第五百零二章 狄拉克的方程游戏
        本文是2004年诺贝尔奖得主、著名理论物理学家维尔切克（F.Wilczeck）所著的高级科普著作《神奇的现实》（FantasticRealities）中的部分章节。由于各种原因，这些章节在译著出版时被删除了。但其内容于普及和深化理解现代物理却是非常重要的。我们得到了原作者的首肯，从舍弃的章节中挑选了部分章节翻译发表。现在刊登的这一部分，专门讨论了量子场论的发生与发展。可称之为量子场论通俗入门。

        “不可否认：这些数学公式是独立存在的，并且有着它们自己的智能；它们比我们更聪明，甚至比发现它的人更聪明；我们从它们那里得到的要比原来赋予它们的多得多。”

        ——H.赫兹，关于麦克斯韦的电磁学方程

        “我做的大量工作只不过是用方程玩游戏，看看它们能给出什么。”

        ——P.A.M.狄拉克

        “它恰恰给出了人们所需要的电子的特性。这对我来讲真是一笔出乎意料的奖金，完全出乎意料。”

        ——P.A.M.狄拉克关于狄拉克方程

        在所有的物理学方程中，狄拉克方程或许是最“不可思议”的。它的推导最直截了当，极少受实验的约束，是一个具有最奇异和最惊人影响的方程。

        1928年初（原始论文的接收日期是1月2日），一个刚从电力工程转行到理论物理的25岁的年青人保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克（1902~1984）推导出了一个引人注目的方程，这个方程后来一直被称之为狄拉克方程。狄拉克的目标非常具体，即瞄准了当时的热门课题。他想写出一个能比已有的一些方程更精确地描述电子行为的方程。因为那些方程要么只考虑了狭义相对论，要么仅考虑了量子力学，但从未两者兼顾。当时一些更有名气的和更有经验的物理学家也正在研究同样的课题。

        不同于那些物理学家，也不同于伟大的经典物理学家牛顿和麦克斯韦，狄拉克并没有从对实验事实进行详细的研究开始。他只是利用几个基本的事实和所谓的理论上的必要条件来指导研究工作，其中的一些条件现在已经知道是错误的。狄拉克试图用一个简洁的、数学上自洽的方案来具体表达这些原理。诚如他所言，通过“方程游戏”，他无意中发现了一个特别简单、优美的答案。当然，这就是我们现在称之为狄拉克方程的方程式。

        狄拉克方程的一些推论可与已有的实验观测数据做比较。它们很有效，解释了一些用别的方法都极难理解的结果。特别是下面就要说到的，狄拉克方程成功地预言了电子永不停息地自旋，因而它们相当于小磁铁棒。它甚至预言了自旋的速率和磁性强度。但有些结果似乎与显而易见的事实不一致。狄拉克方程明显地包含了这样的一些解，它们似乎描写常规的原子在一瞬间自发地消失成光猝发的方式。

        几年的时间里，狄拉克和其他物理学家都在与一个异乎寻常的佯谬奋争。一个方程因其能正确无误地解释很多精确的实验结果且又能极端漂亮地去引导物理而被认为是“显然正确”的——但又怎么会具有明显灾难性的错误呢？

        狄拉克方程已成为基础物理赖以运转的支柱。在保持对其数学形式信任的同时，物理学家不得不重新审视方程中那些符号的意义。这是令人困惑的、伤透脑筋的重新审视，在其间，沃纳·海森堡在给他的朋友沃尔夫冈·泡利的信中写道，“现代物理最可悲的篇章就是狄拉克理论和允许其存在”，并且“为了不会因狄拉克而烦恼，我决定改变一下去做作些别的事情……”。正是在这个时刻，真正的现代物理开始了。

        一个引人瞩目的结果是对反物质的预言——更精确地讲，应该存在一种新的粒子，它具有与电子相同的质量和相反的电荷，并且能与电子湮灭成纯能量。1932年，卡尔·安德森通过细心地检查宇宙射线径迹很快地找到了这种类型的粒子。

        更为深入涉及的结果是我们将完全重写描述物质的基础。在这种新物理中，粒子只是瞬息存在。它们可以自由地产生和消灭；确实，它们的短暂存在和转化是一切相互作用的源泉。真正基础的东西是无所不在且具转换能力的以太：量子场。这些就是构成我们极其成功的现代物质理论基础（经常被毫无诗意地称为标准模型）的概念。尽管狄拉克方程本身被彻底地重新解释并广泛地推广，但它从没被抛弃，仍是我们理解自然的核心支柱。

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