但是,如果說在1925年,歐洲大部分物理學家都還對海森堡,波恩和約爾當的力學一知半解的話,那我們也不得不說,其中有一個非常顯著的例外,他就是保羅·狄拉克。在量子力學大發展的年代,哥本哈根,哥廷根以及慕尼黑三地搶盡了風頭,狄拉克的崛起總算也為老牌的劍橋挽回了一點顏麵。
保羅·埃德裏安·莫裏斯·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)於1902年8月8日出生於英國布裏斯托爾港。他的父親是瑞士人,當時是一位法語教師,狄拉克是家裏的第二個孩子。許多大物理學家的童年教育都是多姿多彩的,普朗克富有音樂天才,玻爾熱愛足球運動,愛因斯坦的小提琴和海森堡的鋼琴有口皆碑,薛定諤古典文學素養極佳……但狄拉克的童年顯然要悲慘許多。他父親是一位非常嚴肅而刻板的人,給保羅製定了眾多的嚴格規矩,比如他規定保羅隻能和他講法語(他認為這樣才能學好這種語言),於是當保羅無法表達自己的時候,隻好選擇沉默。在小狄拉克的童年裏,音樂、文學、體育、藝術顯然都和他無緣,社交活動也幾乎沒有。這一切把狄拉克塑造成了一個沉默寡言,喜好孤獨,淡泊名利,在許多人眼裏顯得geeky的人,對於異性的敬而遠之更使人們把他和那位古怪的卡文迪許相提並論。在狄拉克獲諾貝爾獎之後,英國的報紙把他描述成“一位害怕所有女性的天才”。
有一個關於狄拉克的八卦是這樣說的:1929年,海森堡和狄拉克從美國去日本講課。在船上海森堡不停地和女孩跳舞,而狄拉克則一直坐在旁邊看。過了很長時間,狄拉克終於忍不住問海森堡:“你幹嗎要跳舞呢?”海森堡說女孩子都不錯,幹嘛不跳呢?狄拉克想了半天,小心翼翼地問:“可是,海森堡,你在跳舞之前怎麼就能預先知道她們都不錯呢?”
另一個流傳很廣的笑話:有一次狄拉克在某大學演講,講完後一個觀眾站起來說:“狄拉克教授,我不明白你那個公式是如何推導出來的。”狄拉克看著他久久地不說話,主持人不得不提醒他,他還沒有回答問題。“回答什麼問題?”狄拉克奇怪地說,“他剛剛說的是一個陳述句,不是一個疑問句。”
好了,八卦到此為止,我們言歸正傳。1921年,狄拉克從布裏斯托爾大學電機工程係畢業,卻恰逢經濟大蕭條,結果沒法找到工作。事實上,很難說他是否會成為一個出色的工程師,狄拉克顯然長於理論而拙於實驗。不過幸運的是,布裏斯托爾大學數學係又給了他一個免費進修數學的機會,2年後,狄拉克轉到劍橋,開始了人生的新篇章。
我們在上麵說到,1925年秋天,當海森堡在赫爾格蘭島作出了他的突破後,他獲得波恩的批準來到劍橋講學。當時海森堡對自己的發現心中還沒有底,所以沒有在公開場合提到自己這方麵的工作,不過7月28號,他參加了所謂“卡皮察俱樂部”的一次活動。卡皮察(P.L.Kapitsa)是一位年輕的蘇聯學生,當時在劍橋跟隨盧瑟福工作。他感到英國的學術活動太刻板,便自己組織了一個俱樂部,在晚上聚會,報告和討論有關物理學的最新進展。我們在前麵討論盧瑟福的時候提到過卡皮察的名字,他後來也獲得了諾貝爾獎。
狄拉克也是卡皮察俱樂部的成員之一,他當時不在劍橋,所以沒有參加這個聚會。不過他的導師福勒(William Alfred Fowler)參加了,而且大概在和海森堡的課後討論中,得知他已經發明了一種全新的理論來解釋原子光譜問題。後來海森堡把他的證明寄給了福勒,而福勒給了狄拉克一個複本。這一開始沒有引起狄拉克的重視,不過大概一個禮拜後,他重新審視海森堡的論文,這下他把握住了其中的精髓:別的都是細枝末節,隻有一件事是重要的,那就是我們那奇怪的矩陣乘法規則:p×q ≠ q×p。
飯後閑話:約爾當
恩斯特·帕斯庫爾·約爾當(Ernst Pascual Jordan)出生於漢諾威。在我們的史話裏已經提到,他是物理史上兩篇重要的論文《論量子力學》I和II的作者之一,可以說也是量子力學的主要創立者。但是,他的名聲顯然及不上波恩或者海森堡。
這裏麵的原因顯然也是多方麵的,1925年,約爾當才22歲,無論從資格還是名聲來說,都遠遠及不上元老級的波恩和少年成名的海森堡。當時和他一起做出貢獻的那些人,後來都變得如此著名:波恩,海森堡,泡利,他們的光輝耀眼,把約爾當完全給蓋住了。
從約爾當本人來說,他是一個害羞和內向的人,說話有口吃的毛病,總是結結巴巴的,所以他很少授課或發表演講。更嚴重的是,約爾當在二戰期間站到了希特勒的一邊,成為一個納粹的同情者,被指責曾經告密。這大大損害了他的聲名。
約爾當是一個作出了許多偉大成就的科學家。除了創立了基本的矩陣力學形式,為量子論打下基礎之外,他同樣在量子場論,電子自旋,量子電動力學中作出了巨大的貢獻。他是最先證明海森堡和薛定諤體係同等性的人之一,他發明了約爾當代數,後來又廣泛涉足生物學、心理學和運動學。他曾被提名為諾貝爾獎得主,卻沒有成功。約爾當後來顯然也對自己的成就被低估有些惱火,1964年,他聲稱《論量子力學》一文其實幾乎都是他一個人的貢獻——波恩那時候病了。這引起了廣泛的爭議,不過許多人顯然同意,約爾當的貢獻應當得到更多的承認。
p×q ≠ q×p。如果說狄拉克比別人天才在什麼地方,那就是他可以一眼就看出這才是海森堡體係的精髓。那個時候,波恩和約爾當還在苦苦地鑽研討厭的矩陣,為了建立起新的物理大廈而努力地搬運著這種龐大而又沉重的表格式方磚,而他們的文章尚未發表。但狄拉克是不想做這種苦力的,他輕易地透過海森堡的表格,把握住了這種代數的實質。不遵守交換率,這讓我想起了什麼?狄拉克的腦海裏閃過一個名詞,他以前在上某一門動力學課的時候,似乎聽說過一種運算,同樣不符合乘法交換率。但他還不是十分確定,他甚至連那種運算的定義都給忘了。那天是星期天,所有的圖書館都關門了,這讓狄拉克急得像熱鍋上的螞蟻。第二天一早,圖書館剛剛開門,他就衝了進去,果然,那正是他所要的東西:它的名字叫做“泊鬆括號”。