保罗·狄拉克|如何成为理论学家中的理论学家？
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【保罗·狄拉克|如何成为理论学家中的理论学家？】你将有机会体验另一种不同的人生 。
游戏开始 ，
先让我们先回到118年前 。
（游戏规则：点击你想要的选项）
现在是公元1902年8月8日 。
这一年 ， 距离普朗克发表黑体辐射公式已经过去两年 ， “量子”一词即将成为接下来一个多世纪中一颗冉冉升起的新星 。
与此同时 ， 在瑞士伯尔尼 ， 一位名叫爱因斯坦的23岁年轻人拿到瑞士国籍不久 ， 他刚刚在友人的协助下成为瑞士专利局的助理鉴定员 ， 负责电磁专利申请的技术鉴定工作 。
不过 ， 我们先不管这么多 ， 让我们把目光放在英国西南部的布里斯托 。 在布里斯托生活的瑞士人查尔斯·狄拉克在当地担任法语老师 ， 他的太太佛洛伦斯·狄拉克即将临盆——你即将出世 。
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查尔斯和弗洛伦斯正在为儿子的名字发愁 。 叫什么好呢？
A. 小明
“Xiaoming……”狄拉克夫妇看着这个单词许久 ， 不知道该怎么发音 。 于是放弃了这个想法 。
B. 保罗
这个名字不错 ， 就叫保罗·狄拉克吧 。
Hi ， 保罗·狄拉克 。 好吧 ， 你的全名其实是保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克 。
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狄拉克夫妇和他们的三个孩子（1907年） 。 | 图片来源：dirac.ch
你一直生活在布里斯托 。 查尔斯是一位严格的父亲 ， 他一直希望家里的孩子学会法语 ， 因此要求你们在家一定要说法语 ， 不过你对法语似乎没什么天赋 。 你和父亲的关系一直不太好 ， 在家也不爱说话 。
在你三岁的时候 ， 也就是1905年 ， 这是物理学历史上非同寻常的一年 。 26岁的爱因斯坦在这一年发表了5篇重要论文 ， 提出包括光量子假说、狭义相对论、质能方程等理论 。 这一年也被称为爱因斯坦的“奇迹之年” 。
1913年 ， 玻尔引入量子化的概念来研究原子内电子的运动 ， 并提出了玻尔原子结构模型 。 量子力学已经是一个蓄势待发的全新领域 。 但别着急 ， 这时你才11岁 ， 还是先继续上学吧 。
你在商人合作技术学院完成了中学学业 。 这是你父亲任教的学校 ， 属于布里斯托大学的附属学院 ， 它比一般的英国中学更重视技术方面的课程 ， 你在学校里有机会接触到金工、瓦工、制鞋等课程 ， 你似乎也感到得心应手 。 转眼间 ， 你要面临上大学的选择 。
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去哪所大学呢？
A. 我不想上大学
你把这个想法跟父亲说了 ， 父亲瞪了你一眼 。 你害怕极了 ， 决定再想想 。
B. 布里斯托大学
电气工程系好像很不错 ， 还可以申请奖学金补贴家用 。
在大学里 ， 你一路开启学霸模式 ， 你对数学尤其感兴趣 。 1923年 ， 在以一等荣誉拿到布里斯托大学电气工程和数学两个学士学位后 ， 顺利进入剑桥大学圣约翰学院 ， 并完全靠奖学金支付了学费和生活费 。
在你求学的过程中 ， 物理学界也正发生着革命性的转变 。 过去的十几年间 ， 人们已经意识到牛顿的“旧”力学（也就是经典力学）在微观世界并不适用 。 在你进入剑桥大学的同一年 ， 德布罗意提出了物质波假说 ， 成为波粒二象性的一个例子 。 德布罗意认为 ， 电子除了具有粒子的性质 ， 也可以有波动性质 。 这就像是量子力学美妙的“前奏”之一 。
这一时期 ， 针对最小尺度的物理学研究正在酝酿一场风暴 ， 人们的思想即将发生彻底的转变 。
拥有工程学和数学背景的你 ， 在布里斯托求学时就对爱因斯坦刚提出的广义相对论产生了兴趣 。 物理学成了一个对你极具吸引力的领域 。
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要进入充满新机遇的物理领域吗？选择哪位导师好呢？
A. 要不试试生物？
1923年 ， 白喉疫苗刚刚问世 ， 这似乎也是个前景不错的领域 。 但……再想想吧 。
B. 拉尔夫·福勒教授好像不错
福勒教授为物理化学引入了新的研究方法 ， 在恒星研究的许多方面进行了开创性的工作 。
你就在这一时期进入了物理学领域 ， 更确切地说 ， 是当时被称为“原子物理学”的领域 。 当然 ， 你此时还不知道 ， 未来 ， 你也将成为风暴的中心 。
