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狄拉克这个人到底有多厉害?

英国一直不缺乏最优秀的物理学家,从牛顿开始,到麦克斯韦,再到狄拉克(1902-1984),都是第一流的物理学家。牛顿是经典力学的缔造者,麦克斯韦是电磁理论的创建者,而狄拉克是量子力学理论体系的最终完成者。

1925年,当狄拉克还是一个研究生的时候,他读到了海森堡关于量子力学的一篇论文,狄拉克发现海森堡论文中的矩阵对易关系和经典力学中的泊松括号在结构上很像,受此启发狄拉克很快就发展出了一套基于非对易力学量的量子理论。

狄拉克对量子力学的重新陈述,扫清了笼罩在这一理论之上的朦胧的面纱,量子力学变得和经典力学一样清晰优美,我们今天学习的量子力学就是基于狄拉克发展起来的形式,狄拉克发明出来的一些工具,如:狄拉克记号,狄拉克函数等都使得量子力学的计算变得简洁清晰。

针对电子(或更一般地,自旋半奇数的粒子),狄拉克发展了费米-狄拉克统计,这属于量子统计的基础工作,是以后研究金属,半导体等的基础。

狄拉克最重要的工作是发展了相对论性量子力学(1928)。此前的量子力学只适用于非相对论性粒子,狄拉克通过引入一系列4x4的矩阵,得到了描述电子运动的“相对论性”方程-狄拉克方程:

这个方程很厉害。它解释了电子为什么具有自旋1/2;能够描述电子的产生和湮灭过程;预言了反粒子(对于电子来说就是正电子)。

当时的科学家只知道有电子、质子和中子。狄拉克预言的与电子质量相等,但电荷相反的粒子谁也没见过,这难免让狄拉克心里有点不安,但狄拉克觉得他的方程很优美,这么优美的方程一定反映了物理现实。

狄拉克非常幸运,很快安德森就在宇宙射线中找到了正电子(1932),证实了狄拉克的预言。这使狄拉克获得了1933年的诺贝尔物理学奖。

PS:狄拉克有多厉害呢,这里还有一个小故事。

上世纪初在学霸圈流行这样一个小游戏,用4个2和基础的数学运算表示自然数,从1开始,1,2,3,4……,看谁能表示的多。比如这样:

后来这个问题被狄拉克一劳永逸的解决了,因为他找到了一个通式,可以表示从1,2,3,4……一直到n。

这个式子是:

比如:

像羚羊一样害羞,如女王仆人一样谦逊。

1933年,因为"发现了在原子理论里很有用的新形式"(即量子力学的基本方程--薛定谔方程和狄拉克方程),狄拉克和薛定谔共同获得了诺贝尔物理学奖。

然而,刚开始狄拉克却对好友卢瑟福说想拒绝这个荣誉,因为他讨厌名声,讨厌公众的媒体的大肆议论和宣传。

此时,卢瑟福就对他说:“如果你这样做,你会更出名,人家更要来麻烦你。”

最终,狄拉克像要出嫁的姑娘一样,羞答答地走上了诺贝尔奖领奖台,并发表“电子与正电子的理论”的得奖演说。。。

1902年,狄拉克出身于在一个父亲专制的家庭,小时候狄拉克和哥哥妹妹过的并不开心。专制的父亲连出行都会进行限制,导致狄拉克只能看着其他小伙伴愉快的玩耍。

由于父亲的专制、偏执,狄拉克与父亲的关系一直不太好,甚至可以说是关系紧张。所以,在父亲去世后,狄拉克有种解放了的感觉:"我觉得我更自由了,我要做我自己。"

父亲的专制让狄拉克从小只能将自己的精力放在课本上,天才的数学天赋就已经显现,无论老师布置多难的课后习题,他都会在下课前就做出来。。。

传奇的人生从小就开始,在后来的日子里,已经没有数学老师可以教他了,只能让他与另外一位学霸待在一个房间里自学。

可怕的是,跟他同个房间的学霸也被虐得渣都不剩,只留对生命淡淡的怀疑。

毕业后,狄拉克来了考瑟姆学校,学习到了丰富的理工科知识。

之后,狄拉克又去到了布里斯托大学学习电机工程。尽管狄拉克最喜欢的是数学,但是,狄拉克表示工程教育才是对他影响最大的

1923年,21岁的狄拉克便进入到剑桥大学开始进修,原先,狄拉克个人相对论十分感兴趣。之后却在拉尔夫·福勒的“蛊惑”下,选择了量子力学,跻身进入到量子力学一流研究者的行列之中,可以与众多前辈大神波尔、泡利、海森堡等相提并论了。

