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保罗·狄拉克

狄拉克

保罗·狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac,1902年8月8日~1984年10月20日),英国理论物理学家,量子力学的奠基者之一,因狄拉克方程与薛定谔共同获得1933年诺贝尔物理学奖。狄拉克对物理学的主要贡献是发展了量子力学,提出了著名的狄拉克方程,并且从理论上预言了正电子的存在。狄拉克青年时代正好是原子物理学实验积累了大量材料、量子理论处于急剧变革的时代。

 

人物生平

 

1902年8月8日生于英国布里斯托尔城。他跳级读完中学,在中学自学了相当高深的数学。1918年毕业后考入布里斯托尔大学电机系。1921年大学毕业,获电气工程学士学位。1923年考入剑桥大学圣约翰学院当数学研究生。1923年成为剑桥大学圣约翰学院数学系的研究生。1925年开始研究由海森伯等人创立的量子力学,1926年发表题为《量子力学》的论文,获剑桥大学物理学博士学位,应邀任圣约翰学院研究员。1929年周游各国,作学术访问,先在美国逗留了五个月,后来和海森伯一起访问日本,再横贯西伯利亚,回到英格兰。1930年选为英国伦敦皇家学会会员。1932到1969年,狄拉克任剑桥大学卢卡斯数学教授(牛顿曾任此职务,现任为霍金),1969年退休。他还担任过美国威斯康星大学、密执安大学、普林斯顿大学、迈阿密大学等有名学府的访问教授。1933年狄拉克和薛定谔一起分享当年度诺贝尔物理学奖金。1971年起任剑桥大学荣誉教授,兼任美国佛罗里达州立大学物理学教授。

1984年10月24日逝世。终年82岁。 1995年11月13日,在伦敦威斯敏斯特教堂紧挨着伟大的牛顿纪念碑的地方,举行了保罗·狄拉克纪念碑的揭幕典礼。在狄拉克纪念碑上刻着预言了反物质存在的使他成名的方程。

狄拉克

 

人物评价

 

他,个头很高,面容憔悴,手脚不那么灵巧,极度地沉默寡言。他把一切献给了一个主要兴趣。在这个领域他是一位杰出的人物,但对其他活动没有兴趣或者没有能力……他是具有超级数学心智的典型;对于其他人来说,这种心智蕴藏着多种利益,而对于狄拉克来说。他却将它全部用来完成他伟大的历史使命,即建立一门新学科——量子力学。

——德国物理学家 埃尔萨塞

在所有的物理学家中,狄拉克具有最纯洁的心灵。

——尼尔斯.波尔

 

科学成就

 

量子力学

 

由于深受以爱因斯坦为代表的20世纪物理学中理性论思潮的影响,加之个人的勤奋和思想方法的正确,狄拉克在量子力学的理论基础特别是普遍变换理论的建立方面,在相对论性电子理论的创立方面,以及在量子电动力学和量子场论的建立方面,都作出了重大的贡献。1926~1927年,研究出量子力学的数学工具变换理论与费米各自独立地提出具有半整数自旋粒子的统计公式(费米一狄拉克统计法)。1927年提出二次量子化方法。把量子论应用于电磁场,并得完第一个量子化场的模型,奠定了量子电动上学的基础。1928年与海森伯合作,发现交换相互作用,引入交换力。同年,建立了相对论性电子理论,提出描写电子运动并且满足相对论不变性的波动方程(相对论量子力学)。在这个理论中,把相对论、量子和自旋这些在此以前看来似乎无关的概念和谐地结合起来,并得出一个重要结论:电子可以有负能值。由此出发,于1930年提出“空穴”理论,预言了带正电的电子(即正电子)的存在。1931年预言了反粒子的存在,电子一正电子对的产生和湮没。1932年,安德森在宇宙射线中果然发现了正电子。不久,布莱克特在用云室观察宇宙线时又发现了电子一正电子对成对产生和湮没的现象。1931年提出关于“磁单极”存在的假设。论证了以磁单极为基础的对称量子电动力学存在的可能性。1932年与福克和波多利斯基共同提出多时理论。1933年提出反物质存在的假设。假定了真空极化效应的存在。1936年建立了主要是关于自由粒子的经典场的普遍理论。1937年提出了引力随时间变化的假设。1942年为消除电子固有能量的无限大值而引人不定度规的概念。1962年提出u子的理论,在这个理论中u子被描写为电子的振动状态。此后,主要研究引力理论的哈密顿表述形式问题,以进一步把引力场量子化。