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在这个时候 ， 原子物理学的情况类似于16世纪末的天文学 ， 在面对更精确的观测结果时 ， 以地球为中心的“旧式”天文学必须变得更加精细 。 16世纪天文学的困境和20世纪的原子物理学的困境也是以同样的方式被解决的 ， 那就是思想的彻底转变 。
在原子物理学中 ， 1925年 ， 随着海森堡在矩阵力学上的突破 ， 这一切突然发生了 。 量子力学似乎完全“抛弃”了经典力学 。 量子规则是自动产生的 ， 但它来自一种特殊的数学框架 。 海森堡提出的理论牵涉到矩阵相乘的不可交换性 。 也就是说 ， 它涉及乘法运算 ， 但运算的结果取决于乘法运算的顺序 。 这就好比 ， 2乘以3不再等于3乘以2 。
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对此 ， 你有什么想法？
A. 好像不太对劲
嗯……再仔细想想 。
B. 不可交换性是有什么意义？
灵光一现！开始码论文 。
就在海森堡的研究发表几个月后 ， 你发表了重要论文《量子力学的基本方程》 。
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其中的主要思想是 ， 相乘的对象代表了我们可以在实验中测量的变量 。 一次实验就是一次运算 ， 即使最后的结果是一个数 。 如果用这样的方式理解 ， 顺序的重要性就不足为奇了 。 我们都知道 ， 先穿袜子 ， 然后穿鞋子 ， 这个结果与先穿鞋子 ， 然后穿袜子自然不同 。 这个简单的规则就是 ， a乘以b不同于b乘以a ， 而整个量子力学世界都遵循着这个规则 。
与此同时 ， 薛定谔以物质波的波方程提出了自己的量子力学方法 。 1926年 ， 在其中一篇论文中 ， 薛定谔阐述了矩阵力学和波动力学在数学上的等价关系 。
也是在这一年 ， 你顺利从剑桥大学博士毕业 。 在导师福勒的建议下 ， 你前往哥本哈根和哥廷根 ， 继续在量子力学领域大展拳脚 。 你在那里认识了许多同行科学家 ， 也通过自己的努力在这一新兴的领域初露头角 。
1927年 ， 你成功当选剑桥大学圣约翰学院院士 。
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这时 ， 你接到一个重要的邀请 ， 似乎是一个很重要的会议 。 要去吗？
A. 让我看看都有谁
爱因斯坦、普朗克、海森堡、薛定谔、玻尔、居里夫人、泡利……
B. 会议的主题是“电子和光子”？
但从邀请名单里可以看出 ， 讨论的主题其实就是新兴的量子力学 。
1927年10月 ， 第五届索尔维会议召开 ， 这次会议几乎将当时世界上最顶尖的物理学家聚在了一起 ， 讨论的正是当时最前沿的量子力学 。 爱因斯坦和玻尔在会议上进行了著名的辩论 。 这张“全明星”会议合影成了科学史上的经典 。
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第五届索尔维会议合影 。 找得到你在哪里吗？
在这一年 ， 量子力学界还出现了另一个重要突破 。 海森堡提出了不确定性原理 。 不确定性原理表明 ， 我们无法同时精确地确定一个粒子的位置和动量 。
那么 ， 质量又小、移动速度又快的粒子的物理学是什么样的呢？这是一个非常实际的问题——原子中的电子极小 ， 它们移动的速度足够快 ， 以至于新的量子力学略微有些不准确 。 从一开始 ， 人们就试图构建一个与相对论相协调的量子理论 ， 但一直未能克服技术上的障碍 ， 特别是概率出现负数的情况 。
最终 ， 问题被归结为：描述电子的正确的量子波是什么？在满足相对论的要求并给出合理的物理预测的同时 ， 控制这些波的动力学的波方程是什么？
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要解决这个问题吗？
A. 要 。
苦思冥想……
B. 一定要 。
继续想……
1928年2月和3月 ， 你在《英国皇家学会学报》上发表了两篇论文 ， 描述了电子的相对论性方程 ， 建立起了量子力学中最著名的方程之一 。
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但是 ， 狄拉克方程也存在这一些“问题” ， 比如无法解释的负能量解 。
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为什么会这样？
A. 是我错了吗？
不要轻易怀疑自己 。
B. 是不是存在……
也许存在一种电子的反粒子 ， 它们来自狄拉克之海 。
狄拉克方程首次预言了反粒子的存在 。 电子的反粒子就是正电子 ， 两者质量相同 ， 但电荷相反 。
1930年 ， 你出版了专著《量子力学原理》 ， 这本书至今都是量子力学领域的经典教材 。 这一年 ， 你正式当选英国皇家学会院士 。 别忘了 ， 这时你才28岁 。
