Paul Dirac

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Paul Adrien Maurice Dirac是一位英国理论物理学家,被认为是20世纪最伟大的物理学家之一。

Dirac对量子力学和量子电动力学的早期发展做出了基础性贡献。在众多发现中,他推导出了Dirac方程,该方程描述了费米子的行为,并预言了反物质的存在。Dirac与Erwin Schrödinger共享1933年诺贝尔物理学奖,以表彰他们"发现了原子理论的新的富有成效的形式"。他还在将广义相对论与量子力学相协调方面做出了重要贡献。

Dirac因其性格古怪而被朋友和同事所知。在1926年给Paul Ehrenfest的一封信中,Albert Einstein写道:"我对Dirac感到困惑。在天才和疯狂之间摇晃于眩晕的道路上是可怕的。"在另一封信中,他写道:"我完全不理解Dirac的康普顿效应。"

他是剑桥大学的Lucasian数学教授,是迈阿密大学理论研究中心的成员,并在他生活的最后十年里在佛罗里达州立大学度过。

个人生活

早年

Paul Adrien Maurice Dirac于1902年8月8日出生在他父母在英国Bristol的家中,在该市的Bishopston地区长大。他的父亲Charles Adrien Ladislas Dirac是来自瑞士Saint-Maurice的移民,在Bristol从事法语教师工作。他的母亲Florence Hannah Dirac,娘家姓Holten,是一位船长的女儿,出生在英国Cornwall,在Bristol中央图书馆担任图书管理员。Paul有一个妹妹Béatrice Isabelle Marguerite,昵称Betty,还有一个哥哥Reginald Charles Félix,昵称Felix,他在1925年3月自杀。Dirac后来回忆说:"我的父母非常沮丧。我不知道他们那么关心我……我从未知道父母应该关心他们的孩子,但从那时起我就知道了。"

Charles和孩子们在1919年10月22日正式成为瑞士国民后才获得英国国籍。Dirac的父亲严格而专制,但他不赞成体罚。Dirac与父亲的关系紧张,以至于在父亲去世后,Dirac写道:"我现在感到自由多了,我是我自己的人。"Charles强迫他的孩子只用法语与他交谈,以便他们能学会这门语言。当Dirac发现他无法用法语表达他想说的内容时,他选择了沉默。

教育

Dirac首先在Bishop Road小学接受教育,然后在全男生的Merchant Venturers' Technical College(后来的Cotham School)接受教育,他的父亲在该校任教。该学校是与University of Bristol附属的机构,共享校舍和教职员工。它强调砌砖、制鞋和金属加工等技术科目以及现代语言。这在当时是不寻常的,因为当时英国的中等教育仍然主要致力于经典科目,这是Dirac后来会表示感谢的事情。

Dirac在University of Bristol工程学院以City of Bristol University奖学金学习电气工程,该学院与Merchant Venturers' Technical College位于同一地点。在他于1921年完成学位前不久,他参加了St John's College, Cambridge的入学考试。他通过了考试并获得了70英镑的奖学金,但这不足以在Cambridge生活和学习所需的费用。尽管他以工程学第一级荣誉学士学位毕业,但战后经济衰退的经济气候使他无法找到工程师的工作。相反,他接受了一项免费学习University of Bristol数学文科学士学位的机会。由于他的工程学位,他被允许跳过该课程的第一年。

Paul Dirac肖像,由Clara Ewald绘制(1939年)

1923年,Dirac再次以第一级荣誉毕业,并获得了科学和工业研究部颁发的140英镑奖学金。加上来自St John's College的70英镑奖学金,这足以在Cambridge生活。在那里,Dirac在Ralph Fowler的监督下追求他对广义相对论理论的兴趣(这是他在Bristol学生时期获得的兴趣)以及新兴的量子物理领域。从1925年到1928年,他获得了皇家展览1851年委员会颁发的1851年研究奖学金。他于1926年6月完成了博士学位,提交的第一篇量子力学论文出现在任何地方。随后,他在Copenhagen和Göttingen继续进行研究。在1929年春天,他是University of Wisconsin–Madison的访问教授。

家庭

1937年,Dirac与Margit Wigner(Eugene Wigner的妹妹)结婚。他收养了Margit的两个孩子,Judith和Gabriel。Paul和Margit Dirac有两个女儿,Mary Elizabeth和Florence Monica。

Margit(昵称Manci)在1934年从她的祖国Hungary访问她的哥哥在Princeton, New Jersey,在Annex Restaurant的晚宴上遇到了"隔壁桌子上看起来很孤独的男人"。这个故事来自与Dirac相识并受其影响的韩国物理学家Y. S. Kim,他也说:"对于物理学界来说,Manci能好好照顾我们尊敬的Paul A. M. Dirac是幸运的。Dirac在1939年至1946年期间发表了十一篇论文……Dirac能够保持他的常规研究生产力,只是因为Manci负责处理其他一切"。

性格

Dirac以其精确和沉默寡言的性格而为他的同事所知。他在Cambridge的同事们开玩笑地定义了一个称为"dirac"的单位,等于每小时一个单词。当Niels Bohr抱怨他不知道如何结束他正在写的科学文章中的一个句子时,Dirac回答说:"我在学校时被教导不要开始一个句子而不知道它的结尾。"他批评物理学家J. Robert Oppenheimer对诗歌的兴趣:"科学的目标是使困难的事情变得更容易理解;诗歌的目标是用不可理解的方式陈述简单的事情。两者是不相容的。"

Dirac本人在他的博士后岁月日记中写道,他完全专注于他的研究,只在周日停止工作,那时他独自长距离散步。

一个关于2009年传记评论中讲述的轶事,讲述了Werner Heisenberg和Dirac在1929年8月乘坐海轮前往日本参加会议的故事。"两人都还不到三十岁,未婚,他们组成了一对奇怪的组合。Heisenberg是一个花花公子,经常调情和跳舞,而Dirac——正如传记作者Graham Farmelo所说的"一个爱德华时代的极客"——如果被迫进行任何社交或闲谈,会感到极度痛苦。'你为什么跳舞?'Dirac问他的同伴。'当有漂亮女孩时,这是一种快乐,'Heisenberg回答。Dirac思考了一下这个概念,然后脱口而出:'但是,Heisenberg,你事先怎么知道这些女孩很漂亮呢?'"

