狄拉克科学与科学的博弈

狄拉克科学与科学的博弈

保罗迪拉克通常被称为“理论理论家”。他太胖了，很少安静。他是典型的科学“业余客人”。在他研究生涯的后期,当有物理学家打电话给他,想讨论一下其文章中的某个想法时,他会坚决地打断谈话并说:“我认为人们应该研究自己的想法”,然后挂断电话。狄拉克对其科学、数学、法学的态度纵观狄拉克的一生,其最出名的工作是发展了由海森伯(WK.Heisenberg)和薛定谔(ESchrdinger)在1925年所创立的量子力学,当时他只有23岁。在关于这个理论早期的一些文章中,狄拉克的文章显得非常突出,就像弗里曼·戴森(FreemanDyson)所说的:“他那些伟大的发现就像精雕细琢的大理石雕塑,一座接一座地从天而降。”虽然狄拉克在科学界备受尊敬,被誉为是科学魔术师,但是许多物理学家——特别是德国柏林和哥廷根的一些物理学家——觉得他的语言令人费解,他的论证难以理解,还有他的态度过于冷漠。爱因斯坦也是那些深感困惑的人中的一个,他曾说:“我和狄拉克合不来。天才和疯子之间那模糊的界限是可怕的。”而玻尔(NH.D.Bohr)对狄拉克却印象深刻,他觉得狄拉克是“访问过我研究所的中的最奇怪的人”,尽管对狄拉克在新理论中的哲学问题的漠不关心感到困惑。狄拉克在英国布里斯托学习时,就显露出他那独一无二的个性以及对待理论物理的态度。据他自己所说,他有着一个缺乏爱、没有朋友的悲惨的童年。但是他在科学、数学和工程学等方面受到了良好的教育。在狄拉克21岁那年,他来到了剑桥,开始了博士学位的学习——尽管他关于现代物理的知识并不完整,但是他却已经拥有电气工程和应用数学两个学士学位。他是一个极其特别的学生,很少有人猜到他将成为20世纪英国最富成就的学者之一。根据狄拉克对早年的回忆,他的家庭生活极其痛苦,主要是因为他那控制欲很强的父亲和一个瑞典家庭老师。家庭老师坚持要求家里不应该有访客,还要求狄拉克以及他的兄妹用法语跟他讲话。用餐的时候,狄拉克一家会分成两组:他和他的父亲在前厅,只能用法语交谈,而他的妈妈和兄妹则在厨房,讲的是英语。他那严厉的父亲会因一点细小的语法错误而惩罚他,甚至不让他上厕所。1933年一篇经过仔细调查的报道中写道,狄拉克像一个小男孩一样,认为男人和女人用的是不同的语言讲话。这也解释了他为什么一般不爱说话,除非理由非常充足。在狄拉克16岁的时候,他打算上大学。那时他并不太明确要选什么专业,于是决定跟随他哥哥就读布里斯托大学的工程学系。在大学期间,狄拉克理论工作极为出色,但是他在实验室中却显得相当笨拙,大部分的时间中,狄拉克都在焊接电路、控制车床、载荷测试光束以及忙于其他一些成为工程师必备的技能。尽管很忙碌,但是狄拉克仍需要一个挑战。当时最新的日食数据证明了爱因斯坦理论在描述太阳光线弯曲时要优于牛顿理论,他和他的同学们对这个轰动性的新闻感到非常的兴奋。但是狄拉克很难找到这些新闻背后的东西。关于这些理论的细节很少,大部分关于爱因斯坦理论的书都是误导人甚至是错误的。在哲学家查理·布罗德(CharlieBroad)开设的一门关于科学想法的课上,他着重介绍了爱因斯坦的狭义和广义相对论,这满足了狄拉克了解爱因斯坦理论的愿望。布罗德曾在剑桥学习自然哲学,他总能精确地总结新想法,并生动地表达出来——狄拉克的思维方式是以数学形式表达的基本想法来猜测自然规律。在17岁的时候,他开始走上一条成为理论物理学家的道路。狄拉克的导师是拉尔夫福勒的专家,他的理论是他所兴起的1921年7月,狄拉克拿到了学位,并被授予一等奖学金。但是他并未能找到工作,待业在家。当时英国的经济并不景气,能提供的工作岗位很少,尽管狄拉克参加了几次面试,但都无果而终。大卫·罗伯特森(DavidRobertson),一位他在工程系的讲师主动为他安排了免费的大学数学课程。在他学习纯粹数学的那段时间中,狄拉克听了皮特·弗雷泽(PeterFraser)的课。弗雷泽从未写过一篇科研论文,却是一个极其优秀的老师,是狄拉克所遇到过的最好的老师,这是狄拉克后来说的。布里斯托一位搜猎天才的探员在他的一份报告中是这么描述狄拉克的:“有点古怪,喜欢坐着苦思冥想,是一个孤寂的隐士,不爱开玩笑,经济上十分拮据。”