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少言寡語的Paul Dirac和反物質

(2009-05-23 11:55:19) 下一個


 

大科學家裏麵,有些是人人皆知,如雷貫耳的,例如愛因斯坦。可是你知道二十世紀另一個堪與愛因斯坦比肩的物理學家是誰嗎?別跟我說是霍金(Stephen Hawking)

那是保羅 狄拉克。

Paul Adrien Maurice Dirac 190288日生於英國的布裏斯托爾(Bristol)。父親是瑞士移民,在當地一所學校教法語,對他們三兄妹管教極嚴。其中一條就是要求他們在家都得說法語,不許說英語。這樣嚴厲的管教造成父子關係的嚴重疏離。在迪拉克日後對童年的回憶裏,很少提及有幸福的時候。他曾經說過:”我小時候根本不知道什麽是愛“。他哥哥後來甚至自殺,迪拉克也覺得跟他父親有關係。由此看來,日後他得諾貝爾獎的時候,隻請母親不請父親參加頒獎典禮就在情理之中了。

迪拉克早年在布裏斯托爾學的是電力工程,之後又改成應用數學1923年,他拿到一筆獎學金,到劍橋的聖約翰學院,在Ralph Fowler指導下研究廣義相對論和量子物理。

上世紀初,牛頓的傳統力學麵臨兩方麵的挑戰。一是研究對象在速度上極快,接近或者達到光速的時候,牛頓力學不再適用,這就催生了愛因斯坦的相對論(1905) 迪拉克剛到劍橋的時候,正是原子物理學初具雛形的時期,研究對象是組成原子的微觀粒子,在尺度上極為微小。在這種情況下,牛頓力學和愛因斯坦的相對論都無能為力,量子力學於是應運而生。量子力學發現,宏觀狀態下連續的變量,在微觀狀態下其實是不連續的。早期的量子力學用牛頓力學構築它的大尺度極限,由於電子等微觀粒子的運動速度太快,這就使得那時的量子力學還是不夠精確。那時的量子物理學家不是沒有嚐試過把量子力學和相對論揉合,隻是遇到不可克服的技術上的難題:他們的嚐試得到的概率居然為負值,顯然於理不通。這種情況一直到迪拉克方程的建立才得以解決。

迪拉克提出了正確描述電子的量子波,同時給出了滿足相對論條件的規範這些量子波的動力學的方程。不僅如此,迪拉克方程還推導出反電子的存在。也就是說,任何具有正能量的電子必有與之相對應的具有負能量的電子存在。正負電子相遇後互相湮滅,而它們的質量將會以輻射的方式作為能量釋放。這就實際上上預測了反物質的存在。關於反電子的預言,當時很少人買賬,其中包括大名鼎鼎的奧本海默(J. Robert Oppenheimer) 和泡利(Wolfgang Pauli)。因為這東西太奇怪了,連實驗物理學家都沒看見過。很多人於是開始懷疑第拉克方程的正確性,甚至連第拉克本人都不是那麽確定了。 1932年,第拉克的預言差不多成了笑柄。在哥本哈根的一次會議上,玻爾(Niels Bohr) 終於失去了耐心,問第拉克:“你真的相信那玩意?“第拉克也隻是猶疑地回答說:”我想還沒有人令人信服地證明它不存在“。正電子的存在遲遲得不到證實,大大打擊了第拉克的士氣。據說他甚至私下裏跟海森堡(Werner Heisenberg) 說他不再相信正電子的存在了。同年,第拉克遠在美國的時候,Robert Millikan在劍橋的一個講座上出示了Carl Anderson拍攝的宇宙射線粒子軌跡的圖像。其中有些象是電子的軌跡,在磁場中卻向和電子相反的方向彎曲。在場的人根本沒有把這個奇怪的發現跟第拉克方程聯係起來。 

那年的八月二日,安德森發現單個這樣的粒子的清晰軌跡,那一天現在在教科書裏麵定為正電子發現日,可是當時還是沒有人把它和第拉克方程聯係起來。安德森的論文在《科學》(Science) 雜誌發表以後,劍橋的物理學家居然沒有誰去閱讀。第一個把正電子和第拉克理論聯係起來的是Blacket。他在倫敦皇家學會的一次會議上展示了正負電子對產生的圖像, 聲稱 這一現象跟第拉克理論驚人地吻合。從此以後人們才真正開始認識到第拉克理論的奧妙和正確性。由於對量子力學的傑出貢獻,迪拉克和薛定鄂( Erwin Schrödinger參閱本人以前寫的《 薛定的貓和埃弗雷特的多世界理論》)一起分享了1933年的諾貝爾物理學獎。

後人埋怨第拉克當時沒有努力向實驗物理學家推介他的理論,指導他們如何尋找正電子,否則就象Anderson所說的,正電子可能在“一個下午“就會被發現。這個跟迪拉克的性格有很大的關係。 第拉克有自閉症,討厭拋頭露麵,不喜歡跟別人交流。他曾經想拒絕諾貝爾獎,就是怕太引人注目。隻是後來有人跟他說他如果拒絕會更引人注目的時候,他才勉強接受。海森堡的性格正好跟他相反。有一次兩人坐船去日本開會,船上美女如雲,海森堡如魚得水,一會跟這個美女調情,一會跟另一個美女跳舞。第拉克隻是在一邊傻坐著。休息的時候他問海森堡:“你幹嗎跳舞去了?”海森堡說:“我看見好女孩就來勁“。第拉克更不解了,問:”可是在和她跳舞之前你怎麽知道她是好姑娘呢“?

