量子怪傑狄拉克獲諾貝爾獎的經過

王正行 / 文

狄拉克：我的工作並沒有實用價值。

記者：但它可能具有實用價值嗎？

狄拉克：那我不知道。我想不會有吧。不管怎樣，我研究我的理論已經有八年了，現在我已經開始推出一個關於正電子的理論。我對文學不感興趣也不聽音樂。我腦子裡只有原子理論。

記者：那麼在過去的八年間您所建立的科學世界有沒有影響您對日常事物的看法呢？

狄拉克：我不是個瘋子。換句話說如果那樣（確實有影響）我早就瘋了。我休息的時候，當然也就是說當我睡覺或是散步或旅行的時候，那我會和我的工作和實驗完全隔絕。這很有必有必要，否則這裡會爆炸的（狄拉克用手指著自己的腦袋）

——《量子怪傑保羅 · 狄拉克傳》，1933年狄拉克接受《瑞典日報》記者採訪

20世紀物理學的第一位巨人當然是愛因斯坦。但誰是第二位，誰又是第三位呢?這個問題的答案就因人而異。楊振寧先生在一次演講中曾經說過，他最佩服的三位當代物理學家，是愛因斯坦、費米和狄拉克。楊先生說，狄拉克解決問題的方法像是神來之筆，讀狄拉克的論述有「秋水文章不染塵」的感覺。本文介紹的是英國理論物理學家，量子力學的奠基者之一，保羅· 狄拉克（PaulAdrien Maurice Dirac）獲諾貝爾物理獎的經過。

保羅·狄拉克（圖片來自網路）

20世紀20年代中期參與量子力學建立的，主要是格丁根學派的玻恩、海森伯和約爾丹，劍橋的狄拉克，法國的德布羅意和奧地利的薛定諤。1924年玻恩意識到需要有一種新的數學規則來從經典力學過渡到量子力學。1925年夏天，海森伯猜到了這種數學的基本形式應該是二維的數組即矩陣，寫了一篇淪文。玻恩和約爾丹寫了第二篇淪文，隨後他們與海森伯合寫了第三篇論文。這3篇論文奠定了量子力學的基礎，在物理學史上分別稱為一個人的論文、兩個人的論文和三個人的論文。狄拉克看了海森伯一個人的論文預印本後，提出了一套量子力學與經典力學對應的規則，獨立地得到了與玻恩和約爾丹兩個人論文相同的結果，並進而發展了一個系統的理論。另一方面，德布羅意在1924年提出物質波假設。1926年薛定諤在這個思想的啟發下提出了一個波動方程，算出氫原子的能級，建立了波動力學，後來又進一步證明波動力學與量子力學完全等效。量子力學的這6位奠基人，除了約爾丹外，餘下5位後來都相繼獲得了諾貝爾物理獎。

狄拉克在物理學史上具有里程碑性的工作，是兩年後的1928年發表的。這就是他關於電子的相對論性波動方程，這個方程現在稱為狄拉克方程。這個方程從幾個簡單和明顯的假設出發，出乎預料地自動包含了電子的自旋，並且給出了電子與實驗符合的朗台g因子2，立即為物理學界所接受，並激起了對它進一步和深入的研究。

這種深入的研究揭示出一個相對論所固有的問題。在經典力學中，自由粒子的能量正比於動量的平方，所以總是正的。但是在相對論中不然。在相對論中，自由粒子能量的平方與動量的平方成線性關係。所以，對於給定的動量，粒子的能量有正負兩個解。具有負能量的粒子，速度與動量的方向相反；設法增加動量，其能量卻相應地減少。這就像驢一樣，打著不走拉著倒退，在哥本哈根的玻爾研究所里被伽莫夫詼諧地稱為「犟驢電子」。而我們在實驗上還從來沒有看到過這種具有負能量的犟驢電子。

一般人在自己的理論與實驗觀測不一致時，總是相信實驗事實而懷疑理論有問題。狄拉則不同，在他的天平上理論的優美遠遠高於實驗的測量。如果理論在數學和形式上十分完美，他就要想到是不是實驗有問題。評論家把狄拉克的這種態度稱為他的貴族風格。為了解釋為什麼在實驗上看不到這種具有負能量的電子，狄拉克假設真空並非空無所有，而是所有的負能態都被電子填滿了，由於泡利原理，具有正能量的電子不能躍遷到負能態去，不能產生可觀測的效應。這就是著名的狄拉克海。如果這種負能態空出一個來，亦即在狄拉克海中出現一個空穴，那就像是多出了一個具有正能量和正電荷的粒子。

