注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

我的博客

糜克定与朋友们一道讨论科学人生

 
 
 

日志

 
 
关于我

糜克定: 退休物理教师,原江苏省电教研究会理事、中国物理学会会员、连云港市电化教育馆馆长,曾编导、监制《中学教师语言修养与训练》等52小时电视教材在中国教育电视台卫星播出。撰稿与编导10小时的电视教材《小学数学新课导入》选为联合国儿童基金会远程教育项目教材。退休后,又有编制《小学科学助教助学》、《体育与健康》、《伟大祖国》等近260G的结构性网络资源及网络“超媒体”教材等成果。 自办公益网站:《糜克定》的科学园》 http://mkd.lyge.cn/

网易考拉推荐

喜欢 “孤独”“的狄拉克  

2009-06-21 07:08:09|  分类: 原创 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |
 

 

保罗.埃德里安.莫里斯.狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)于1902年8月8日出生于英国布里斯托尔港。他是一个沉默寡言,喜好“孤独”,淡泊名利,在许多人眼里显得“古怪”的人。有一个流传很广的关于狄拉克的笑话是这样说的:有一次狄拉克在某大学演讲,讲完后一个观众起来说:“狄拉克教授,我不明白你那个公式是如何推导出来的。”狄拉克看着他久久地不说话,主持人不得不提醒他,他还没有回答问题。“回答什么问题?”狄拉克奇怪地说,“他刚刚说的是一个陈述句,并不是一个疑问句。”

喜欢 “孤独”“的狄拉克 - mkd143 - 我的博客

  当二十年代初,这个英国小伙子获得布里斯托尔电气工程学位后,正准备雄心勃勃地找份工作时,却发现自己失业了。当时正值全球经济危机猖狂蔓延的时候,别说是个他一个刚出道的学生,就是连很多腰缠万贯的老板,也通常在一夜间变得家徒四壁。

  他不得不向剑桥大学的圣约翰学院请求一个博士学位,原指望躲过这几年大萧条的风头的,可是他一旦转入物理学的研究,就发现自己难以自拔。

  狄拉克本来就是一个孤僻寡言的人,在大学里最喜欢的事情就是在沉思默想。他基本上没有别的爱好,这和量子力学的其他建立者大有不同。

  玻尔生来就是个运动健将,海森堡的钢琴更是出神入化,泡利虽为人滑稽,但是对歌德的作品极有研究,德布罗意本身就有文学硕士学位,薛定谔不仅善于作诗,而且在生物学上也造诣颇深。而狄拉克只能对着书本和公式发呆。他在学校里唯一参加过的协会名字叫做"ψ协会",是由物理爱好者组成的,但是他也没想到物理终究会成为一生的职业。

    1921年,狄拉克从布里斯托尔大学电机工程系毕业,布里斯托尔大学数学系又给了他一个免费进修数学的机会,2年后,狄拉克转到剑桥,开始了人生的新篇章。

1925年秋天,当海森堡在赫尔格兰岛作出了他的突破后,他获得波恩的批准来到剑桥讲学。当时海森堡对自己的发现心中还没有底,所以没有在公开场合提到自己这方面的工作。后来海森堡把他的论文寄给了狄拉克的导师福勒,福勒给了狄拉克一个复印本。这一开始没有引起狄拉克的重视,不过大概一个礼拜后,他重新审视海森堡的论文,这下他把握住了其中的精髓:别的都是细枝末节,只有一件事是重要的,那就是我们那奇怪的矩阵乘法规则:p×q ≠ q×p。( 数学上,矩阵就是由方程组的系数及常数所构成的方阵。)

如果说狄拉克比别人天才在什么地方,那就是他可以一眼就看出这才是海森堡体系的精髓。他轻易地透过海森堡的表格,把握住了这种代数的实质。不遵守交换率,这让他想起了什么?狄拉克的脑海里闪过一个名词,他以前在上某一门动力学课的时候,似乎听说过一种运算,同样不符合乘法交换率。但他还不是十分确定,他甚至连那种运算的定义都给忘了。那天是星期天,所有的图书馆都关门了,这让狄拉克急得像热锅上的蚂蚁。第二天一早,图书馆刚刚开门,他就冲了进去,果然,那正是他所要的东西:它的名字叫做“泊松括号”。

总之,狄拉克发现,我们不必花九牛二虎之力去搬弄一个晦涩的矩阵,以此来显示和经典体系的决裂。我们完全可以从经典的泊松括号出发,建立一种新的代数。这种代数同样不符合乘法交换率,狄拉克把它称作“q数”(q表示“奇异”或者“量子”)。我们的动量、位置、能量、时间等等概念,现在都要改造成这种q数。而原来那些老体系里的符合交换率的变量,狄拉克把它们称作“c数”(c代表“普通”)。