Paul Dirac与他的妻子在Copenhagen,1963年7月

Margit Dirac在1960年代告诉George Gamow和Anton Capri,她的丈夫对一位访客说:"允许我介绍Wigner的妹妹,她现在是我的妻子。"

另一个关于Dirac的故事是,当他在一次会议上第一次见到年轻的Richard Feynman时,沉默了很久后,他说:"我有一个方程。你也有一个吗?"

在他在一次会议上做完讲座后,一位同事举手说:"我不理解黑板右上角的方程"。沉默了很久后,主持人问Dirac是否想回答这个问题,Dirac回答说:"那不是一个问题,那是一个评论。"

Dirac还因其个人谦逊而出名。他称量子力学算子时间演化的方程(他是第一个写下它的人)为"Heisenberg运动方程"。大多数物理学家将半整数自旋粒子的统计称为Fermi-Dirac统计,将整数自旋粒子的统计称为Bose-Einstein统计。在后来的人生中讲课时,Dirac坚持将前者称为"Fermi统计"。他将后者称为"Einstein统计",他解释其原因是出于"对称性"的考虑。

宗教观点

Heisenberg回忆起1927年Solvay会议上年轻参与者之间关于Einstein和Planck对宗教看法的对话,参与者包括Wolfgang Pauli、Heisenberg和Dirac。Dirac的贡献是对宗教的政治目的的批评,Bohr在后来从Heisenberg那里听到时认为相当明了。Dirac说了以下内容:

我不能理解为什么我们闲散地讨论宗教。如果我们诚实——科学家必须诚实——我们必须承认宗教是一堆错误的主张,没有现实基础。上帝的想法本身是人类想象的产物。原始人比我们今天更多地暴露在自然的压倒性力量之下,他们用恐惧和颤抖将这些力量人格化,这是完全可以理解的。但如今,当我们理解了如此多的自然过程时,我们不需要这样的解决方案。我无法看出全能上帝的假设如何以任何方式帮助我们。我看到的是,这个假设导致了诸如上帝为何允许如此多的痛苦和不公正、穷人被富人剥削以及他本可能阻止的所有其他恐怖的生产力问题。如果宗教仍在被教授,绝不是因为它的观点仍然说服我们,而仅仅是因为我们中的一些人想保持下层阶级的安静。安静的人比吵闹和不满的人更容易管理。他们也更容易被剥削。宗教是一种鸦片,使一个国家能够陶醉在幻想梦想中,从而忘记了正在对人民进行的不公正。因此,这两股伟大的政治力量——国家和教会——之间的紧密联盟。两者都需要这种幻想,即仁慈的上帝奖赏——至少在天堂而不是在地球上——所有那些没有起来反抗不公正、默默地尽职尽责的人。正是因为这个原因,诚实地断言上帝仅仅是人类想象的产物被烙印为最严重的道德罪恶。

Heisenberg的看法很宽容。从小作为天主教徒长大的Pauli在做了一些初步评论后保持了沉默,但当最后被问及他的意见时,他说:"好吧,我们的朋友Dirac有一种宗教,其指导原则是'没有上帝,Paul Dirac是他的先知。'"每个人,包括Dirac,都爆发出笑声。

在他人生的后期,Dirac对上帝的想法的看法不那么刻薄。作为1963年5月版《Scientific American》上发表的一篇文章的作者,Dirac写道:

似乎自然的一个基本特征是基本物理定律用具有伟大美感和力量的数学理论来描述,需要相当高的数学标准才能理解它。你可能想知道:自然为什么沿着这些线路构造?人们只能回答,我们目前的知识似乎表明自然就是这样构造的。我们必须接受它。可以说,这种情况可以通过以下方式描述:上帝是一个非常高阶的数学家,他在构造宇宙时使用了非常高等的数学。我们在数学上的微弱尝试使我们能够理解一点宇宙,随着我们不断发展越来越高的数学,我们可以希望更好地理解宇宙。

1971年,在一次会议上,Dirac表达了他对上帝存在的看法。Dirac解释说,上帝的存在只有在过去发生了一个不可能的事件时才能得到证明:

可能开始生命非常困难。可能开始生命如此困难,以至于在所有行星中它只发生过一次……让我们考虑,仅作为推测,当我们获得合适的物理条件时开始生命的概率是10^-100。我没有任何逻辑理由来提议这个数字,我只想让你将其视为一种可能性。在这些条件下……生命开始的几率几乎肯定会很小。我觉得在这些条件下,将需要假设上帝的存在来开始生命。因此,我想在上帝的存在和物理定律之间建立这种联系:如果物理定律是这样的,以至于开始生命涉及一个极其微小的机会,以至于无法合理地假设生命仅仅通过盲目的机会开始,那么必须存在一个上帝,这样的上帝可能会在随后发生的量子跳跃中显示他的影响。另一方面,如果生命可以很容易地开始,不需要任何神圣的影响,那么我会说没有上帝。

Dirac没有致力于任何明确的观点,但他描述了以科学方式回答上帝问题的可能性。

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