1923年10月,狄拉克去剑桥开始了他的博士学业。入学考试的优异表现给学校留下深刻的印象,学校优先为他提供一个研究生位置(狄拉克原本连修本科生课程的资格也没有,因为他既没有修过拉丁语也没有修过希腊语)。虽然在知识上有着很大的缺口,包括麦克斯韦方程,但是他显然拥有特殊的数学天赋以及训练有素的专业技能和鉴别力。狄拉克一开始想研究的是相对论,当得知他的导师是拉尔夫·福勒(RalphFowler)——一个统计力学和量子理论的专家——的时候,他有点失望。然而,不久之后,狄拉克意识到他的导师是全剑桥最好的导师。在狄拉克快速和充满想象力地完成福勒所给出题目的同时,他仍旧在空余时间钻研射影几何,并去寻找各种经典的相对论版本以满足自己对学习狭义相对论的渴望。从他写给家里那封极为简洁的明信片上我们可以看出,狄拉克似乎心满意足。但是在1925年的春天,当听到他哥哥服氰化钾自杀的消息后,内心受到了严重的打击,之后的一段时间内,他的工作效率急剧下降。在狄拉克回布里斯托的那个夏天,几个月没有发表任何文章,整个假期都在忧郁中度过。直到假期快结束的时候,他收到一封信,里面的内容改变了他的一生。这封信是福勒寄来的,里面附上了一篇海森伯写的论文,这篇论文也被认为是量子力学的第一篇论文。起初,狄拉克认为这些东西太复杂了,把它搁在了一边但是两周之后,他被文中几行附加的说明所吸引,海森伯认为他的理论有一个明显的错误:位置和动量这两种变量是不対易的同时也暗示了这个问题并不是不能解决的。在接下去的几周中,狄拉克把所有精力都投放在了这段文字上,他意识到这里包含了量子力学的精髓。狄拉克用类似于经典理论中的泊松括号这样的语言重新描述了量子力学,而泊松括号在动力学系统中决定时间演化方式起着重要作用。他的第一篇关于这个课题的文章《量子力学的基本方程》引起了海森伯、玻恩(M.Born)和其他哥廷根同事的注意。40年之后,海森伯在参加一次BBC的访问时说道,当时他们中没有人听说过狄拉克,但是都猜测他是一名数一数二的数学家。狄拉克早期关于量子力学的文章以其洞察力之深刻和论证之优美而著称。它们中的许多现在看来仍是新鲜的,并不过时。在1920年代中后期,自然之书似乎就敞开在他面前:他写了一篇又一篇伟大的论文,发现了量子变换理论和量子场论、耗散理论、密度矩阵、空穴理论以其他一些开创性的贡献。学者们对于狄拉克文章中的深刻见解迷惑不解,他们也没有从狄拉克那里得到帮助。直到60年代,当狄拉克开始谈论他早期的一些工作时,人们才开始慢慢理解。在一次重要的谈话中,狄拉克说道,他在早期的文章中用了射影几何,但是他并没有在文章中提到这些数学本身,部分原因是他认为这些东西对于其他物理学家来说并不太熟悉。1971年,在波士顿大学的一次报告会上,彭罗斯(R.Penrose)问他是如何在这些文章中运用几何学知识的,狄拉克拒绝回答,只是摇了一下头然而,他在1963年的一次访谈中,在回顾学习工程学时讲到了他是如何从中得到灵感发明δ函数的:“当你思考…工程结构时,有些时候你有一个连续分布的荷而有些时候你的荷是集中在一点上的。那么,它们本质上是一样的…但是你在处理两种情形的时候用的是不同的方程。就是想把这两样东西统一起来,所以才导致了δ函数。”狄拉克在其黄金时期所做贡献中最主要的可能就是1928年他发表的关于电子的方程。这个同时能与量子力学和狭义相对论相容的方程,一举解释了粒子的自旋和磁矩。3年后,他应用这个方程预见了正电子的存在,那是在他关于磁单极的开创性论文中顺便谈到的。虽然没有证据显示他鼓励实验物理学家去找寻这种新粒子。这个预言也引起了诺贝尔奖委员会的注意。在1933年11月,就在狄拉克成为剑桥的卢卡逊教授后的第二年,诺贝尔奖委员会宣布他与薛定谔分享那一年的诺贝尔奖;而在1932年此奖授予了海森伯。狄拉克在当时是最年轻的诺贝尔奖得主,这个记录直到1957年被李政道打破。般规则—开始质疑量子电动力学在狄拉克获得诺贝尔奖之后的几个星期,他发表了关于真空极化的想法,他的黄金期也就此结束,他不再执迷于量子电动力学。量子电动力学预言了许多观测量都是无穷大的,这将导致计算失去意义,狄拉克对此感到非常困扰。在1936年,他将自己的注意力转向了宇宙学并提出了备受争议的大数假说。