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相对论动力学

 

狄拉克原来从事的研究,自从1925年海森伯访问剑桥大学以后,狄拉克深受影响,把精力转向量子力学的研究。1928年他把相对论引进了量子力学,建立了相对论形式的薛定谔方程,也就是著名的狄拉克方程。这一方程具有两个特点:一是满足相对论的所有要求,适用于运动速度无论多快电子;二是它能自动地导出电子有自旋的结论。这一方程的解很特别,既包括正能态,也包括负能态。狄拉克由此做出了存在正电子的预言,认为正电子是电子的一个镜像,它们具有严格相同的质量,但是电荷符号相反。狄拉克根据这个图象,还预料存在着一个电子和一个正电子互相湮灭放出光子的过程;相反,这个过程的逆过程,就是一个光子湮灭产生出一个电子和一个正电子的过程也是可能存在的。1932年,美国物理学家安德森(1923-)在研究宇宙射线簇射中高能电子径迹的时候,奇怪地发现强磁场中有一半电子向一个方向偏转,另一半向相反方向偏转,经过仔细辨认,这就是狄拉克预言的正电子。后来很快又发现了γ射线产生电子对,正、负电子碰撞“湮灭”成光子等现象,全面印证了狄拉克预言的正确性。狄拉克的工作,开创了反粒子和反物质的理论和实验研究。

狄拉克

 

历史贡献

 

狄拉克是量子辐射理论的创始人,曾经和费米各自独立发现了费米-狄拉克统计法。狄拉克还在美国佛罗里达州立大学发表过大量有关宇宙学方面的论文,推动宇宙学研究的发展。特别值得一提的是,狄拉克早在本世纪三十年代,就从理论上提出可能存在磁单极的预言。近年来有关磁单极的理论研究和实验探测取得了迅速发展。1982年国外已有报道,宣称有人发现了磁单极存在的证据。当然,假如真能从实验上证实磁单极存在,一定会引起物理理论的深刻变化。

狄拉克对物理学的发展充满信心,把自己毕生的精力、兴趣、热情全部投入追求科学真理的事业。他为当代物理学提供了丰富的物理思想,如正则量子化、变换理论、合时微扰、二次量子化、粒子沙表象、空穴理论和反粒子概念、电有共把对称性。路径积分、多时理论、重正化方法、用单极、弦模型、不定度规、引力场量子化等等。这些创造性的新思想为当代物理理论的发展开拓出新路。一大批获得诺贝尔奖金的杰出物理学家都是在狄拉克思想的引导下,或在狄拉克开辟的道路继续前进而取得丰硕成果的。他对物理学的杰出的贡献也为他带来了崇高的声誉,他因建立了量子力学而和薛定愕共获1933年度诺贝尔物理学奖,1939年获英国皇家奖章,1952年获英国皇家学会科普利奖章,1968年获奥海默奖章。他除了是英国皇家学会的成员以外,还是前苏联科学院通讯院士和美国普林斯顿高级研究院、罗马教皇科学院的成员。狄拉克曾应邀到德国、美国、日本等许多国家作访问讲学。1935年7月应我国清华大学的邀请,在清华大学作了关于正电子的演讲,并会见了我国的物理学界人士。1984年10月20日,狄拉克在美国佛罗里达逝世,为悼念这位伟大的理论物理学家,英国剑桥大学圣约翰学院举行了隆重的纪念报告会。

