保罗·狄拉克

时间:2023-11-25 03:59:02

我在十几岁的时候,对科学还没多大兴趣,每天泡在彼得镇的图书馆里面看各式各样的书。图书馆要求每次借阅时间不超过两周,管理员会在你借书的时候在书签上面盖章,以提示归还日期。对于一些热门书,附夹的书签上面盖满了密密麻麻的章。那时候可没有亚马逊网上书店,而这些章可以告诉你哪些书可能更有趣一些。很多人根据盖章的多少来决定借什么书,但是我慢慢厌倦那些热门书了--每个人都读过就没意思了,所以我想知道什么书压根无人问津。经过调查,很多书只被借过一两次,但是通常都是因为它们是新书,刚刚上架。但是功夫不负有心人,我最终找到了一本入库很多年,却只被借过一次的书。

我把它借出来,成为了第二个借阅者。但是我只读了序言的第一段,就把它还了。书里一直说“正交性”,我压根不懂,而我的爸爸也解释不清楚这在讲什么。这件事我记忆犹新--父母在我的人生中第一次变得束手无策;很显然,这对于我而言是非常特别的。

10年之后,在理论物理专业本科学习的最后一年,我偶然地又看到了这。这一次,我已能看懂其中大部分内容了,但还是有很多疑问和困难。这叫作《量子力学原理》,作者是剑桥大学的数学家保罗·狄拉克,1930年出版。而且我发现,不仅是我和我父亲,几乎所有人都难以理解原版的各种理论。1935年,该书推出了第二版,新版书发生了翻天覆地的变化,以至于在之后的20多年一直被作为量子力学的经典教材,虽然它读起来也没那么容易。这堪称简明逻辑的一个范例,充满了数学公式,辅以文字标注。狄拉克在描述了他对于物理的独特的、革命性的理解,包括著名的狄拉克方程--这个方程预言了正电子这种最简单的反物质粒子的存在。

我们对于反物质世界的首次了解并非源于实验,也非来自于偶遇,而是来自于狄拉克方程中漂亮的数学模型。五线谱上的小勾、半音符、十六分音符等都只是一些符号,而音乐家能将它们解读并演奏成曼妙的音乐;类似地,这些枯燥的公式最终也能够揭示自然的和谐之声。狄拉克无疑是数学这门语言中的超级大师。1995年,为了纪念他,一块纪念碑被安放在了英国的威斯敏斯特教堂(英国名人墓地),如图3.1所示。这块纪念碑的旁边就是牛顿的纪念碑,以纪念这位最伟大的物理学家。狄拉克的纪念碑上篆刻了他最著名的方程,这个等式揭示了反物质世界。对于大多数参观者而言,这个方程完全不知所云,但是看起来仍然有一种未经雕琢的美感。而对于那些学过相关理论的人而言,狄拉克方程中蕴含的创造性、力量和优雅,毫不逊色于莎士比亚或者贝多芬创造的作品。

保罗·狄拉克

图3.1 威斯敏斯特教堂中的狄拉克纪念碑,以及上面的狄拉克方程。符号γ代表附录2(狄拉克密码)中描述的“伽马”矩阵

狄拉克的父亲是瑞士人,后来移居到英国的布里斯托尔当老师。在狄拉克家中,法语和英语享有相同的地位,所以狄拉克从小在双语环境中长大,不过他异常的沉默寡言。关于他的不爱说话和不善交流,有很多的传言。但是更多的传言是关于他巨大的数学天赋和才能。他的演讲充满了数学才华,言辞精确,甚至连专家们都望而生畏。在多伦多大学的一次演讲中,一位观众委婉地问道“我不明白您是怎么得到黑板上的公式的”。现场一片安静,过了好一会儿,在主持人的提醒下,狄拉克才说:“你说的不是一个问题,只是一种描述”。 在大学的宴会上,谁会有幸坐在这位沉默的数学家旁边,一直是一个微妙的话题。一次偶然的机会,小说家福斯特(E.M.Forster)参加了宴会,主办方突发奇想将这两人安排坐在一起;福斯特也是一个不善交流但是精于写作的人,而狄拉克正是他的忠实读者。那晚发生的事情有些民间传闻,虽然有点荒诞,但是根据内容来看也有可能是真的。

在前菜阶段,一切如常;但是当主菜端上来后,根据福斯特的书《印度旅程》所写,狄拉克探头看了看,问道“那里面是什么?”这就是狄拉克整晚说过的唯一一句话。福斯特一直在考虑狄拉克的问题,但是一直没说话。他一边吃一边想。直到饭后甜点端上来,福斯特才给出了他的答案:“我不知道。”

虽然狄拉克不善于人际交往,但和福斯特一样,他通过书写来表达自己。他在1928年将量子理论中的观点融合起来,并与爱因斯坦的狭义相对论相结合,创造出了一套全新的数学语言。当时看来,这套理论陌生而又离奇,但如今它已成为理论物理的标准教程,被相关从业者广泛运用。