根据这个假说,一些简单的线性的方程关联着宇宙学中出现的一些大数。几年之后,狄拉克受邀做了一次关于其物理哲学的演讲。他能接受邀请是一个意外,因为狄拉克是出了名的蔑视科学哲学。在196年他会说科学哲学“只是一种讨论已经发现的东西的方法。”但是狄拉克1939年2月在爱丁堡的那次名为“数学和物理学之间的关系演讲并没有让听众失望。他的演讲语言朴实易懂,没有用一个数学符号,但是思想极为深刻:“数学家所玩游戏的规则是他自己创立的,而物理学家玩的游戏规则是自然给的,”并建议理论物理学家应该追求那些数学上最为漂亮的基本规律。在狄拉克研究方向改变的同时,他个人生活也发生了一些重要事件。一直掌控着狄拉克生活的父亲于1936年6月去世。在葬礼过后,狄拉克觉得自己终于获得了自由,并写信告诉他最好的朋友、匈牙利同行尤金·魏格纳(EugeneWigner)的离了婚的姐姐。6个月之后,狄拉克与她结了婚,婚姻持续了近50年,给他们带来了两个女儿。狄拉克开始做起了居家男人,热衷于照料他的花圃和草坪,但是他对理论物理的热情并未减退,只是渐渐地淡出了主流学界。在1950年代前期,下一代理论学家——特别是戴森、费曼(R.Feynman)、施温格(J.S.Schwinger)、朝永振一郎——发展了一套完备的量子电动力学的理论,即通过重整化系统地解决了恼人的无穷大问题,但是狄拉克对此却表示不屑。当戴森问狄拉克对这套新理论的看法时,狄拉克毫不客气地说:“如果它们不是那么丑,我会觉得它们是对的。”狄拉克认为,在光子和电子的相互作用还没有搞清楚之前去发展粒子物理是很愚蠢的。因为对弱作用和强作用这方面新进展的忽视,他变得有点游离于学术圈之外,也不像以前那么多产了。在50年代末～60年代初,狄拉克试图找寻引力的量子理论,他在广义相对论和束缚态量子理论的哈密顿形式上做了许多重要的工作(这些贡献是重要的),但是狄拉克的多数同事认为他是在自己领域的死胡同里拼搏,虽然值得钦佩,却不值得倾听。1969年狄拉克辞去了剑桥的卢卡逊教授职位。两年后,他加盟美国佛罗里达州立大学物理系并在世界各处演讲,并不厌其烦地指出他眼中的量子电动力学的严重缺陷。在1980年那次“工程师与物理学家”的演讲中,狄拉克对他为什么坚定不移地质疑量子电动力学略微作了解释。他说他的观点是在被培养成工程师的过程中产生的;而重整化需要实践。对于这种实践,任何一个有自尊心的工程师都不会赞同,“那就是对一个有着实的、可度量的近似值的级数中无限大项的忽略”。在他看来,在这样一个方程中忽略无限大项是荒谬的。其他工程师也许会采用比较实用的方法,并依据有效与否和实验结果相符与否来决定是否接受一种理论。但是狄拉克无法接受这一点,因为他是个非同一般的工程师,具有卓越的纯数学家的敏感性。狄拉克的现代力学就像许多伟大的诗歌,狄拉克的论文是值得反复研读的。许多学者论文中的想法和见解在其刚发表时影响力并不太大,这种例子屡见不鲜。狄拉克在1939年发表的那篇关于数学和物理间关系的文章就是一个例子。而至今,普林斯顿高等研究院中的许多物理学家还在传阅这篇文章。纳坦·塞伯格(NathanSeiberg)就是其中一个,他最近说:“如果把这篇文章封面上的日期从1939年改成2009,这篇文章同样是令人印象深刻的。”特别是狄拉克推测了关于极早期宇宙的状态(甚至早在1939年,他就接受了后来被他学生霍伊尔称为大爆炸的理论)。狄拉克指出,如果宇宙仅仅遵循一组给定的带有平庸初值条件的运动方程,那么,我们就不可能解释宇宙本身以及地球上生命体的复杂性。但是量子力学可以通过极早期宇宙中的量子跃迁来解释复杂性。狄拉克似乎已经知道他击中了关键点,就像他自己总结的那样:“量子跃迁导致了自然现象中不可计算的部分,它取代了传统力学观点中的初值条件。”普林斯顿高等研究院的物理学家尼玛·阿卡尼-哈默德(NimaArkani-Hamed)说:“这是一个令人惊叹的见解。虽然狄拉克并不知道宇宙发展的细节,如现代的暴涨理论等,但是他所得到总的概念则是完全正确的。所以他有点像达尔文,虽然达尔文并不知道任何基因的知识,但是却发现了自然选择的进化规律。”哈默德还向包括弦论学家在内的现代物理学家强调