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狄拉克:沉默是金

来源:  发布时间:2019-02-19

  文 涂兴佩
 

 
  
  1933年,因在原子理论新形式方面的重大贡献,狄拉克与奥地利物理学家薛定谔共享了当年的诺贝尔物理学奖。但他显然并不为此感到高兴,反而相当苦恼。他对好友卢瑟福说想拒绝这一荣誉,因为他讨厌名声,更不喜欢公众媒体的大肆议论和宣传。
  对于好友的想法,卢瑟福丝毫不感到意外,但他还是诚实地说道:“如果你这样做,你会更出名,人家更要来麻烦你了。”仔细一想,好像确实如此。进退两难的狄拉克垂头丧气,只得接受了这一“无情”的现实,走上了诺贝尔奖领奖台。尽管,他是如此不希望受到别人的关注。
  

“我选择保持沉默”


  在20世纪量子力学界几位著名的物理学家中,几乎人人都有几手令人惊叹的才艺:爱拉小提琴又热爱帆船运动的爱因斯坦,足球“国手”玻尔,会弹钢琴的海森堡,擅长诗歌创作的薛定谔这些在常人眼中本应该严肃古板的科学家,实际上往往有着丰富多彩的生活。不过,这并不适用于狄拉克,安静是他唯一的标签。
  “自从我发现我无法用法语来表达我自己的想法之后,我觉得还是保持沉默会更好些。”对于狄拉克而言,沉默从来都是一种个人的选择,无关乎交流场景以及交谈对象。
  1947年,荷兰物理学家派斯在普利斯顿高等学术研究所工作时结识了狄拉克。他一直记得与狄拉克在研究所走廊里的一次对话。
  “我妻子问你能否和我们一起共进晚餐?”
  “很抱歉,我另有安排。”
  “再见。”狄拉克就这样结束了谈话,派斯目瞪口呆。
  1950年前后,天体物理学家席艾玛拜狄拉克为导师。有一次,席艾玛兴冲冲地跑到狄拉克的办公室说:“狄拉克教授,我刚想出一种关于宇宙学中恒星形成问题的方法,可以告诉你吗?”“不。”谈话就此结束。
  还有一次,狄拉克到美国威斯康星大学讲课。到提问环节时,一名听众说道:“黑板右上方的那个方程我不懂。”几分钟过去了,会场仍然鸦雀无声,一片尴尬的沉默笼罩着大家。主持人终于按捺不住,向狄拉克说道:“您可以回答一下刚刚的问题吗?”狄拉克愣了一下,说道:“刚才那个并不是问题,只是一句评论。”
  这样的例子不胜枚举。事实上,不管是工作还是生活中,狄拉克都以直接和坦率而闻名。在他的人生字典中,的确没有灰色地带,所有的想法诉诸语言时,“是”就是“是”,“非”就是“非”,没有任何的曲曲折折、弯弯绕绕。直到现在,剑桥大学还流传着“狄拉克单位”的神话。这并不是狄拉克在物理学中的创造,而是当年剑桥大学的同事们在描述狄拉克时所开的善意的玩笑,即将1小时内说1个字定义为1个狄拉克单位。由此可见狄拉克言语之少。
  好在,这样的性格并不妨碍狄拉克成为一名伟大的科学家。
  

“上帝之眼”


