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【疯狂物理学家】狄拉克:被泡利预言的先知,如何预言了正电子的存在?

 襄子的箱子 2022-03-14
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这是【疯狂的智人】第 072 篇文章
疯狂的物理学家】第 031 篇文章

被誉为“上帝之鞭”的泡利竟然声称狄拉克是先知。

那是在第五届索尔维会议上,1927年,这一次,物理学家的大牛都来了,洛伦兹作为大会主席,德高望重,但他很反对新生的量子力学。这场会议的主战场是玻尔对抗爱因斯坦,前者是哥本哈根学派,主力有海森堡、泡利和狄拉克,而后者则是更倾向于传统物理解释的传统派,爱因斯坦带着德布罗意和薛定谔两个家伙。

有一次,他们聊到了宗教,普朗克是路德宗派,家里就是神学世家,爱因斯坦的上帝则是斯宾诺莎的上帝,或者说,上帝只不过是这个宇宙或某种规律的代名词。他算是一个不知论者,与无神论还是有区别的。而狄拉克则是一个彻彻底底的无神论者。狄拉克平时不爱说话,这与他的家庭环境有关,但那一次,他似乎是打开了话匣子,滔滔不绝地讲了一大堆。

泡利在一旁笑着说,狄拉克已经为自己创立了一个宗教,这个宗教有两条原则,第一,上帝不存在,第二,狄拉克自己就是先知。

泡利似乎还真的说对了,这位先知不久之后预言了正电子的存在,从而掀开了反粒子的时代。

保罗·狄拉克出生于1902年的英国,比海森堡小1岁,他的童年很压抑,因为父亲是一个瑞士人,一名法语教师,对他十分严格,让他和妹妹在家必须说法语。然而,小小的狄拉克对法语造诣不高,很多情感和内容无法用法语表达出来,于是他就选择了在家不说话。渐渐地,这也造就了他的性格,沉默寡言,绝不多说半句废话。

狄拉克的父母关系不好,经常吵架,互相憎恨,仿佛不是一家人,而是一对仇人似的。狄拉克的父亲似乎是一个冷酷无情的人,他将后来哥哥的自杀归结于父亲。

1921年,狄拉克从布里斯托大学电机工程系大学毕业,却不幸遭遇了经济大萧条,没找到工作。不过,他刚好碰到了一个机会,母校数学系给了他一个免费进修数学的机会,两年后,他来到了剑桥,开始了新的生活。

在机缘巧合之下,狄拉克看到了海森堡的论文(副本),他非常敏锐地抓住了重点,这篇论文,实际上重点就是pq≠qp,其他的都是细枝末节。

狄拉克发现,这个矩阵有点类似于泊松括号,其实,我们用旧体系的泊松括号也能得到与矩阵等价的结果。

经过一系列的改造之后,狄拉克创造出了狄拉克方程,这个方程的好处是,不需要通过引入矩阵,当时的物理学家大都数学不好,当然这里说的不好是和专业数学家相比的,因此,当海森堡的矩阵力学出来的时候,很多人都还不理解。

归根到底,狄拉克和海森堡搞出来的是一样的原理,只不过数学表达不同。海森堡的论文总是留下很多可以深挖的点,后人往往可以顺着其中的一点继续深挖下去,搞出点名堂出来。而狄拉克却不一样,他的论文非常完美严谨,连个缝隙都不留。别人拿到一看,基本没啥可以继续完善的地方。

后来,年轻人费曼从狄拉克的文章中找出了一条线索,而且这个线索不是从正文中找到的,而是从注解中找到的,费曼就这样用力挖了一下,挖出了他的路径积分。

1928年,薛定谔方程出来的两年后,26岁的狄拉克将电动力学、薛定谔方程和狭义相对论统一起来了,融合了相对论的波动方程就叫狄拉克方程。狄拉克方程自然而然就推导除了电子的自旋,顺带手解决了负概率的问题,但负能量还是没能解决。

在狄拉克看来,正能量就是电子从高能态跳到低能态,然后辐射出光子。如果不存在负能量的解,那么能量最低态也就是0,电子从高能跃迁到低能,总还有个尽头。但若是负能量存在,则电子理论上就可以无限释放出光子,就相当于从0开始下落,到-1,直至负无穷。

这样的话,能量守恒定律就成了一纸空文。

既然问题出在负能量上,就像我们高中做数学题一样,方程得出了两个解,其中一个不符合实际情况,舍去呗?

可是这样问题又来了,谁告诉你这个“负能量”真的就不符合实际情况了呢?

有没有可能,是我们应该要用另一个角度去解释这个方程得出来的解。

狄拉克于此猜想,真空并不是空无一物,而是能量最低态。那能量最低态又是什么鬼呢?

所谓能量最低态,举个例子,比如小王跑过来找我哭穷,说自己很穷,是穷光蛋,因为他兜里卡里微信里一分钱都没有。我摆摆手,安慰他,说,这算什么?我不仅兜里卡里微信里都没钱,我还欠着银行几百万呢。

狄拉克说,所谓的真空,意思就是所有的负能态全部都被填满了,正能态全空的状态。电子不会无下限的下落,一旦真空出现了一个空位,那么就会有另一种粒子冒出来,填补这个空缺。普通的电子带负电,那这个新电子就带正电,这也就是狄拉克所预言的正电子。

非常幸运的是,狄拉克在1931年预言了正电子的存在,第二年就被证实了。1932年,美国物理学家安德森用威尔逊云室发现的。有意思的是,他本来和密立根打赌,说宇宙射线是带电粒子组成的,在强磁场里面会拐弯。于是他就跑去威尔逊云室做实验,观测粒子的运动路径,果然发现了宇宙射线在磁场里面拐弯了。不过,其中有一种粒子的运动轨迹有些奇怪,它的拐弯半径与电子类似,但方向相反。这说明该粒子的质量和电子差不多,但带点状态和电子正相反。

1933年,安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子,从实验上完全证实了正电子的存在,狄拉克也因此获得了1933年的诺贝尔物理学奖。

狄拉克沉默寡言,但他得知自己要去斯德哥尔摩领奖的时候,一想到要当中讲话就心理直哆嗦,他甚至不想要了。老一辈的物理学家卢瑟福告诉他,你要是不去领奖,你将会更出名,到时候新闻记者都来找你,怕你要说更多的话。就这样,狄拉克才算“勉为其难”地去领奖了。

然而,就在狄拉克领完奖之后不久,纳粹在欧洲愈演愈烈,第二次世界大战,已经悄无声息地降临到了人们的头顶。二战期间,狄拉克一直待在欧洲,做教学任务,也曾出访过美国,与美国的物理学家们交流合作,这些内容都太乏味,也就不多讲了。

二战结束后,狄拉克有一次前往美国访问,被费曼逮到了。这两个人的性格是截然相反的,狄拉克像冰一样,总是保持着沉默,而费曼先生呢,您就别逗啦。

费曼见到了偶像狄拉克,非常兴奋,因为自己的路径积分就是从狄拉克的文章中找到的灵感,虽然是在注脚处。费曼手舞足蹈地拉着狄拉克讲他的路径积分,讲了大概40分钟,狄拉克始终一言不发,大有一副“静静看你装逼”的姿态。

好不容易,狄拉克要开口了,费曼更是高兴坏了,以为是狄拉克要和自己切磋了,要给自己提意见了。可结果,狄拉克开口问道:“厕所在哪里?”

▲ 狄拉克与费曼

1984年,狄拉克于佛罗里达州的塔拉哈西去世,享年83岁。

下期:泡利

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