狄拉克的這個假設是經不起推敲的。填滿無窮多個負能態的電子就一個無限大的負電荷分布，會產生無限大的電場。所以，狄拉克又想辦法來說明為什麼觀測不到這個無限大的電場。他的解釋很牽強。狄拉克關於負能態電子的這個理論實在不能看做是一個嚴格意義上的理論，至多只能說是一個過於簡化的模型。包括玻爾和泡利在內的許多很有影響的物理學家都持懷疑的態度。

可是，狄拉克據此預言了具有正電荷的電子，這是可以用實驗來檢驗的。美國加州理工大學的安德森和英國卡文迪什的布萊克特以及義大利物理學家奧夏里尼於1932年在宇宙射線中發現了這種正電子，安德森並且把它命名為「正子」。雖然安德森和他原來的老師和研究計劃主持人密立根都認為這並不是狄拉克理論中的正電子，但是這個粒子的電荷和質量確實與狄拉克預言的一致。實際上，狄拉克方程的負能困難後來在量子場論中才得到合理和滿意的解決。這就是狄拉克獲獎前的背景。安德森後來在1961年回憶說：儘管在事實上狄拉克的相對論性電子理論是關於正子的一個恰當的理論，以及儘管在事實上幾乎所有的物理學家都知道有這個理論，但是它在正電子的發現中並沒有起什麼作用。當時安德森和密立根都相信正子是從宇宙線光子引起的原子核反應中發射出來的，而不是來白正負電子對的產生。

在1928年，愛因斯坦就提出應給量子力學的奠基人授予諾貝爾物理獎，他提出的候選人有德布羅意、薛定諤、海森伯、玻恩和約爾丹。1929年，維也納的物理學家梯林格（Hans Thirring）又提名德布羅意、海森伯、薜定諤和狄拉克。諾貝爾獎委員會說海森伯和薛定諤的理論「還未能給出任何新的更基本性質的發現」，所以1929年的諾貝爾物理獎只授予了德布羅意，他預言的物質波已經被實驗證實。1931年愛因斯坦又提名薛定諤和海森伯，1932 年愛因斯坦接著提名薛定諤。

1932年沒有授獎。1933年被提名的有海森伯、薛定諤、狄拉克、索末菲、朗之萬、布里奇曼、戴維孫、帕邢和伍德，等等。提名薛定諤的有7位，其中包括愛因斯坦、玻爾、澳辛、夫蘭克、莫里斯·德布羅意和路意·德布羅意。提名狄拉克的有威廉·布拉格和波蘭物理學家比阿洛布采斯基（Czeslaw Bialobrzeski）。比阿洛布采斯基提名的第一候選人是朗之萬和伍德，狄拉克是他提的第二候選人。布拉格提的候選人是薛定諤、海森伯和狄拉克，他說：「在薛定諤、海森伯和狄拉克這3人之間很難作出區分，是否有可能開一個先例，把獎金分給他們三位，特別是去年沒有授獎，我覺得這樣授獎是公正的，會讓大家都高興。」

後來諾貝爾獎委員會採納了布托格的建議。實際上，海森伯獲得了1932年的獎，而薛定諤與狄拉克分得1933年的獎。有意思的是，狄拉克只獲得了兩個提名，並且都不是第一候選人。而上面提到的其他候選人獲得的提名數都比狄拉克多。如果諾貝爾獎委員會只單純考慮提名數的活，狄拉克就會失去這次機會。

更有意思的是諾貝爾獎物理委員會對狄拉克的評價。當時諾貝爾獎物理委員會有5位委員：奧辛（Carl wilhelm 0seen），胡爾森（Erik Hulthen），普萊傑爾（H. Pleijel），西格班（Manne Siegbahn）和卡萊姆-吉欏斯可爾德（Vilhelm Carlheim-Gyllenskold）。其中，只有奧辛與胡爾森兩位對量子理論有很好的了解，西格班是位得過諾貝爾物理獎的X射線專家，普萊傑爾來自瑞典皇家技術學院，而卡萊姆-吉欏斯可爾德已經74歲，不接觸近代物理了。奧辛是烏普薩拉大學的教授，波爾的好友。他小心謹慎地為狄拉克寫了長達28頁的備忘錄。奧辛認為，狄拉克雖然是一位有獨創性的多產的科學家，但是對於物理學的基礎來說，還不是個真正的開拓者。他在這個備忘錄中寫道：