  一百年前的剑桥大学是什么样的呢?
  河畔、金柳、夕阳......诗人徐志摩笔下的剑桥时光令人心神向往。与他同时期沐浴在这片旖旎风景中的狄拉克也常常会到康河边漫步,不过他的目的可不是为了感受诗情画意,而仅仅是投身科学之余唯一的放松时光。
  “散步的目的是在一周紧张学习之后休息一下,也许还想为下周一的研究得到一个新的看法。但这些散步的主要目的是休息,就是有问题我也会将它们置于脑后有意识地不去思考。”在后来的相关回忆中,狄拉克这样写道。
  除沉默寡言之外,狄拉克的生活单调到“令人发指”。不管是政治、社团外交、漂亮女孩儿还是其他,狄拉克全都不感兴趣,因为科学早已经吸引了他的所有目光。
  最初,狄拉克希望研究一直以来感兴趣的相对论,不过在导师——英国物理学家、天文学家拉尔夫·福勒的指导下,他开始接触原子理论,并由此在思维的广度和深度上得到了极大提高。
  1925年,海森堡到剑桥大学访问时带来了他对量子力学的最新突破——后来被称作“矩阵力学”的理论。新的思想固然让人高兴,但海森堡心中却不免含着隐忧,因为他的理论中得出的矩阵乘法互相不对易,即p×q≠q×p。
  要知道,虽然现在的人们对于“不对易的矩阵”早已经司空见惯,但在海森堡那一代科学家之前,就连矩阵为何物都不知道。不过,为此感到困惑的显然不包括狄拉克。思考问题向来“一根筋”的他认为新理论的精辟之处正在于此。但他也有疑惑——海森堡的不等式让他觉得似曾相识,到底在哪儿见过呢?
  连续几天的思索终于闪来了“灵光”,狄拉克想起了经典的泊松括号,与海森堡的矩阵力学不正有相通之处吗?基于这项发现,他悟出了隐藏在海森堡矩阵力学中深奥的代数本质,创造了互不对易的所谓“q数”,以及这些“q数”之间的运算规则,并以此发展出一个漂亮的量子力学符号运算体系。之后又将泊松括号拆开为左右两半:分别叫作左矢<|、右矢|>。这成为表示量子态的著名的“狄拉克符号”。
  并且,在此期间,为了处理连续的变量,狄拉克还引入了新的数学工具——狄拉克δ函数。简单来说,就是处理不连续分布于空间和时间中的物理量,如质点、点电荷、瞬时力等抽象模型的密度。在此之前,人们对于这些不连贯的变量毫无办法,狄拉克δ函数为后人带来了可喜可贺的数学贡献。
  作为一个理论物理学家,狄拉克对于数学的推崇从未掩饰。1955年在访问莫斯科大学物理系时,当被问及个人的物理哲学,他在黑板上这样回道:“一个物理定律必须具有数学美。”至今,狄拉克写上这句话的黑板仍然保存着。并且,作为一个无神论者,在1963年发表于《科学美国人》杂志的一篇论文中,狄拉克甚至写道:“上帝是一位高明的数学家,他用高深的数学来构建宇宙。”这句话正确与否暂且不去评价,但狄拉克本人却实实在在地为此践行了一生,用“上帝之眼”带领人类接触了一个全新的宇宙。
  1928年,26岁的狄拉克提出了一个符合相对论的关于电子的方程式,即后来著名的狄拉克方程——E2=p2c2+m2c4。利用这一方程可以成功推导出所有已知的关于电子的属性,是理论上的重大进展。要知道,在此之前,电子的这些性质全部是通过分析实验结果总结出来的,并没有理论的来源和解释,而狄拉克却完成了前所未有的突破。不过,正是这一被后世称为世界历史上最完美的几个方程式之一的狄拉克方程,在当时却隐含着一个致命的问题:它包含了所有具有负能量的量子态的解,而这一点是违背当时物理学基本理论的,倘若去掉这种解的话又会引来数学的内在矛盾。
  究竟该如何解决?直来直往的狄拉克再一次显现出了惊人的天赋,据此方程式,他提出了一个极其大胆的猜想:具有负能量的量子态(即带正电的反电子等)是存在的,只是我们还没有观测到!
  自宇宙形成以来,这是人类第一次预测了反物质的存在!但在当时,由于狄拉克的沉默寡言与骇人听闻的想法,几乎没有任何人愿意相信,直到几年后一场风暴的到来才彻底打破平静。
  1932年8月2日,这本该极其普通的一天,却因美国物理学家卡尔·安德森无意间的行为成为了历史。在拍摄宇宙射线图像时,安德森捕捉到了带正电粒子的清晰轨迹,首次发现了正电子!这无可辩驳的事实证实了反物质的存在,狄拉克“无中生有”的预言是正确的!整个科技界为之轰动,安德森也因此发现获得了1936年的诺贝尔物理学奖。
  不过,这仅仅是第一步。到20世纪50年代,随着反中子、反质子的相继被发现,人们这才明确地意识到,任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。当正反物质相遇时,双方就会相互湮灭抵消,发生爆炸并产生巨大能量。“宇宙大爆炸”理论便是基于此产生的。
  到今天,在大量观测数据的支持下,宇宙学家已经普遍认为,反物质占了大爆炸产生的物质的一半;从这个角度上看,狄拉克是完全通过理性瞥见宇宙初期那另外半个世界的第一人。不过,不管热闹与否,从来与他无关。狄拉克的世界始终安静如初。
  

