文档介绍：量子力学先驱——狄拉克
狄拉克( P. Dirac )有点像个谜。他生逢物理上的黄金时代,那时相对论和量子力学这两个
革命性的理论, 正把人类对世界的观念完全扭转过来。随着他在八十二岁时的去世, 那些曾
在二十和三十年代令人兴奋的日子里重建物理的最后几位关键人物之一已经走了。他可说是
本世纪最好的英国理论物理学家,然而在物理界以外,他却几乎默默无闻。
检讨狄拉克对物理的贡献, 就像是在数遍最近的基础研究里最令人振奋和最有前途的所有领
域。狄拉克在二十三岁时〔案: 1925~ 1926 年〕就成为能正确地掌握怪异而令人不安的量
子力学的最先几人之一,那时量子力学才刚由薛丁格( E. Schr?dinger )和海森堡( W.
Heisenberg)铺陈出来。狄拉克用较抽象的数学语言重新表达了量子力学〔案: 1926 年〕,
为后来的许多发展打下基础, 例如量子场论。 〔案: 薛丁 格的铺陈法利用偏微分方程式, 称
为波动力学; 海森堡的铺陈法利用矩阵, 称为矩阵力学; 狄拉克则证明这两种铺陈法其实相
通。他引进了所谓色矢( bra)及括矢( ket)的记号法,用以描述量子力学的状态,使思考
得以精简。〕
量子力学代表了人类在四分之一世纪内第二次的尝试, 去彻底改造牛顿以来的对空间、时间
和物质的旧观念。 第一次的尝试即狭义相对论, 主要是由爱因斯坦发展出来的, 它考虑了当
物体以近光速运动时, 空间和时间会发生什么样的改变。量子物理则不针对极快、而是针对
极小,亦即原子的微小世界。这个隐晦的领域充满了吊诡的幢影;日常看起来很具体的事
物,到此却化为脉动的能量状态和不可预测的混乱。
狄拉克最大的贡献是将这两大观念上的进步结合起来, 建立了一条与相对论和量子力学的原
理都相符的方程式。 在描述近光速运动的次原子粒子的行为时 (如在放射性发射时或在加速
器中),必须用 「狄拉克方程式」 。但是这个方程式所透露的还不止此, 它的结构要求引进一
种新的数学量, 称为旋量 (spinor )。狄拉克发现方程式里的旋量自动把原本很神秘的粒子自
旋观念涵摄了进来(因此得名) 。实验已经显示电子拥有一种奇怪的内在「自旋」性质,使
得原子光谱出现精神结构; 狄拉克的理论阐明这是一种相对论效应。如今旋量已用为所有流
行的物理理论的基石, 包括超重力或所谓的大统一理论〔案: 狄拉克在量子力学上的经典著
作是 1930 年出版的 The Principles of Quantum Mechanics 〕。
狄拉克方程式的另一个耸人听闻的副产品是预言了反物质,它是数学物理的伟大胜利之一。
狄拉克注意到他方程式的解的个数比物理上预期的多一倍, 这些额外的解是冬余的吗?还是
它们正想要描述一些在当时尚不为人知的东西?在一阵猜疑之后, 狄拉克将额外的解认定是
粒子的某种镜像,现在称为反粒子。其后不久〔案: 1932 年〕,美国物理学家安德生( C.
Anderson )在宇宙线中首次发现了反粒子(反电子或正子) ,狄拉克和安德生就由于这个辉
煌的成就都得到了诺贝尔奖〔案:狄拉克于 1933 年与薛丁格一同得奖;安德生于 1936 年
得奖〕。如今在粒子物理实验室里天天都在产生各式各样的反粒子。最强