「無論我們必須多麼高度地評價狄拉克的工作。這個工作仍然不像海森伯的工作那樣具有基本的意義。在以實現海森伯大膽思想為已任的一群研究者當中，狄拉克處於前列。與玻恩和約爾丹相比，他是獨立的。剛才提到的材料表明了這點，而且對論文的研究也支持這點。但是，相對於海森伯來說，狄拉克是一個後繼者。」

無可懷疑的是，狄拉克1928年的相對論性電子理論在為他獲得諾貝爾獎的天平上加上了最大的砝碼。按照奧辛的看法，「迄今為止，這個工作對他的名氣貢獻最大。」在寫給諾貝爾獎委員會的備忘錄中，奧辛的結論是：

「如果要問，狄拉克是不是普朗克、愛因斯坦或玻爾那樣水平的科學開拓者，我想，現在來說，對這個問題的回答肯定是不。但是，必須承認，一個科學家能否成為位偉大的開拓者，這不僅取決於他自己，還取決於他所生活的時代。當狄拉克睜眼面對科學的世界時，他無疑看到了發展海森伯的思想是最重要和當務之急的事。狄拉克把他的全部生活和精力都投入了這一事業，以至於至今他還沒有時間做出他真正偉大的具有革命性的工作。但是，這種工作仍然可能會出現，這不是完全不可能的。值得指出的是，狄拉克的多數真正具有開創性的論文都是最近幾年才提出來的。」

關於狄拉克對物理學的貢獻，奧辛的這種批評性的評價是值得商榷的。看來，奧辛確實是低估了狄拉克工作的革命性特性。這種特徵在今天比在1933年看得更清楚。但是，即便是在當時，量子理論的大多數專家們也都認為狄拉克是位可與玻爾和普朗克相比的革命性天才。

如果根據諾貝爾獎物理委員會的意見來作決定，狄拉克肯定就失去了這次機會。有利於狄拉克的轉機出現在瑞典皇家科學院的全體大會上。按照諾貝爾獎的工作程序，諾貝爾獎委員會根據提名數來確定候選人，但並不是根據提名數來確定受獎人。授獎的最後決定權不在諾貝爾獎委員會，而在瑞典皇家科學院的全體大會。那麼，瑞典皇家科學院的全體大會根據什麼來作出判斷和選擇呢?須知大部分院士對於物理都不是行家，更不要說量子力學了。文件上沒有細說，只含糊其辭地說因為狄拉克「發現了新的關於原子理論的富於活力的形式及其應用」而授予他諾貝爾物理獎。也就是說，並不是為了狄拉克的某一件具體工作，而是為了他1925年以來的所有工作。毋庸置疑，院士們心中想的當然是狄拉克1928年的相對論性理論以及他對於正電子的預言。後來歷史的發展證明這個決定是完全正確的，狄拉克方程現在是任何一本完整的量子力學教科書必不可少的一章，是任何一本量子場論討論的基礎和出發點。

狄拉克被邀請參加1927年索爾維會議，與愛因斯坦坐在一起討論量子力學的解釋問題，這意味著他已經被接納進入科學殿堂的最頂層。這時他才25歲。1930年狄拉克當選為英國皇家學會會員，這在那個年代的英國科學家來說，完全可以與獲諾貝爾獎媲美了。到1932年，狄拉克又接替拉莫爾爵士，成為劍橋大學盧卡斯數學教授。主持過這個歷史性教席的，第一位是牛頓的老師巴羅，第二位是牛頓本人。現在擔任這個教席的則是斯帶芬·霍金。評論家說，狄拉克是擔任過盧卡斯教席的人中真正可以與牛頓相比的人。可以說，在1932年他30歲時，狄拉克已經達到了名譽的頂峰。

1927年索爾維會議合影（圖片來自網路）

當得知被授予諾貝爾物理獎時，狄拉克最初的反應是想拒絕這份瑞典人給他的殊榮。因為他性格內向，不願意成為轟動社會的新聞人物。但是盧瑟福說服了他。盧瑟福對他說：你如果拒絕接受諾貝爾獎，就會成為更加轟動的新聞人物。與海森伯一樣，狄拉克是由他媽媽陪著去斯德哥爾摩領獎的。倫敦的一家報紙形容他「靦腆害羞得像個小羚羊，典雅文靜得像維多利亞時代的處女」，文章的標題是「害怕所有女人的天才」。

來源：《現代物理知識》第13卷第6期，原文題為《狄拉克獲諾貝爾獎的經過》

本文經授權轉載自

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