保罗·狄拉克（1933年诺贝尔物理学奖得主）
保罗·狄拉克（1933年诺贝尔物理学奖得主）
| 中文名 | 保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac） |
|---|---|
| 出生 | 1902年8月8日 英国布里斯托尔 |
| 逝世 | 1984年10月20日（82岁） 美国佛罗里达州塔拉哈西 |
| 国籍 | 英国 |
| 身份 | 物理学家 |
| 获奖年份 | 1933年 |
| 奖项类别 | 诺贝尔物理学奖 |
| 获奖理由 | 因发现原子理论富有成效的新形式 |
生平
保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克1902年8月8日出生于英格兰布里斯托尔。父亲查尔斯·狄拉克是瑞士人，在布里斯托尔教授法语。家庭氛围严苛，父亲强迫孩子在家只讲法语，这导致狄拉克在少年时养成了沉默寡言、极度内向的性格。狄拉克先后就读于布里斯托尔大学（电机工程学士，1921年）和剑桥大学圣约翰学院（1926年博士，导师拉尔夫·福勒）。1925年，狄拉克在剑桥阅读了海森堡关于矩阵力学的论文，这决定了他的人生方向。1927年他成为剑桥大学圣约翰学院研究员，1932年接替拉尔夫·福勒成为剑桥大学卢卡斯数学教授——这是牛顿当年担任过的教席。1969年退休后迁居美国佛罗里达州立大学。1984年10月20日在塔拉哈西去世。
学术生涯
狄拉克的学术生涯始于对量子力学的数学基础研究。1925年，他从海森堡的矩阵力学出发，独立发展出量子力学的更一般形式。他引入"量子泊松括号"的概念，建立了量子变量代数运算的严格框架，并将经典力学中的正则对易关系推广到量子力学中，形成了狄拉克正则量子化方法。
1927年，狄拉克发表了量子力学的另一项基础性工作——将经典电磁场视为由无穷多谐振子组成的系统，并对其进行量子化处理。这一工作——量子电动力学——为后来整个量子场论的发展奠定了基础。
1928年，狄拉克提出了一个将量子力学与狭义相对论结合起来的电子方程——狄拉克方程。在此之前，薛定谔方程是非相对论性的，不适用于高速运动电子的描述。狄拉克方程不仅成功地解释了电子自旋（这是泡利矩阵的自然结果，而非人为加入），还精确预言了氢原子光谱的精细结构。更惊人的是，方程存在正、负两种能量解，狄拉克由此于1931年预言了正电子的存在——电子的反粒子，其电荷为正值。1932年，卡尔·安德森在宇宙射线云室照片中发现了正电子，完美验证了狄拉克的预言。
狄拉克在1936年前后还提出了狄拉克δ函数——一个"无穷窄、无穷高"的数学工具，用于处理点粒子等理想化情形。尽管数学家起初对δ函数的严格性存疑，但在物理学家中却迅速被采用。后来施瓦茨的分布论为δ函数提供了严格的数学基础。
获奖成就
1933年，狄拉克与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖，狄拉克是时年仅31岁，是当时最年轻的诺贝尔物理学奖得主之一（仅次于劳伦斯·布拉格25岁得奖）。获奖理由是"因发现原子理论富有成效的新形式"。狄拉克的获奖很大程度上归功于他建立的相对论性量子力学——狄拉克方程及其正电子预言。
历史贡献
狄拉克在物理学中的贡献影响深远。
第一，狄拉克方程与反物质预言。这是历史上第一次纯理论预言了一个全新的物质形态——反物质。正电子于1932年实验发现后，反质子和反中子也相继被发现，反物质成为现代物理学的基本概念。狄拉克方程将量子力学、狭义相对论和电子自旋统一在一个优雅的数学结构中，被认为是物理学中最美的方程之一。
第二，量子电动力学的创立。狄拉克1927年将电磁场量子化的论文开创了量子场论领域，使人们能够从第一性原理计算光与电子的相互作用过程。
第三，量子力学的一般形式。狄拉克的《量子力学原理》（1930年出版）是量子力学的经典教科书，为整个学科提供了严谨、简洁的数学框架。书中使用狄拉克符号（bra-ket notation）至今是物理学家的标准语言。
第四，磁单极子理论。狄拉克在1931年指出，如果存在带单磁荷的粒子（磁单极子），则电荷量子化自然得到解释。这一预言至今仍是理论物理学的重要课题之一。
轶事典故
狄拉克以极度沉默寡言而闻名。在剑桥，他说话少到同事们都习惯了长时间的沉默。有一次，一位同事在初识狄拉克后向人抱怨："他说的话比一台汽车的噪音还少。"另一位同事在剑桥路上遇到狄拉克，两人并肩走了半小时，狄拉克一言不发。分手时，狄拉克终于开口："今天天气真热，"然后又沉默了。
狄拉克以数学的"美"作为评判理论的标准。他有一句名言："物理定律必须具有数学美。"他认为薛定谔方程虽然比他的方程先发表，但真正"美"的是将相对论纳入量子力学的方程——这正是他的狄拉克方程。
1932年，狄拉克在莫斯科与物理学家彼得·卡皮查一起时，卡皮查在一张纸上写下一句俄语谚语让狄拉克念。狄拉克念完后，卡皮查告诉他，这句话的意思是"真理高于爱因斯坦"。据在场者回忆，狄拉克面无表情地纠正道："我认为爱因斯坦从不高于真理。"
狄拉克的妻子玛吉特·维格纳是尤金·维格纳（1963年诺贝尔物理学奖得主）的妹妹。狄拉克与玛吉特的相遇颇为戏剧性：她向狄拉克介绍自己是维格纳的妹妹，而狄拉克以为她叫作"维格纳·尤金"——他太习惯把姓氏放在首位了。
参考文献
1. Dirac, P. A. M. (1928). The quantum theory of the electron. Proceedings of the Royal Society of London A, 117(778), 610-624. 2. Dirac, P. A. M. (1931). Quantised singularities in the electromagnetic field. Proceedings of the Royal Society of London A, 133(821), 60-72. 3. Dirac, P. A. M. (1930). The Principles of Quantum Mechanics. Oxford: Clarendon Press. 4. Farmelo, G. (2009). The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom. London: Faber & Faber. 5. Nobel Foundation. (1933). The Nobel Prize in Physics 1933: Paul Adrien Maurice Dirac.