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《量子怪才》:走进量子物理学界“谢耳朵”的怪异人生

 自在飞花轻似烟 2024-04-16 发布于黑龙江

保罗·狄拉克是量子力学创始人之一,他提出了狄拉克方程,开创了量子电动学,31岁时获得诺贝尔物理学奖。

1902年8月8日,保罗·狄拉克出生于英国西南大城市布里斯托尔。保罗的童年没有童趣,只有压抑和孤独。保罗的父亲查尔斯·狄拉克在家里总是板着脸,非常严厉。保罗5岁进小学读书,才能够摆脱家里的压抑气氛。

小学毕业后,保罗就读于他父亲所在的商校,相当于中国的中专。在同学的眼里,保罗是一个怪人,他留了一头浓密的卷发,穿老式的灯笼裤。他与同学也玩不到一起去,常常到图书馆自习。

在中学里,保罗的物理、化学和数学成绩都遥遥领先,他在理工科上的优势也延续到大学,商校毕业后,保罗选择了布尔斯特尔大学的工程系。在大学里,保罗的物理和数学成绩一直名列前茅。

1921年,保罗以一等荣誉佳绩从布尔斯特尔大学工程系毕业,他向剑桥大学圣约翰学院递交了入学申请,并顺利通过了考试。但因为学费问题,他没能如愿入学剑桥。

幸好布尔斯特尔大学数学系的哈塞教授非常赏识保罗,为保罗提供了一个在数学系读书的机会,并允许直接进入二年级。两年后,保罗再次以一等荣誉的资质从布尔斯特尔大学毕业,他再次申请剑桥大学,并获得足额奖学金,如愿进入剑桥大学。

保罗的导师是量子理论大师拉尔夫·福勒。福勒对这个学生很满意,常常提出一些非常前沿的问题让他研究,保罗对导师也很满意。第二年保罗就完成了5篇论文,他将非交换代数引入量子力学研究,提出了狄拉克括号,并给学生讲演原子理论。

1926年,保罗顺利完成学位论文,获得剑桥大学的博士学位,经导师福勒的推荐,论文在皇家学会论文集上刊发。这是首篇以量子力学为题的博士论文。论文一经发表就在量子力学界引起轰动。

毕业后,保罗用皇家委员会给的奖学金开始了他的欧洲之旅,去了世界著名的尼尔斯·波尔建立的在哥本哈根的实验室。

在哥本哈根的6个月,保罗的收益是巨大的,首先他阐明了海森堡与薛定谔在量子理论上的关系,他发现了两者是可以统一的。其次,保罗提出了“场”的概念,实现了经典理论与量子理论的统一。

1927年2月,保罗离开哥本哈根到哥廷根大学的波恩实验室合作研究。他在哥廷根的收获要少得多,做过几次报告但是没有多大的影响。

结束了欧洲之旅之后,保罗回到剑桥,获得一个教师的席位。入职后,保罗选定的研究目标是描述电子行为的相对论方程。当时很多人都在做这项研究,有人提出了可能的方程,但保罗对它们都不满意,他认为,解决这个问题不可能用第一性原理的方法,即由事实归纳出公式的方法,而应该采用从上而下的方法,即从这个领域中的最基本原理出发推导出需要的公式。

经过了一次又一次的尝试,大约在两个月后,保罗突然想到一个很有可能的方程,这个方程用一种新型波代替薛定谔波来描述电子的行为,既符合狭义相对论,又符合量子力学。

1928年元旦刚过,福勒将保罗论证这个公式的论文寄给皇家协会,一个月后又寄了一个第二篇论文,增加了一些细节与推论。二月初,在第一篇论文即将发表时,保罗将这个公式的推论寄给哥廷根的波恩,哥廷根的同行们看到后大吃一惊,同时产生深深的沮丧:这次又让保罗争了个先。2月论文发表,可以说整个量子力学界为之轰动。

然而新方程也带来了新问题。根据这个方程,能量会有负值,而且会有正电子,这两个推断在当时是完全不被接受的。因此要让物理界接受这个方程,保罗面临着很多挑战。

为了解释狄拉克方程导出的负能量,保罗提出了磁单极子、反电子和反质子的存在,这样狄拉克方程一切都圆满了。之后,人们从宇宙射线的照片和卡文迪许云室的实验,证实了正电子的存在,也证实了反电子和反质子的存在,于是狄拉克方程的实验证实也完成了。

1930年2月,保罗当选为英国皇家学会会士。1932年7月,剑桥大学又宣布保罗将接替75岁的约瑟夫·拉莫尔成为卢卡斯讲席教授,这是剑桥大学最荣誉的地位。1933年的11月9日,保罗与薛定谔分享1933年的诺贝尔物理学奖。

1934年9月,保罗利用学术休假到美国普林斯顿高等研究院工作,认识了匈牙利物理学家尤金·格维纳的妹妹曼茜。而后两人的交往慢慢加深。1935年1月,曼茜回到匈牙利布达佩斯,她坚持每周给保罗写信,而保罗无动于衷。但曼茜没有放弃,她一次次创造与保罗相处的机会。慢慢地,保罗感觉自己已经离不开曼茜。1937年,两人在伦敦市中心办理了结婚登记,之后曼茜一直在保罗的身边,他们育有两个女儿。

二战前后正值保罗学术发展鼎盛时期,时代也在保罗身上留下了痕迹。他的好友苏联人卡皮查回到苏联后被软禁起来,他参加了营救行动。在原子弹研发中,保罗担任了英国制造原子弹项目的顾问。

即使在战争年月,保罗也认认真真地履行剑桥教授的义务,直到67岁时,到了卢卡斯讲席教授退休年龄才放下教鞭。

退休后,保罗带着曼茜与孩子移居美国,最终选择在佛罗里达州的塔拉哈西定居,他加入佛罗里达州立大学,在那里度过最后的14年,于1984年逝世,安葬在塔拉哈西玫瑰草坪公墓。

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