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你科研的脚步没有停下 。 1931年 ， 你还提出了磁单极的猜想 。 随后 ， 你被正式聘任为剑桥大学卢卡斯数学教授 。 1932年 ， 安德森发现了正电子 ， 证实了你对反粒子的预言 。 你的不懈努力和才华也很快获得了最大的回报 。
1933年 ， 作为量子力学的奠基人之一 ， 你与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖 ， 你是最年轻的获得诺奖理论物理学家之一 。
1934年 ， 海森堡将你的狄拉克方程重新演绎为一个量子场方程 ， 精确地描述基本的物质粒子 。 狄拉克场也是理论物理学和标准模型中的核心元素之一 。
在量子力学中 ， 思维碰撞的火花从未停止 。 无论是EPR思想实验 ， 还是“薛定谔的猫” ， 无数学者在这一领域中共同推动着科学的前行 ， 而你也是其中一员 ， 身处“风暴”中心 。 量子力学成为20世纪最具颠覆性、最前沿的物理领域 。
不过 ， 让我们先说说别的 。 因为 ， 就在你获得诺贝尔奖不久 ， 你遇见了一位女士 ， 她是物理学家尤金·维格纳的妹妹 ， 名叫玛吉特 。
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你要娶她吗？
A. 当然
毫不迟疑 。
B. 当然
必须的 。
1937年 ， 你和玛吉特结婚 。 你们共同抚养了玛吉特的两个孩子 ， 后来 ， 你们也有了两个女儿 。
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玛吉特和孩子们（1945年） 。 | 图片来源：dirac.ch
然而不久之后 ， 第二次世界大战开始 。 在战争的背景下 ， 你开始了理论和实验的探索 ， 研究利用气体离心机进行铀浓缩的方法 。
战后 ， 你在剑桥大学继续任教 ， 并始终保持着对科研的热情 ， 并在20世纪60年代中期先后出版了《量子力学讲义》、《量子场论讲义》等学术著作 。 直到20世纪70年代 ， 你从剑桥大学辞职 ， 移居美国 。 在佛罗里达州度过了人生最后的十几年 。
多年以来 ， 你始终保持着朴素简单的生活 ， 在剑桥大学也是出了名的措辞精准而沉默寡言 。
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你知道什么是“1 狄”（dirac）吗？
A. 一种时间单位？
回答错误~
B. 那是……
它来自你的同事的玩笑 ， 代表“一个小时说一个词” 。
你坚信物理中的数学之美 ， 相信“自然的法则应该用优美的方程描述” 。 玻尔曾说 ， “在所有物理学家中 ， 狄拉克拥有最纯洁的灵魂” 。 数学家马克·卡克曾把天才分为两类 ， 一类是“普通的天才” ， 他们的成功可以被效仿 ， 他们付出了巨大的努力 ， 同时拥有一点运气 。 另一类则是“魔术师” ， 其他人难以望其项背 。 你就是这样的“魔术师” 。 你就是理论学家中的理论学家 。
时间来到1984年10月20日 。 虽然你的故事看似要结束了 ， 但也远没有结束 。 现在 ， 在佛罗里达州立大学 ， 还设有保罗·狄拉克科学图书馆 ， 你的论文著作均收录馆藏 。 佛罗里达州国家高磁场实验室的所在地被命名为保罗·狄拉克大道 。 在天空中 ， 小行星5997的名字也是“狄拉克” 。
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哪些机构以你的名字设立了奖项？
A. 英国物理学会
英国物理学会每年会颁发保罗·狄拉克奖章 ， 以表彰在理论物理上贡献突出的科学家 。
B. 国际理论物理中心（ICTP）
每年狄拉克生日 ， ICTP会颁发ICTP狄拉克奖章 。
游戏即将结束 ，
也从未结束 。
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参考来源：
https://physicsworld.com/a/paul-dirac-the-purest-soul-in-physics/
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1933/dirac/biographical/
https://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=5997+Dirac
插图设计：爱喝奶绿的雯雯子
封面设计：减肥成功的岳岳子
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