在他的家鄉布裏斯托爾,他的校友Archie Leach(也就是著名影星Cary Grant)的名聲遠遠蓋過他。作家Graham Farmelo為寫新書向布裏斯托爾檔案館索取有關第拉克的資料,對方居然問第拉克是何方神聖。玻爾說迪拉克是”最奇怪的一個人“。他沉默寡言,即使說話的時候也是翻來覆去,永遠一個聲調。他同時是個極為謙虛的人。當他推導出量子力學方程的時候,在每周一次寄往家裏的明信片上寫的是“沒什麽匯報的“。那年他用費米--第拉克統計解決了困擾了幾十年的一個老問題的時候,明信片上寫的依然是“沒什麽匯報的“。當他建立了描述電子的相對論量子方程的時候,幹脆連明信片都沒寄。連他的同事都不知道這件事。上世紀20年代的劍橋為第拉克這樣獨一無二的天才提供了最理想的條件,其中最主要的一條就是對不合群的人的寬容。看看今天的某些科學捐客,個個是社交明星,胡吹亂侃的嘴巴硬是把稻草說成金條,而芸芸眾生居然就被騙得團團轉。看看某些疾病,例如癌症已經被聲稱攻克了多少次就知道了。 玻爾說了,在所有物理學家裏麵,迪拉克心地最純潔,是個清水男人。要是第拉克生活在今天,說不定就是個倒黴蛋,一個奇特的天才可能就這樣默默無聞埋沒一生。人生最大的悲哀可能就是生不逢時了。


迪拉克的文筆非常明晰簡潔,他的《量子力學原理》(Principles of Quantum Mechanics) 就是很好的例子。有一次玻爾寫論文的時候迪拉克正好在。寫到不順之處,玻爾抓耳撓腮,改了又改,終於停下來說:“我不知道如何完成這個句子”。旁邊的迪拉克說:“我在學校的時候老師就說,在你還不知道如何結束一個句子的時候不要急著先下筆“。奧本海默剛好相反,喜歡用詩化的語言。第拉克看不慣,說:”科學的目的是把難懂的問題用簡單明了的方式表述,而詩是把簡單的東西繞著彎子說,目的就是讓你糊裏糊塗,兩者是不相容的”。

1934年第拉克在普林斯頓高等研究所的時候,匈牙利物理學家Eugene Wigner的妹妹Margit正好也在那裏探望她哥哥。某天在飯店吃晚飯的時候,“鄰桌一個看起來很孤獨的人“引起了她的注意。這回眸一瞥竟然成就了一段美滿姻緣。每個成功的男人後麵都有個了不起的女人。第拉克後來的成就裏麵自然也包括Margit的辛勞和鼓勵。

第拉克是不信教的。他曾經說過:“我不明白為什麽這麽多人討論宗教。如果我們是誠實的我們科學家本來就該誠實我們就不得不承認,所有的宗教都不過是一堆虛假的說辭,沒有一點真實的成分。上帝隻不過是人的想象。。。我不認同任何宗教神話,因為它們本身就自相矛盾。。。“

第拉克最後14年是在佛羅裏達度過的。他搬到佛羅裏達的主要目的是為了離女兒瑪格麗特近點。1984年,第拉克死於佛羅裏達州府Tallahassee,死後也葬在那裏。1995年,英國人在威斯特明斯特大教堂立了一塊匾,上麵刻有第拉克方程,以紀念他對量子力學的傑出貢獻。

智力是有遺傳基礎的,但是它是多基因控製的性狀。一個天才的誕生,必須是父母的基因最完美的排列組合的結果。所以千萬別以為你父母腦子靈光你就怎麽怎麽的,你可能是個傻子。反過來,很多天才的父母都是平常人,看看愛因斯坦和迪拉克的爸媽就知道了。數學家Mark Kac把天才分成兩類,一類是一般的天才,他們的成就是可以想像得到的,普通人通過努力加上運氣也許也能達到;另一類是魔術師般的天才,他們的成就是如此不可思議,凡人無論如何都想象不到。

迪拉克是後一種天才。

 

 

推薦閱讀《最奇怪的人:保 第拉克不為人知的生活》(The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, by Graham Farmelo, Faber & Faber: 2009. 560 pp. £22.50)

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閱讀 ()評論 (5)
評論
thunder_bird 回複 悄悄話 哈哈,那本書不是物理學家寫的,所以裏麵不會有高深的科學內容。英文不好的人,如我,都能看懂,小艾更應該應該沒問題了:)
thunder_bird 回複 悄悄話 Graham Farmelo 也覺得,第拉克的自閉症,其實是他成功的因素之一。這樣的人才能沒有其他雜亂的心思,可以集中精力幹自己喜歡的事。搞理論物理的人,一切都在自己腦子裏麵,不用跟別人合作什麽的。曆史上物理學和數學上最重要的突破,基本上都是單槍匹馬的成果。看看那些以人的名字命名的定理,方程等就知道了。今天那些所謂大科學,都象開作坊似的,由一大幫子人去公關一個課題。科學家都逐漸退化成些隻會操作機器的熟練技工了,真沒勁。
艾麗思筆記 回複 悄悄話 雷鳥推薦的那本書,英文不好的人,如我,也能看得懂嗎?
艾麗思筆記 回複 悄悄話 天賦就是一種不可思議的東西,所以我覺得吧,一般的天才就不算天才:)
艾麗思筆記 回複 悄悄話 科學那部分我沒有看懂。

有些地方我看懂了。

心底單純的人,有時會被浮躁的環境所不容,第拉克生活在那個時代,也算他的幸運。性情孤僻的人,不易與人合作,能為這樣的人提供良好的研究空間,很有意義啊。
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