量子力學的奠基者之一 英國理論物理學家狄拉克簡介
保羅·狄拉克,OM,FRS(Paul Adrien Maurice Dirac,1902年8月8日-1984年10月20日),英國理論物理學家,量子力學的奠基者之一,並對量子電動力學早期的發展作出重要貢獻。曾經主持劍橋大學的盧卡斯數學教授席位,並在佛羅里達州立大學度過他人生的最後十四個年頭。
他給出的狄拉克方程可以描述費米子的物理行為,並且預測了反物質的存在。
1933年,因為「發現了在原子理論裡很有用的新形式」(即量子力學的基本方程——薛定諤方程和狄拉克方程),狄拉克和埃爾溫·薛定諤共同獲得了諾貝爾物理學獎。
家庭背景
保羅·狄拉克(P.A.M.Dirac)的父親查爾斯·狄拉克於1866年出生在瑞士瓦萊州(一個講法語的州)的蒙泰,直到1919年才成為英國公民。20歲時,查爾斯背叛家庭,遠走他鄉至日內瓦大學學習。之後,大約在1890年來到英格蘭,定居在布里斯托爾,以教法語為生。1896年,他在布里斯托爾商業職業技術學校謀得一席教職,並在布里斯托爾邂逅了弗洛倫斯·霍爾滕(她是個船長的女兒,比查爾斯小12歲),1899年和她完婚。結婚一年後,他們的第一個孩子雷金納德·狄拉克出生,又過了兩年,1902年8月8日,保羅·狄拉克降生,他們家那時住在蒙克(Monk)大街。又過了四年,狄拉克家庭的第三個孩子比阿特麗斯·瑪格麗特·狄拉克也誕生了。和哥哥妹妹一樣,保羅一出生就加入了瑞士國籍,直到1919年17歲時才取得英國國籍。
人物生平
早年求學
保羅·狄拉克,1902年8月8日出生在英格蘭西南部的布里斯托,成長在畢曉普斯頓區的城市。他的父親,查爾斯·埃卓恩·拉迪斯拉斯·狄拉克,是一個曾在布里斯托教書的法文老師,從瑞士瓦萊州的聖莫裡斯移民到英國。他的母親,佛羅倫斯·漢娜·狄拉克原姓霍爾滕是一位船長的女兒,曾在布里斯托中央圖書館擔任圖書管理員。保羅有一個妹妹,叫阿特麗斯·伊莎貝爾·瑪格麗特,大家稱她為貝蒂,還有一個哥哥,雷金納德·查爾斯·費利克斯,大家叫他費利克斯。費利克斯在1925年3月自殺。狄拉克後來回憶說:「我的父母非常痛心。我不知道他們這麼在乎...我從來不知道父母應該照顧自己的孩子,但自從這件事後,我瞭解這件事。」
查爾斯和他的孩子們註冊的是瑞士國籍,直到1919年10月22日才歸化為英國籍。狄拉克的父親雖然他不贊成體罰,但卻是一個嚴格和專制的人。狄拉克與他的父親的關係很緊張,以至於在他父親死後,他寫道:「我覺得我更自由了,我要做我自己。」查爾斯為了使他的孩子學習法語,強迫他們只能說法語。但狄拉克發現,他無法用法語表達他想說的話,所以他選擇保持沉默。
狄拉克第一次受教育是在主教路小學,然後在男子商人合營技術學院(後來的考瑟姆學校)就讀。他的父親在那裡是一位法語老師。這所學校是布里斯托大學內的附屬機構,他們共享場地和人員。這所大學強調技術課程,如瓦工、制鞋、金屬工作和現代語言。在當時仍然主要致力於經典文學的英國中等教育裡,這是一個不尋常的安排。後來狄拉克曾對這些安排表示感激。
之後狄拉克在布里斯托大學工程學院學習電機工程。儘管最喜歡的科目是數學,狄拉克後來聲稱工程教育對他影響深遠:
「原先,我只對完全正確的方程感興趣。然而我所接受的工程訓練教導我要容許近似,有時候我能夠從這些理論中發現驚人的美,即使它是以近似為基礎...如果沒有這些來自工程學的訓練,我或許無法在後來的研究作出任何成果...我持續在之後的工作運用這些不完全嚴謹的工程數學,我相信你們可以從我後來的文章中看出來...那些要求所有計算推導上完全精確的數學家很難在物理上走得很遠。」
就在1921年獲得學位的前不久,他參加了劍橋大學聖約翰學院的入學測驗。他通過入學考試並獲得一筆70英鎊的獎學金,然而這不足以支付在劍橋就讀及生活所需的龐大金額。儘管以第一級榮譽工程學士的成績畢業,在當時英國戰後經濟衰退的環境下仍無法找到工程師的工作。因此,他選擇接受免學費攻讀布里斯托大學數學學士學位的機會。由於已完成的工程學位,他被允許抵免第一年的課程。
1923年狄拉克再度以第一級榮譽的成績畢業並獲得140英鎊的獎學金。加上來自約翰學院的70英鎊,這筆錢足夠他在劍橋居住與求學。
劍橋歲月
原先,狄拉克希望研究一直以來感興趣的相對論,然而在拉爾夫·福勒的指導下,狄拉克開始接觸原子理論。福勒將原子理論中最新的概念如尼爾斯·玻爾等人的理論介紹給了狄拉克,對此狄拉克曾回憶到:
「還記得我頭一回看到玻爾的理論,我相當驚訝...讓人驚奇的是在特定的條件下,我們居然能將牛頓定律用在原子裡的電子。第一個條件是忽略電子輻射,第二則是放入量子條件。我仍記得很清楚,玻爾的理論當時給了我多大的震撼。我相信在發展量子力學上,玻爾引入的這個概念是最大的突破。」
