狄拉克的贡献

题题 目目 狄拉克的贡献 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 院院 系系 专专 业业 1 狄拉克在物理学上的主要贡献 保罗 狄拉克 现代著名的理论物理学家 1933 年诺贝尔物理学奖获得者 1902 年 8 月 8 日生于英国布列斯托尔城 1984 年 10 月 20 日在美国佛罗里达州的达拉哈斯逝世 狄拉克成名较早 青年时代即在物理学界崭露头角 早在他获得博士学位前后 即 1926 年 短短两三年 就对物理学作出了四大贡献 他从 22 岁发表第一篇论文到逝世整整 60 年 始终 居于物理学发展的前列 他的成就几乎影响着现代物理学的所有领域 推动着物理学的不断迅 速前进 1 量子力学的数学和理论的完美表述 怀疑与求实是科学精神的精髓之所在 对陈旧过时的观念不可遏止的挑战冲动 是有创 见科学家的必备气质 而狄拉克正具有这样的天赋气质 1925 年 7 月 28 日 在剑桥卡皮察俱 乐部第 94 次会议上 海森伯介绍了他的新力学 起初 狄拉克对此并没有留下深刻印象 但他后 来阅读关于这一问题的论文时 他突然意识到 这一力学问题包含着打开原子世界秘密的钥匙 并随即把注意力集中到新力学理论中最关键的一点 即量子力学乘法的不可对易性上 他思考 着 要把海伯森的力学纳入哈密顿体系 经过苦苦思索 他以惊人的数学简单地给出了量子泊松 符号 把对易子与泊松括号连接起来的想法是狄拉克在量子力学工作上的出发点 他克服了 横在玻恩 海森伯和约尔丹三人面前的巨大困难 一举完成了构造量子力学的数学形式体系的 工作 海森伯把力学变量与矩阵相对应得出 对于两个变量 p 和 q 顺序相乘得 pq 与反序相 乘得 qp 且 pq 与 qp 不一样 即 pq qp 0 这是很难使人理解的 因为按照牛顿定律来理解 力 学变量的乘积是可以对易的 海森伯说他十分担心这个 不可对易性 问题可能成为他的矩阵 量子力学的致命弱点 一个在当时已经相当有名气的科学家 提出了当时影响量子力学成败的 关键问题 并且承认自己无法解决 狄拉克却以非凡的胆识 他用批判的眼光审视了海森伯的 不可对易 问题 他不受经典力学理论的束缚 抓住科学发现的机遇 寻根问底 10 月的一 个星期天 狄拉克独自到乡下散步 脑子一直在思考那个表示不可对易性的不等于零的对易子 他想到了泊松括号 它与对易子十分相似 只要在经典泊松括号前加上一个系数 ih 2 对易子 就成了它的量子力学类比物 加于矩阵乘法的那些附加条件 可以写成 pq qp h 2 i 这 一精致的形式 这样以来便能为量子力学建立起一个简单的数学方程 它提供了一种处理量 子力学量偏微分的方法 对狄拉克这一崭露头角的成就 海森伯给予了高度评价 他认为狄拉 克关于 量子微分的一般定义和量子条件与泊松括号间的联系 这一研究成果使量子力学大大 前进了一步 2 物质辐射的相互作用理论 狄拉克在 1927 年的两篇论文中 从光的波粒二象性完全协调的观点出发 把电磁场波函数 看作 q 数 然后再纳入正则量子化方案 这样就把电磁场波函数也量子化了 通过这样的二次 量子化 狄拉克建立了一种完备的辐射理论 从量子论出发 把整个爱因斯坦辐射理论推导了 出来 并在完全不依赖于经典类比的情况下 利用二级含时微扰计算 推导出了克莱默 海森 伯色散公式 由于二次量子化方法使得光的波粒二象性问题在正确的基础上得到了圆满解决 