是因为他那几本颇为精彩的、描写他自己人生趣事的自传性小册子:《别闹了,费曼先生》(Surely you are joking, Mr. Feynman)和《你干吗在乎别人怎么想》(What do you care What other people think)等等。不同于一般人眼中理论物理学家的严谨刻板形象,费曼是一个充满传奇色彩的科学顽童,是智慧超凡的科学鬼才,他有着许多脍炙人口的故事。他是物理学家,是邦戈鼓手,是开保险箱的专家,也是一位卖掉过自己绘画作品的业余画家。 费曼比狄拉克要小18岁,两人有许多共同之处:都是天才型的人物,都对科学具有非凡的好奇心和求知欲,都为物理学贡献终生。但在生活情趣和个性特点上,两位大师又是迥然不同的。狄拉克孤僻内向、处世淡然;费曼活泼好动、热情似火。 当狄拉克参与创建量子力学时(1927-1928),费曼还是纽约皇后区的一名顽皮少年。尽管费曼上中学时被老师讲授的“最小作用量原理”震惊而开始思考大自然的奇妙规律,但还尚未知晓任何量子理论。不过,当费曼从哥伦比亚大学毕业,到普林斯顿当研究生后,狄拉克便成为了他崇拜的偶像。狄拉克1984年于82岁高龄在美国去世,两年后,费曼应邀为狄拉克作了三次纪念演讲中的一次。他做了一个题为“基本粒子和物理定律”的讲座,他如此开讲: “我年轻时,狄拉克是我心目中的偶像。他做出了一种做物理的新方法。他猜测出一个简单的方程,即我们现在称之为狄拉克方程的形式,然后,狄拉克试图解释它……” 狄拉克为解释他的方程而启迪人们有了“量子场论”思想的萌芽,费曼继续狄拉克以及其他一些物理前辈的工作,在量子电动力学及之后的量子场论的发展中,作出了重大贡献。为此,他与施温格(Julian Schwinger,1918-1994)、朝永振一郎(Sinitiro Tomonaga,1906-1979)共同获得了1965年的诺贝尔物理学奖。
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什么是场?
自从1900年普朗克(Max Planck,1858-1947)在解决黑体辐射问题时引进量子化的思想开始,1925年的矩阵力学和1926年的薛定谔方程,从两个不同的角度建立了量子力学。理论基础已经基本成形,为什么后来又来了一个量子场论呢? 名为场论,固然与“场”有关。“场”的意思就是说遍布整个时空,即空间中每个点、每个时刻,都有一个数值与之对应。场的概念最早被引进物理学,要追溯到研究电磁学的老前辈——英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday,1791-1867)。法拉第生于一个贫苦的铁匠家庭,只读过2年小学,却自学成才,成为了一位著名的科学家。法拉第对物理概念理解得特别透彻、精辟、极富创造力。他是首位用场的概念来解释电磁现象的人。他挑战牛顿的绝对真空和超距作用,提出“实物粒子,就是力场的中心奇点”的观念,并认为各种力:电、磁、光、引力等,都应该可以在场的相互作用、相互转化中统一起来。 法拉第时代的“场”,是经典场,主要是指经典电磁场。后来,量子力学中薛定谔方程解出的波函数,固然也是遍布整个时空的函数,但它并不代表时空中的任何物质分布,仅仅可以被看作是概率场,也是一种经典场。与量子有关的“场”的概念,是从电磁场的量子化开始的。 薛定谔方程(或矩阵力学)代表的量子力学,研究的是单个电子的运动,解出的是单个电子的波函数。即使稍后(1928年)的狄拉克方程,考虑了相对论并包括了自旋,也仍然是描述单个电子的运动状态和能级。 狄拉克方程有许多优越性,但当时却导致一个严重的问题:方程的解中,包括了电子可以具有能级低到-mc²的负能量状态。因为粒子总是企图占据能量最小的状态,所以根据狄拉克方程的结论,世界上所有的电子都能通过辐射光子而跃迁到-mc²的最低能级。狄拉克由此推算出在这种情形下整个宇宙会在一百亿分之一秒内毁灭。这貌似是一个致命的问题,因为事实并不如此。 最后,狄拉克发挥他天才的想象能力,克服了这一困难。狄拉克解释说,电子不会跃迁到负能级,因为所有的负能级都已经被电子占据了。电子作为费米子受到泡利不相容原理的约束,不会都挤在最低能态,而是逐层地填充所有的态。也就是说,我们世界所谓的真空,已经填满了(看不见的)负能量的电子。这个被后人称为“狄拉克海”的真空场,是不是永远固定不变动呢?狄拉克认为也不是。狄拉克海也许像真实的海洋一样,在不停地波动,其结果会使得偶尔在其中出现一两个空穴。这些空穴如果被我们探测到,应该是带有与电子电荷值相等的正电荷。这是些什么粒子呢?狄拉克也不知道。后来,1932年,卡尔·安德森(Carl David Anderson,1905-1991)用宇宙射线实验证实了这种被称为正电子的粒子的存在,狄拉克的预言开启了“反物质”的大门。