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狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)

作者:庞嘉裕 张丽媛来源:网络收集时间:2003-7-21 22:27:54阅读:
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  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!

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