狄拉克发表的论文

狄拉克--------------------------------------------------------------------------------庞嘉裕 张丽媛在20世纪初叶，人们已知道任何物质都是由原子构成的。原子包括原子核和周围的电子。原子核较重，带正电；电子很轻，带负电。原子核是由质子和中子组成。质子带正电，中子不带电。电子和质子所带的电量均为单位电荷。任何原子都呈电中性—带正电的质子和带负电的电子，其数目相同。但是，有没有带正电荷的“电子”、带负电荷的“质子”呢？这个问题似乎是根本没有道理的，但这恰恰就是发现新粒子的开端。 1930年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902～1984）用数学方法描述电子运动规律时，发现电子的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷的。狄拉克猜想，在自然界中可能存在一种“反常的”带正电荷的电子。 1932年，美国物理学家安德森（Carl D.Anderson）在研究太空宇宙射线时，发现当高能射线穿过铅板时，会从铅板中轰击出与电子质量相等、电荷数量相同、但电荷性质相反的粒子。这正好与狄拉克对自然界存在带正电荷的电子的预言一致，安德森把它称为正电子。 安德森发现的正电子不能长久存在，它刚出现不久就会与邻近的电子碰撞，从而结合成光子，这就是“湮灭”现象。 诺贝尔物理学奖获得者杨振宁推崇狄拉克是20世纪一位大物理学家，说他有一个特点：话不多，而其内涵则有简单、直接、原始的逻辑性。一旦抓住了他独特的别人想不到的逻辑，他的论文读起来便很通顺，就像“秋水文章不染尘”，没有任何渣滓，直达深处，直达宇宙的奥秘。 狄拉克获剑桥大学哲学博士学位后，任剑桥大学和美国佛罗里达州立大学教授。是英国皇家学会会员。他长期从事科学研究，创立量子电动力学，建立“狄拉克方程”，预言存在正电子，还预言存在反粒子，提出存在反物质。 狄拉克于1928年建立狄拉克方程。这个貌似简单的方程式被认为是惊天动地的成就，是划时代的里程碑：它对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解。没有这个方程，就没有今天的原子、分子物理学与化学。没有狄拉克引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像（MRI）技术，不过，这项技术实际上只是狄拉克方程的一项很小的应用。 狄拉克方程“无中生有、石破天惊”地指出为什么电子有“自旋”，而且为什么“自旋角动量”是π/2而不是整数。当时极负盛名的海森堡（W.Heisenberg，1901～1976）看了狄拉克的论文，为狄拉克竟有如此神来之笔而惊叹不已。 狄拉克方程的妙处虽然很快被同行所认同，可是它所提到的一项前所未有的特性——“负能现象”，却是许多人绝对不能接受的。狄拉克的论文发表以后的3年间关于“负能现象”有了许多复杂的讨论，最后于1931年狄拉克又大胆提出“反粒子”理论来解释“负能现象”。他在1928年以后的4年间受到玻尔、海森堡、泡利等当时的大物理学家的质疑，但他始终坚持自己的理论，而最后得到全胜。直到1932年秋天安德森发现了电子的反粒子以后，大家才渐渐认识到“反粒子理论”确实是物理学的又一个里程碑。（1981年安德森撰文回忆往事时特别提到了早在1930年中国科学家赵忠尧的实验，说是该实验引导他终于发现了正电子。）1933年，狄拉克获诺贝尔物理学奖。 杨振宁教授引用高适的诗句“性灵出万象，风骨超常伦”来描述“狄拉克方程”和“反粒子理论”；又引用袁宏道的话“独抒性灵，不拘格套”来作为狄拉克作风的特征。他说，“非从自己的胸臆流出，不肯下笔”，又正好描述了狄拉克的独创性！