也就在1926年,狄拉克发表论文《量子力学》,成功获得博士学位。在福勒的建议下,去到哥本哈根的波尔研究所,继续进行量子力学的研究,同时也开始研究辐射理论,并且将两者结合起来,引发了一个新的物理课题——量子场论。

1928年,狄拉克把相对论引进量子力学,建立了相对论形式的薛定谔方程,也就是著名的狄拉克方程,并因此于1933年荣获诺贝尔物理学奖。

有意思的是,在获得诺贝尔奖后,面对记者的采访,狄拉克却说:我的工作并没有实用价值。

在场的记者满脸惊讶,以为狄拉克在开玩笑:但它科恩鞥具有实用价值吗?

狄拉克淡定地回答:那我就不知道了,不过我想不会有吧。

-----f爱情分割线------

高冷的狄拉克陷入爱情后,便开始释放自我,原本沉默寡言,当见到曼茜却说个不停,各种情书信手拈来。

狄拉克曾深情地说:你让我成了有血有肉的人。就算我在今后的工作中什么成绩也没有,和你生活在一起我也能过得幸福。

1925年,海森堡写出新量子力学的第一篇文章。然后他访问剑桥大学,期间提到这个工作。富勒教授请他回去后寄一份校样。收到以后,富勒交给他的一个研究生看。这个研究生名叫狄拉克。狄拉克之前在布里斯托大学念电子工程,这个工程学训练使得他重视近似的重要性。

研究生狄拉克感觉海森堡抓住了问题的本质。狄拉克将海森堡的矩阵与经典力学的哈密顿-雅可比理论联系起来,发现了海森堡提出的对易子与经典力学中的泊松括号的对应,由此立即发表了一篇文章。在这篇文章中,他还提出了产生和湮灭算符的最初形式。

几周后,狄拉克又完成一篇论文,提出所谓的“q-数”,即我们现在所知的算符。接着在下一篇论文中,狄拉克将他的理论用于氢原子问题,得到于实验相符的结果。

在1926年8月的一篇文章中,狄拉克将他的理论与薛定谔于1月份提出的波动力学联系起来。 在这篇文章中,他还讨论了全同粒子波函数的两种形式,即对称与反对称。这两种粒子我们现在称作费米子和玻色子。狄拉克还就量子力学的微扰论、康普顿效应发表了一些论文。

1926年,狄拉克获得博士学位。

1927年,狄拉克发表了他的变换理论。在这之前,薛定谔指出他的波动力学与海森堡等人的矩阵力学的等效性。而狄拉克的变换理论严格证明了这些都是同一个量子力学的不同形式。

1928年,狄拉克又提出电子的相对论量子力学方程。这个方程导致了正电子的预言。

马约拉纳发现,狄拉克方程有实数波函数解,从而正反粒子是同一个粒子,这就是后来著名的马约拉纳费米子。最近张首晟称之为“天使粒子”(见我7月21日的回答)。

因为“原子理论的新形式及其应用”,狄拉克与薛定谔分享1933年诺贝尔物理学奖。

现在,在伦敦的威斯敏斯特教堂,有一个狄拉克的墓碑,上面刻着狄拉克方程。

狄拉克做出的狄拉克方程很厉害:预言了正电子,后来被实验所证实,他本人也因此获得了诺贝尔物理学奖。

还有一个小故事貌似简单,但也在一定程度上证实了他的专心的心不旁鹜的素质,也可以解释他“为什么这样厉害:

得知自己获了诺贝尔奖,他很烦恼还要去领奖,他表示自己痛恨出名。他的导师卢瑟福劝告他:你还是去领奖吧,因为你要是不去领奖,那么你会更出名!

狄拉克是20世纪最伟大的几个物理学家之一,与杨振宁的学术地位有一比。他的主要贡献是提出了量子力学中的狄拉克方程并且预言了反物质的存在。后来美国物理学家安德森发现了正电子,从而证明了反物质的存在。狄拉克也因此或诺贝尔物理学奖。

狄拉克函数,狄拉克方程,狄拉克算符联接了量子力学与相对论,同为量子力学与相对论的基础,狄拉克方程与质能方程等位,狄拉克函数的应用将使狄拉克在今后的位置上升到与爱因斯坦并列。

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