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发表于 2023-9-23 23:49
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反对 QED
狄拉克获得诺奖的几周之后,他提出了真空极化的想法,而他的黄金时期也走到了尽头。他不再对量子电动力学(QED)着迷,该理论所预测的许多可观测量是无穷大的,这使计算变得毫无意义,狄拉克对此深感困扰。1936 年末,他短暂地将注意力转向了宇宙学,提出了备受争议的大数假说(large-numbers hypothesis)。该假说认为,一些简单的线性方程将宇宙尺度的巨大数字联系了起来(而不是巧合)。
几年后,狄拉克接受了詹姆斯·斯科特(James Scott)的邀请,就他的物理哲学进行演讲。他能接受邀请是相当令人惊讶的,因为狄拉克公开蔑视科学哲学。1963 年,他将其描述为“只是一种谈论已经取得的发现的方式”。但是狄拉克 1939 年 2 月在爱丁堡的那场关于“数学和物理之间的关系”的演讲并没有让听众失望,他用浅显平实的语言给出了深刻见解,全程没有使用一个抽象的数学符号。[7]就连他的引言也直截了当:“数学家玩的是自己发明规则的游戏,而物理学家玩的是大自然给出规则的游戏。”
他建议理论物理学家应该追求能最大可能体现数学之美的物理定律。不过,他没有耐心回答一个显然的问题,即客观上什么构成了这种审美品质,“这是一种无法定义的品质,就像艺术中的美不能被定义一样,但研究数学的人不难欣赏它。”狄拉克后来说,他对所谓的数学之美原则的信仰,对他和他的朋友薛定谔来说“就像一种宗教”。
在狄拉克研究方向改变的同时,他的个人生活也发生了一些重要事件。1936 年 6 月,狄拉克的父亲去世了,直到他生命的尽头,狄拉克都在他的掌控之下。葬礼结束后,狄拉克松了一口气:“我现在感觉自由多了;我觉得我现在是自己的主人了。”他把这些话写给了他的密友玛吉特·巴拉兹(Margit Balázs),她是他的匈牙利朋友和同事尤金·维格纳(Eugene Wigner)的妹妹(当时已离婚)。不到六个月的时间,她就与狄拉克结婚了。这是一个不可思议的结合,因为她在许多方面都与狄拉克截然相反——健谈、合群、固执己见。然而,这段婚姻还不错,他们生了两个女儿,他们共同度过了近 50 年。狄拉克自诩为居家男人,热衷于打理花园和草坪,但也仍致力于理论物理研究,只是与主流学界越来越疏远了。二战期间,他曾担任英国秘密研究核武器小组的顾问,并将部分时间用于发展他提出的想法:用无活动部件的仪器分离同位素。而且他并未完全放弃理论物理研究。他是战争中少数几个还在继续研究 QED 的人之一,并与他的避难者同事薛定谔和泡利(Wolfgang Pauli)保持着联系。
玛吉特·巴拉兹(Margit Balázs)是理论物理学家尤金·维格纳的妹妹。照片摄于 1932 年,这是她在普林斯顿的一家餐厅第一次遇见狄拉克的两年前。1937 年 1 月他们在伦敦结婚。图片来源:Courtesy of Florida State University, Paul A. M. Dirac Collection.
20 世纪 50 年代早期,下一代理论家——特别是戴森、费曼(Richard Feynman)、施温格(Julian Schwinger)和朝永振一郎(Shinichiro Tomonaga)——发展了一套更为完备的 QED 理论,通过重整化系统地消除了麻烦的无穷大问题,理论与实验也非常吻合。但狄拉克却不为所动。当戴森询问他关于新理论有何看法时,狄拉克直言不讳地说,“如果这些新想法不是那么丑陋的话,我可能会认为它们是对的。”
狄拉克认为,在更好地理解光子和电子之间的相互作用之前,试图推动粒子物理学的发展是愚蠢的。由于他几乎忽视了弱相互作用和强相互作用方面的新成果,他逐渐脱离了学术圈,生产力也急剧下降。20 世纪 50 年代末 60 年代初,当他试图建立引力的量子理论时,他在广义相对论的哈密尔顿形式和束缚态的量子理论方面做了重要工作。这些都是很有分量的贡献,但在大多数狄拉克的同事看来,他只是在他自己的科学死水中挣扎——他是一个值得尊敬的人,但不值得去倾听。1969 年,在从剑桥大学卢卡斯教授的职位上退休两年后,他加入了位于塔拉哈西的佛罗里达州立大学物理系,并周游世界,主要就他的物理学哲学方法发表演讲;他不厌其烦地指出他所认为的 QED 的致命缺点,并敦促年轻的同事们发展一种革命性的理论,以取代这个他共同发现的理论。
在 1980 年的演讲“工程师和物理学家”中,狄拉克阐明了他为何坚决反对 QED 。他的观点源于他作为工程师所接受的训练,重整化需要一种任何有自尊的工程师都不会赞同的做法:在一系列近似实际的、可测量的量中忽略无穷项。在狄拉克看来,忽略方程中的无穷大的量是荒谬的。
其他工程师可能会采取更实际的方法——它能否行之有效,与实验吻合,从而接受这个理论。然而狄拉克不能接受这一点,因为他是不同凡响的工程师——一个有着杰出纯粹数学家情怀的工程师。
他说:“工程师的主要问题是决定做出哪些近似。”一名优秀的工程师会对可忽略项明智地、通常是凭直觉做出选择。“被忽略的项必须很小,而且不能对结果产生太大影响。他绝不能忽视那些不小的量。”
1927 年春天,马克斯·玻恩和他的年轻同事们在他哥廷根家的后花园。狄拉克目不转睛地读着报纸,他在德国结识的朋友奥本海默(J. Robert Oppenheimer)也在这里(左四)。图片来源:Courtesy of Florida State University, Paul A. M. Dirac Collection.