最纯洁的灵魂


  一般意义上而言,狄拉克的情感神经的确有所缺失,这也让他与周围所有人格格不入。
  有一次,狄拉克与海森堡一同到日本讲学。向来社交活跃的海森堡,在行程中的一个晚会上不断与年轻姑娘们翩翩起舞。静默在角落的狄拉克等了许久,在海森堡休息的过程中终于提出了疑问——为何他会这样兴高采烈?海森堡笑了,说和好姑娘们跳舞是一种享受。怔了好一会儿,狄拉克依然不解:“在和她们接触前,你怎么知道她们是好姑娘?”
  还有一次,在与玻尔一起参观哥本哈根的国家艺术博物馆时,当来到一幅印象派油画面前,玻尔仿佛受到触动般非常欣赏,但狄拉克却极为不解:“这条船为什么没有画完?”
  科学与人文艺术相通的概念,在狄拉克这里完全相反。听说美国物理学家、曼哈顿计划主要领导者之一罗伯特·奥本海默喜欢文学和诗,狄拉克有一次在见到他时说:“听说你在写诗,我不明白一个工作在物理学前沿的人怎么能够同时又去写诗,这两者是不相容的。科学是把以前没有人了解的事情用大家都能明白的话来说清楚,诗却是将大家都已经知道的东西以无人能够理解的方式表述出来。”一次性说了这么长一段话,对于一个向来沉默寡言的人来说极为罕见,可以想见狄拉克的疑惑之深了。
  都说性格大多与经历相关,狄拉克正是如此。生活在暴君式的强权家庭中,狄拉克从未感受到人类该有的情感。1925年3月,因长期困于抑郁之中,狄拉克的哥哥自杀身亡。这给他带来了前所未有的情感体验,并不只是因为他的哥哥,更来源于他的父母。“我的父母非常痛心。我不知道他们这么在乎......我从来不知道父母应该照顾自己的孩子,但自从这件事后,我了解了。”
  23岁的狄拉克有了第一次真正意义上的情感体验,但此时所有的人生观、世界观都已形成,不管对于任何人或事物,他只会凭本能和直觉领会,丝毫不懂得加以修饰和转圜。也因此,玻尔才会发出感叹:“在所有的物理学家中,狄拉克拥有最纯洁的灵魂。”
  从内到外的纯粹,当诉诸笔端时是同样简练的风格。狄拉克的文章,笔迹总是整洁优雅,几乎任何手稿都可以不加修饰、增减,直接成文。当代世界著名物理学家杨振宁在提到狄拉克时也不由感叹“秋水文章不染尘”,没有任何渣滓,直达深处,直达宇宙的奥秘。
  为了陪伴家人而离开科学中心的巨匠,恐怕除了狄拉克再没有其他人。1970年,为了与远嫁美国的女儿住得更近一些,狄拉克毫不犹豫地离开剑桥科学中心,携家带口前往美国佛罗里达州定居,平静地度过了辉煌一生的最后14年。1984年10月20日,狄拉克的世界终于归于平静,这一次的沉默成了永恒。

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2019年9月上

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