之後狄拉克也嘗試著將玻爾的理論作延伸。1925年維爾納·海森堡提出了著眼於可觀察的物理量的理論,當中牽涉到矩陣相乘的不可交換性。狄拉克起初對此並不特別欣賞,然而約莫兩個星期之後,他意識到當中的不可交換性帶有重要的意義,並且發現了經典力學中泊松括號與海森堡提出的矩陣力學規則的相似之處。基於這項發現,他得出更明確的量子化規則(即正則量子化)。這份名為《量子力學》的論文發表於1926年,狄拉克也憑借這項工作獲得博士學位。
同時埃爾溫·薛定諤以物質波的波方程提出了自己的量子理論。狄拉克很快地發現到海森堡與薛定諤兩人的理論是彼此互補的,並開始研究起薛定諤的波動力學。
1926年9月,在福勒的建議之下,狄拉克前往位於哥本哈根的尼爾斯·玻爾研究所作了一段時間的研究。在哥本哈根的這段期間,狄拉克持續量子力學的研究,發展出了涵蓋波動力學與矩陣力學的廣義理論。這個方法與經典哈密頓力學理正則變換相類似,允許使用不同組的變量基底。此外,為了處理連續的變量,狄拉克引入了新的數學工具—狄拉克δ函數。
狄拉克也開始研究輻射理論。在他的文章「吸收和放出輻射的量子理論」中,他運用二次量子化的技巧將波函數量子化,進一步將光子輻射與玻色-愛因斯坦統計連結起來。在這個方法中,粒子集合的量子態是以其粒子在各能態中的分佈來表示,並以粒子的創造與消滅來對量子態作改變。狄拉克展示了兩種方法是等價的,將電磁場以光子處理或將場作量子化。事實上,這個工作引發了新的物理課題—量子場論,而二次量子化則成為後來量子電動力學的基礎。
1927年2月狄拉克來到哥廷根,在此他待了幾個月並結識了赫爾曼·外爾、馬克斯·玻恩、羅伯特·奧本海默等人。
二戰期間
二次大戰開戰之後,由於缺乏足夠的教職人員,狄拉克在教學上的負擔加重。另外,他還必須指導許多研究生。在之前,狄拉克一向試圖避免這類的責任,而更傾向獨自一人作研究。 其中的例外是在1930
到1931年接手指導了福勒的學生錢德拉塞卡,以及1935到1936年因為馬克斯·玻恩離開劍橋去了愛丁堡而收了兩個原先玻恩指導的學生。一生之中,狄拉克所指導的學生不到十二人(大部分在1940、50年代)。
戰爭期間,狄拉克投入研發同位素分離法以取得鈾235。這在原子能的應用上是極關鍵的技術。他與彼得·卡皮查嘗試開發用離心機將氣體混合物分離的方法,但其實驗後來因卡皮查受困俄國而停擺。
1941年,狄拉克與牛津大學法蘭西斯·西蒙的團隊展開合作,提供了許多對於統計方法的實用意見。這些方法在今日人們依然在使用。
此外,他還是伯明翰團隊在計算臨界質量上的非正式顧問。
與世長辭
1984年,狄拉克在佛羅里達州塔拉哈西過世,並埋葬於當地的羅斯蘭公墓。狄拉克童年在布里斯托所居住的房子掛上了藍色牌匾,房子所在的道路也被命名為狄拉克路以彰顯他與這個地區的聯結。當地主教路小學的牆上掛上了一塊牌子,秀出了狄拉克最著名的狄拉克方程。
1991年8月1日,狄拉克父親家鄉的聖莫裡斯花園立起了紀念石。1995年11月13日,一塊以伯靈頓綠色板岩作為原料並刻上了狄拉克方程的紀念石板在西敏寺首次亮相。牧師團長愛德華·卡彭特曾因狄拉克是無神論者而反對此事,其意見被置之不理。
1975年,狄拉克在新南威爾士大學給了一系列五個演講。這系列演講後來集結出版成了《物理學的方向》(1978年)一書。他將這本書的版稅捐給新南威爾士大學設立了狄拉克系列講座。狄拉克銀質獎章便是在這個場合下由校方所頒發的獎項。
在狄拉克去世之後,立即有兩個研究機構設了年度獎項來紀念狄拉克:英國物理學會頒發狄拉克獎章和獎金以表揚「在理論(包含數學和計算方法)物理上的傑出貢獻」。最初的三個獲獎人分別為史蒂芬·霍金(1987年)、約翰·斯圖爾特·貝爾(1988年)和羅傑·彭羅斯(1989年);國際理論物理中心(International Centre for Theoretical Physics,簡稱:ICTP)在每年8月8日(狄拉克的生日)頒發ICTP狄拉克獎章。另外,英國物理學會在布里斯托的出版總部取名作狄拉克樓。
佛羅里達州立大學的狄拉克-赫爾曼獎是由布魯斯·赫爾曼博士(狄拉克最後一個博士學生)於1997年所設立以獎勵該校理論物理研究人員的傑出表現。
位於佛羅里達州立大學的保羅·狄拉克科學圖書館,1989年由曼琪所成立。狄拉克生前的論文都收藏於此,館外則設有其銅像。佛羅里達州塔拉哈西國家強磁實驗室所在的那條路被命名為「Paul Dirac Drive」。而在他的家鄉布里斯托,迪高特鎮上的一條路被命名為「Dirac Way」。英國廣播公司將其開發的一種影像壓縮格式以狄拉克命名。