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科学著作

 

狄拉克一生著作甚丰。他的名著、《量子力学原理》(1930)以深刻而简洁的方式表述了量子力学,半个多世纪以来一直是这个领域的一本基本教科书。还著有《量子力学讲义》(1964)、《量子场论讲义》(1966)、《量子论的发展》(1971)、《希尔伯特空间中的旋量》(1974)、《广义相对论》(1975)、《物理学的方向》(1978)等。

狄拉克

 

逸闻帙事

 

“我依然觉得很难同狄拉克交谈,”认识狄拉克多年的一位剑桥物理学家曾对英费尔德说,“如果我要征求他的意见,我必须尽量简洁地说出我的问题。他总会用5分钟看天花板,接着又用5分钟看窗外,然后回答说‘是’或者‘不是’。不过,他回答总是正确的。”甚至在会议上或在科学讨论中,狄拉克依然保持着这种态度。1950年夏,他在哈韦尔召开的核物理学会议上作了关于场论的报告。会议记录在概括他的报告内容之后,以简洁的方式收尾:“以下讨论的问题被提出来了,但没有回答……”

狄拉克的沉默寡言,似乎部分地因为害羞,部分地因为特异性地和过分地坚持逻辑和智力的经济。狄拉克不仅在科学问题上由于他的直接与坦率而闻名,而且在日常生活中也是如此。他很难接近,甚至对那些与他共事很长时间的人也采取保留的态度。然而,那些很了解他的人使我们相信:他是一位非常有礼貌的人。即使这样,对于那些不了解他的孤独特质,或者不熟悉他个性的人来说,他对话的风格和倾向会让人觉得只是缺乏机智而已。他的沉默寡言以及看似对人缺乏兴趣,使他的社会交往不多,在某些情况下甚至不可避免地犯下不礼貌或者傲慢的错误。下面的故事就是最好的证明。

当波兰青年物理学家英费尔德1933年前后来到剑桥时,福勒就建议他跟从狄拉克研究正电子理论中的一个问题。英费尔德于是去见狄拉克,下面就是他后来记述下来的那次会见:

我穿过圣约翰学院那狭窄的木楼梯,然后敲响了狄拉克的房门。他悄悄地把门打开,并以友好的手势指着一张带扶手的椅子。我坐下来并等着他讲话,但鸦雀无声。我告诉我的主人说,我几乎不会讲英语,他友善地笑了笑,但没有作任何回答。

英费尔德试图把谈话引向深入,且把福勒的建议告诉了他。

仍然没有回答。我等待了一会儿,接着直接提出了问题:“你反对我同你一道研究那个问题吗?”——“不”。我终于让他吐出了一个字。接下来,我开始讨论那个问题,并拿出钢笔来以便写出一个公式。他一言不发地站起来,拿来了纸张。但是,我的钢笔写却不出字来,这时他又悄无声息地拿出他的铅笔,并递给了我。我再次问他一个直接的问题,而得到的回答是5个字,我花了两天的时间才消化它们。谈话即将结束,我试图延长它。“当我遇到困难的时候,你不介意我来麻烦你吗?”——“不”。我离开了他的房间,奇怪而又沮丧。他太难令人亲近了,要是我事先就知道每个剑桥人都是这么认为的,那么我就不会有什么不愉快的感觉了。如果英国人都觉得他很特别,那么对一个喜欢嚼舌根的波兰人就更可想而知了。

狄拉克当然不是无礼,尽管他的举止被英费尔德描述得好像是无礼的。他作为逻辑的耕耘者,只不过是按逻辑行事,因此在某些场合就表现得与社会所接受的方式背道而驰。他直接回答问题,但不作评论或者其他不得要领的陈述。他接下来会坦率行事,在一些场合下,这种坦率并不总是被认为是友好的表示。后来成为知名天体物理学家的席艾玛,在1950年前后拜狄拉克为导师。有一次,席艾玛兴奋地跑到狄拉克的办公室说:“狄拉克教授,关于宇宙学中恒星形成的问题,我刚刚想出一种方法,我可以告诉你吗?”狄拉克的回答是:“不。”谈话就此结束。

