狄拉克是科学史上独特的存在。他以独一无二的研究风格投身于理论物理学领域近60年:他将直觉、想象力、直线式逻辑与强大的数学融合在一起。这总是令人困惑,他是如何做到的?而他为人沉默寡言,在成果创造性爆发后,他对量子电动力学逐渐失望并远离了主流学界,更成为一名孤独的思想者。但是人们仍一次又一次地从他的文章中汲取到灵感,迈向他早已标定好的路线。孤独者狄拉克,永不独行。
保罗·狄拉克(Paul Dirac)常被称为“理论家中的理论家”,他害羞、沉默、似乎缺乏同理心,是科学界典型的孤独者。狄拉克晚年时,有物理学家突然打电话给他,问他是否愿意就其文章里的想法谈谈,他会坚决打断对方并说:“我认为人们应该研究自己的想法”,然后挂断电话。
狄拉克最著名的贡献是发展了量子力学——始于海森伯(Werner Heisenberg)和薛定谔(Erwin Schrödinger)1925年的工作,而当时狄拉克只有23岁。尽管狄拉克作为科学魔术师而广受尊敬,但是许多物理学家——特别是德国柏林和哥廷根的一些物理学家(量子力学的许多基础论文诞生在那里)一一觉得他的语言令人费解,他的论证难以捉摸,还有他的态度冷漠而疏远。
狄拉克那独一无二的个性以及对待理论物理的态度都源于他在英国西南部最大城市布里斯托的成长经历。据他自己所说,他度过了一个缺爱,没有朋友的悲惨童年,但在科学、数学和工程学方面接受了充分的教育。在21岁生日8周后,狄拉克来到了剑桥大学开始攻读博士学位——虽然当时他对于现代物理学的了解并不全面,但是他已经拥有电气工程和应用数学两个学士学位。狄拉克后来说,他从未拥有过童年。
据他对早年的回忆,他的家庭生活十分痛苦——没人能够幸免,主要是因为他那专断强横的教师父亲,在父亲坚持下,家里几乎不能接待访客,还要求孩子们只能用法语跟他讲话。
狄拉克在小学时就表现不错,但算不上非常特别。狄拉克升入高中后就开始崭露头角了。那时正值一战期间,许多男孩都去参加武装部队,而他们留下的尖子班的空缺得以让像狄拉克这样聪明的学生迅速取得进步。
这所高中给狄拉克提供了一流的实践教育,允许他不学拉丁语、希腊语和其他不太可能对找工作有用的科目。他几乎每门课都非常优秀,尤其是在数学、科学和技术制图方面。在十几岁的时候,狄拉克就已经远远领先于班上的其他同学,并且开始思考空间和时间的本质,尽管那时他对相对论还一无所知。
狄拉克本来想从相对论开始他的研究生涯,所以当他被告知导师是统计力学和量子理论专家的拉尔夫·福勒(Ralph Fowler)时,他感到很失望。然而,狄拉克很快意识到,他拥有的是剑桥最好的导师之一——一位人脉广泛、善于鼓励、有能力发现能驾驭的问题的人。狄拉克迅速而富有想象力地解决了福勒提出的问题,从而确立了自己一流学生的地位。
他还在业余时间继续研究射影几何,并寻找各种经典理论的相对论版本来满足他对狭义相对论的胃口。
狄拉克早期关于量子力学的论文以极为深刻的洞察力和优雅的风格著称。其中许多论文至今看起来仍令人耳目一新,极具现代感。1920年代中后期,自然之书似乎在他面前敞开:他发表了一篇又一篇伟大的论文,共同发现量子变换理论和量子场论、色散理论、密度矩阵和空穴理论,并做出其他几项开创性的贡献。
学者们对狄拉克有如此之多的真知灼见百思不得其解,但他们并未从狄拉克那里获得太多信息,直到20世纪60年代,狄拉克才开始谈论他的早期工作。
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。
狄拉克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。
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。
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。