“看。”狄拉克说,“海森堡的最后方程当然是对的,但我们不用他那种大惊小怪,牵强附会的方式,也能够得出同样的结果。用我的方式,同样能得出xy-yx的差值,只不过把那个让人看了生厌的矩阵换成我们的经典泊松括号[x,y]罢了。然后把它用于经典力学的哈密顿函数,我们可以顺理成章地导出能量守恒条件和玻尔的频率条件。重要的是,这清楚地表明了,我们的新力学和经典力学是一脉相承的,是旧体系的一个扩展。c数和q数,可以以清楚的方式建立起联系来。”狄拉克把论文寄给海森堡,海森堡热情地赞扬了他的成就,不过带给狄拉克一个糟糕的消息:他的结果已经在德国由波恩和约尔当作出了,是通过矩阵的方式得到的。想来狄拉克一定为此感到很郁闷,因为显然他的法子更简洁明晰。随后狄拉克又出色地证明了新力学和氢分子实验数据的吻合,他又一次郁闷了——泡利比他快了一点点,五天而已。哥廷根的这帮家伙,海森堡,波恩,约尔当,泡利,他们是大军团联合作战,而狄拉克在剑桥则是孤军奋斗,因为在英国懂得量子力学的人简直屈指可数。但是,虽然狄拉克慢了那么一点,但每一次他的理论都显得更为简洁、优美、深刻。而且,上天很快会给他新的机会,让他的名字在历史上取得不逊于海森堡、波恩等人的地位。

  狄拉克深厚的数学功底,敏捷的才思都是学界公认的。一次在哥本哈根的物理学会议上,一个名叫西名的日本物理学家作报告。他不厌其烦地在黑板上列排了无数复杂的公式,连素以数学见长的玻尔都看花了眼。

  人们沉闷地听了半天,突然狄拉克站起来,指出最后导出的公式中括号里的第四项符号应为负号。西名大吃一惊,难道他事先推导过么,可是这个公式是自己第一次展示呀。狄拉克很肯定地说,一定错了,你刚才在某个地方弄错了符号,而且是一共用错了奇数次。

  事后一查当真如此。

  但是有时狄拉克自认为最重要的发现却闹成了笑话。有一次,狄拉克和一位教授太太闲谈,闲谈的过程中他一直盯着女士打毛衣的手。夫人抬起手来很惊讶的问,博士,您又有什么新发现么?他半天不言语,然后一拍大腿叫道,我找到了另外一种织毛衣倒着用针的方法。当夫人迷惑地看他用手比画了半天的之后,禁不住大笑起来,原来"顺织"和"反织"已经是在妇女中流传几百年的织法。

   狄拉克早期最重要的贡献是提出"狄拉克方程",它第一次把量子力学和狭义相对论统一了起来。不过这个方程导出一个很大的问题,就是在数学上预言出还存在一个和我们这个世界完全相反的"负"世界,在这个负的世界里,所有的物质都具有负的质量和负的能量。

  更奇怪的是在那个世界里如果我们想把物体朝前推,则必须向后使劲。来年各个两个物体如果撞到一起,不仅不会各自弹开,反而会以更快的速度一起向前奔去。

  而且这些性质怪异的反物质不仅仅是存在于宇宙某个不为人知的角落里,而是就充斥于这个世界的每一角落。按照狄拉克的说法,我们所在世界的所谓真空都是整整齐齐地布满了反物质的组成元素之一--正电子海,这就是所谓的狄拉克海。

  刚开始大家谁都没有把它当回事,这不过是狄拉克孤独大脑的想像而已。然而在1931年,美国物理学家安德尔森在研究宇宙射线中的高能离子束,为了测得电子的运动速度,他把电子引入一个强磁场中,结果电子一半顺时针旋转,一半逆时针旋转。这两类电子性质完全相反,如果碰在一起就会瞬时湮灭成光。

喜欢 “孤独”“的狄拉克 - mkd143 - 我的博客

  后来人们在能量极高的加速器中还观察到反质子,反中子,如此一来反物质的要素就找全了。但是我们至今也不能在宇宙中确认哪个地方存在反物质,如果有的话,它和我们这个空间接触的边缘一定会发生惊心动魄的大爆炸。试想正反物质一旦碰在一起就会是质量就会象一减一等于零一般灭于无形的,根据爱因斯坦的公式" "释放出的能量委实可怖。 (1998年的夏天,美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。由于我国参与了这项研究,因此新闻媒体曾热心地宣传过它。美国著名华裔科学家丁肇中是该项目实验的主设计师。)