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还有一次,一位法国物理学家拜访狄拉克。那位法国人很费劲地讲着英语,在狄拉克无声之中介绍自己。狄拉克静静地听着他讲出每一个单词,其中一半是法语,另一半则是糟糕的英语。“过了一会儿,狄拉克的妹妹走进房间,用法语问狄拉克一些事情,狄拉克也以流利的法语做了回答。”我们回头想一下,狄拉克父亲的母语是法语,他在孩子们很小的时候就教他们法语。那位来访者自然很愤怒,大声叫道:“你为什么不告诉我,你能讲法语?”狄拉克简洁地回答说:“你从来也没有问过我呀。”

还有异曲同工的另一个故事是塔姆讲的。他1931年聆听了海森伯在剑桥大学作的一次演讲,内容是介绍海特勒近期的研究。海森伯忘记了带笔记本,但还是作了演讲。接下来的讨论就令人糊涂和不满。在讨论之后,有人询问狄拉克对此的看法,狄拉克说,他相当了解海特勒的观点,而且是海特勒亲自告诉他的。“那么,保罗,你为什么不当场告诉大家呢?”“没有任何人要我讲呀,”狄拉克回答说。

1947~1948年,派斯在普林斯顿高等学术研究所工作时结识了狄拉克,并掌握了狄拉克的谈话特性。他回忆起他们在研究所走廊里的一次对话:狄拉克说:“我妻子问你能否和我们一起共进晚餐?”派斯回答说:“很抱歉,我另有约会。”狄拉克接着说:“再见。”“狄拉克没有说‘那改天’吧?对他来说问题已经提出,并得到了回答,因此谈话就该结束了。”

一次狄拉克发表完演讲之后,一位听众提问道:“狄拉克教授,我不懂你是怎样推导出这个方程的……”狄拉克安静地坐着,也许朝窗外看去,没有任何想回答的表示。经过一段沉寂之后,与提问者一样不懂的演讲主持人请求狄拉克回答刚才的那个问题。“那不是一个问题,只是一个陈述。”狄拉克回答道。其实,他并不想回绝询问者或者制造幽默,只是想陈述一个事实。

狄拉克爱好孤独和沉默寡言源于他希望按照他的意愿生活,这是很清楚也是很合逻辑的事。尽管他通常是一个少言语的人,但在他认为必要的时候,他的口才却是很好的。1950年,他在加拿大遇见了英费尔德,后者当时正在落基山脉的班夫访问。英费尔德不仅对遇见狄拉克感到意外,而且也注意到他的善谈:“他远离人群已有两周的时间了,而且没有说过一句话,因此,他把积压的词句突然一股脑儿地向我释放出来。尽管他天性不爱说话——也许正因为这样——他是聪明的,而且思想深邃,从不唠叨琐碎事情。”

对逻辑几乎疯狂的热爱贯穿狄拉克生活的各个时期,而且常常会带来意想不到的结果。逻辑的和理性的想法并不总是能控制实际生活,但它们却控制了狄拉克的大学生活,或者说他认为被控制了。“他似乎总是一个彻头彻尾的理性主义者,”莫特在1963年评论道。下面一个故事也许能反映狄拉克智力运作的特征。休姆是狄拉克早期的一位研究生,有一次,他与狄拉克一起乘火车从剑桥去伦敦。在返回剑桥的途中,狄拉克注意到从休姆的口袋里发出咔嗒咔嗒声,休姆解释说,那是他装在瓶子里的药丸发出的声音:在去伦敦的途中,瓶子里装满了药丸因此没有声音;后来因为吃了一些药丸,所以狄拉克就能够听到声音了。狄拉克在沉默一会儿后说:“我猜想,当瓶子只有一半药丸时,它将发出最大的噪声。”

 

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