坚持原则与古怪并存
就像伟大的诗歌一样,狄拉克的论文值得反复阅读。研究人员一次又一次地发现,狄拉克论文中的思想和见解在首次发表时几乎没有什么影响。一个典型的例子是他 1939 年关于数学和物理关系的论文,这篇论文至今仍在普林斯顿高等研究院(IAS)的理论物理学家之间流传。其中的一位,内森·塞伯格(Nathan Seiberg)告诉我,“如果正文前的日期不是 1939 年,而是 2009 年,这篇文论也会同样令人印象深刻。”
在一段特别引人注目的章节中,狄拉克推测出宇宙最初的条件【甚至那是在 1939 年,他就接受了始于他的学生弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)的理论,即后来所说的大爆炸】。狄拉克指出,如果宇宙仅仅遵循一组给定的初始条件平凡的运动方程,那么它不可能解释地球丰富多样的生命形式乃至宇宙本身所显示的复杂性。而他认为,量子力学可以将这种复杂性归因于宇宙极早期的量子跃迁。狄拉克似乎已经知道他偶然发现了一个重要的洞见,他非常特别地以斜体字总结了出来:
“量子跃迁现在成为自然现象中不可计算的部分,以取代旧机械论观点中的初始条件。”(The quantum jumps now form the uncalcu-lable part ofnatural phenomena, to replace the initial conditions ofthe old mechanistic view.)
塞伯格在 IAS 的同事尼玛·阿卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)对我说:“这是一个惊人的见解。虽然狄拉克不知道宇宙演化的细节,比如现代的暴胀理论,但他对核心概念的理解是完全正确的。所以他有点像达尔文,即使他对内在的遗传学一无所知,他还是能提出自然选择的演化理论。”
阿卡尼-哈米德还强调了狄拉克的论文在技术性上对现代物理学家的价值,包括弦理论家。20 世纪 70 年代初,发展弦理论的年轻一代物理学家意识到他们正在追随狄拉克的脚步。他不仅提出了拓展的物质作为基本粒子的模型,而且在受约束的力学系统的量子化理论中,他还发展出理论学家理解相对论性弦论的量子动力学所需的技术。20 世纪 70 年代中期,当物理学家们试图理解磁单极子的性质时——这在许多现代基本粒子理论中自然存在,他们发现狄拉克在 1931 年和 1948 年的论文中再次为人们设定好了路线[8]。
约 1958 年狄拉克在普林斯顿高等研究院。他很喜欢干砍树之类的体力活,还帮忙清理研究院附近树林的小路。图片来源:Courtesy of Monica Dirac
狄拉克似乎很少或根本没有关注过早期的弦理论文章,也不理会 1970 年代物理学家的主流工作,即他们建立的标准模型。对 QED 的幻想破灭后,他专注于将广义相对论与他的大数假说联系起来。而且他知道许多物理学家认为他是一个坚持原则但古怪的人。尽管狄拉克不为所动,但他有时也会士气低落。毫无疑问,普林斯顿的物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)注意到了这一点,在狄拉克 80 岁寿辰时,惠勒给他写了一封特别贴心的短信:
我写信是想告诉你,我不确定你是否猜到了,许许多多年轻一代和老一辈学者都把你视为追求正直和美的英雄,正确行事的榜样。[9]
狄拉克将这封信存放在他的桌子里。不到两年后,1984 年 10 月 20 日,他因心力衰竭在塔拉哈西的家中逝世,他的妻子和护士守在床边。他一直工作到最后,他对物理学的贡献并没有随着他的离世而终结。像所有真正伟大的思想家一样,他在身后仍为世界提供源源不断的创造力。
作者简介
格雷厄姆·法梅洛(Graham Farmelo),理论物理学家,传记作家、科普作家,伦敦自然博物馆资深研究员。作品《量子怪才:保罗狄拉克传》(The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom)获 2010 年《洛杉矶时报》科技图书奖、2009年《物理世界》年度图书奖。
参考文献
[1] 除非另有说明,本文参考来源见于 G. Farmelo, The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom, Basic Books, New York (2009).
[2] K. Gottfried, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0302041v1, p.9.3.
[3] W. Heisenberg, Z. Phys. 33, 879 (1925).
[4] P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. London, Ser. A 109, 642 (1925).
[5] P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. London, Ser. A 117, 610 (1928).
[6] P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. London, Ser. A 133, 60 (1931).
[7] P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. Edinburgh, Sect. A: Math. Phys. Sci. 59, 122(1938-39).
[8] P. A. M. Dirac, Phys. Rev. 74,817 (1948).
[9] I. Wheeler to P A. M. Dirac, 8 August 1982, General Correspondence Paul A. M. Dirac Collection, Paul A. M. Dirac Library Florida State University, Tallahassee.
本文经美国物理联合会(AIP)授权翻译发表于《返朴》(Fanpu),译自
Graham Farmelo; Paul Dirac, a man apart. Physics Today 1 November 2009; 62 (11): 46–50. https://doi.org/10.1063/1.3265236.
Reproduced from [Graham Farmelo; Paul Dirac, a man apart. Physics Today 1 November 2009; 62 (11): 46–50. https://doi.org/10.1063/1.3265236], with the permission of the American Institute of Physics.
原文链接: https://pubs.aip.org/physicstoda ... rectedFrom=fulltext
原创 格雷厄姆·法梅洛 返朴 2023-09-22 08:02 发表于北京 |
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