  但是现在宇宙中还没有发现这种爆炸,可能我们的观测范围是不够的,要么就是上帝是个偏心眼,他没能创造出和真实世界等量的反物质来,不过这与千百年年来人们所习惯并依赖的对称美是格格不入的。

  另外,狄拉克方程的副产品是推演出电子的自旋。电子的自旋就象地球围绕太阳旋转的同时自身也在旋转,电子本身也在象一个陀螺一样飞转。 最早在1925年由乌伦贝克和高德斯密特提出的这一观点,他们当时都不过是二十出头的小伙子。当他们的导师外出度假时,两人在一起合计如何作点让老师惊喜的工作,找来找去最后落到了电子的自旋上。他们忙了几天终于将稿子写好,并寄给了一本物理学期刊。

  然而导师回来耐心地听完二人的报告后,冷冷地说,你们的想法未免太过天真,难道没有想过如果电子有那么大的自旋的话,那它的边缘上物质的运动速度就会超过光速了么?

  二人恍然大悟,准备追回稿件,但是杂志社回话已经出版了。两人只能尴尬地对笑一下。

  谁也没把这两人的工作当回事,可当胖子泡利懒懒地坐在躺椅上,随意浏览到这篇文章时,顿时高兴得从椅子上跳了下来,原来他这几天一直在为自己的"泡利不相容原理"苦恼,这篇文章帮了大忙。

  所谓"泡利不相容原理"是泡利研究电子运动时提出的一条神秘的定理:两个运动状态完全一样的电子是不能处于同一轨道。如果电子仿佛在一条条轨道上飞奔的汽车,按照泡利这位大肚子交警的规定,一条轨道上是不允许跑两辆小车的。可是偏偏有的电子不守交通规则,照样两辆车挤在一起。泡利急得抓耳挠腮也没有办法。

喜欢 “孤独”“的狄拉克 - mkd143 - 我的博客

  现在就好说了,因为电子有自旋,当然就有顺时针转的和逆时针转的,显然跑在同一轨道上的电子旋转方向是不一样的,这样一来这两个电子就算不上是状态完全相同,跑在一起也是不妨的。泡利的原理又得以自圆其说。

  泡利就得意洋洋地在研究所的一次会议上努力阐述他的理论,可是泡利平时就"积怨"过深,而且那些人稍加分析就可以找到电子自旋的弊病。所以无论泡利怎么舌战群儒,都丝毫不占上风。

  后来泡利干脆从风衣口袋里掏出一个儿童玩的陀螺,在讲台上转了起来,努起嘴说道,绝对没错,电子就是这个样子的。

  接着包括玻尔在内的一群聪明人都围在讲台上对着陀螺指指点点,有人用照相机记录下这个珍贵的镜头,至今照片还保存在玻尔研究所里。

  从照片上可以清楚地看到泡利腆着肚子兀自争个不停,海森堡双目斜睨,一副不屑的神情,玻尔则一如既往瞪圆了双眼陷入深思。

  历史证明泡利是对的,我们不能简单地把电子简单看成转动的实体,而自旋更是电子本身所固有的一种性质,就象它的电荷,质量一样。

  从那个时代到今天又是七八十年过去了,很多风行一时的理论早已烟消云散,又有很多原被认为亘古不变的真理亦未得善终,但是泡利的不相容原理却始终站稳了脚跟。无怪泡利一直把自己的不相容原理看成是生平的得意之作。

  到狄拉克这里自然就把自旋概念从方程里引进来了,至此电子自旋之争才算是告以段落。

  狄拉克后来获得剑桥大学的卢卡斯教授的席位,这是牛顿当年设立并终身担任的,仅此一点就可以想象狄拉克在英国物理学界泰山北斗般的地位。

  量子力学最后在他手里终于被极为美妙地形式化,成为一套逻辑清晰,结构缜密的一套体系。他的那本经典著作《量子力学原理》更是对后世产生极为深远的影响。他写的书最大的特点是简明深奥,要求读的人必须全神贯注。

   当后世的学生们能以最为迅捷明了的方式掌握量子力学时,实在是应该感谢这位“孤独” 的大宗师。

    狄拉克还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。

   1984年10月24日,狄拉克逝世。终年82岁

   狄拉克的“孤独”不是自我封闭、拒绝交流、拒绝合作,而是坚持独立思考、敢于挑战权威,这也是科学家的可贵品质之一。

  评论这张
 
阅读(2252)| 评论(1)
推荐 转载

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2018