这两篇论文被称为量子电动力学的基础和量子场论的萌芽 狄拉克不仅从思想上为量子场论 打下了坚实的基础 而且在实际上完成了电磁场的量子化 3 相对论性电子理论的创立 1927 年 10 月 狄拉克参加了布鲁塞尔的索尔维会议 并作了发言 这次会议的重要议题是 2 量子力学的物理诠释 狄拉克在会上就物理过程的经典描述和量子描述间的差别作了详细评 论 他认为量子描述中的测不准关系与非决定论是自然界中存在的客观过程的一种主观描述 狄拉克不满意克莱因给出的关于相对论性电子理论 因为它会导致负几率 不合乎他对量子力 学的普遍物理诠释 为了得到合乎逻辑的完善理论 狄拉克设法建立一种对时间和空间坐标 来说都是线性的微分方程 这在数学上相当于求得一种线性形式的四项平方和的方根 在解 决这个难题时 狄拉克从泡利的二行二列 矩阵那里得到莫大启示 1928 年 1 月 狄拉克用四 行四列矩阵即 矩阵代替了 矩阵 成功地建立了划时代的相对性电子理论 狄拉克的这一理论为 20 年代量子物理中的主要经验事实 康普顿散射 塞曼效应 电子 自旋 磁矩和索非末精细结构公式等提供了具有相对论不变性的理论框架 伴随着这一巨大 理论的成功 却出现了棘手的负能困难 而负能问题的顺利解决却预言了正电子的存在和创立 了反物质理论 这一伟大贡献和相对论性电子理论虽有联系 但又成为独立的一个理论体系 狄拉克的这两个理论 改变了人们对物质和真空的认识 使 20 世纪的自然观发生了深刻的变化 4 4 正电子的发现和反物质理论的创立正电子的发现和反物质理论的创立 从真理的相对性来看 一个有意义的提问 一个有启迪价值的观察角度的开拓 一种新 方法的创造和应用的尝试 对于人类智慧永恒的积累的贡献 其价值并不低于一次成功的理 论说明 狄拉克对正电子的预言和反物质理论正是以新的观念从新的观察角度 应用新的科 学方法创立的 对于相对论性电子理论中出现的负能困难 狄拉克最初以为真空并非一无所有 它 是所有负能态都已填满而正能全部未被占据的最低能态 它作为背景没有可观察效应 泡利不 相容原理限制了正能态电子向负能态的跃迁 负能态中的空穴被认为是带正电荷的正能粒子 即质子 1931 年 5 月 狄拉克改正了负能态中空穴是质子的看法 他说 这些空穴都是粒子 它们和电子有相同的质量 提出是一种 实验物理还不知道的新粒子 它们是与电子的质 量相同 电荷相反的反粒子 即正电子 预言了正电子的存在 并预言正反粒子成对产生与 成对湮灭 为物质存在的实物形式与辐射形式的相互转换提供了一种具体的机制 1932 年 美国加利福尼亚理工学院的安德逊利用云室拍摄的照片 证实了在宇宙射线中存在 正电子 1933 年 英国的布莱凯特和意大利的澳基亚利尼又在宇宙射线中发现了正 负电子 对的产生 这几位科学家的工作 为狄拉克的发现奠定了实验基础 使得狄拉克的反物质理论 实现了图象 概念 物理解释与实验的完美有效统一 成为 20 世纪最杰出的物理学理论之一 狄拉克的这一理论革新了人类的自然图象 深刻的改变了人类的自然观 古希腊的原子论的代 表人物德莫克利特认为宇宙是由不可分割的粒子 即原子 组成 原子是永恒的 所以整个世界 也是永恒的 原子本身不变化 但能运动 在他看来 虚空是形成万物的始因 原子在数量上是 无限的 原子间仅有大小 形状 次序 位置上的不同 从而构成世界的千差万别 伟大的狄 拉克却以一种具体的物理图象 而非空洞的哲学臆想向人们宣告 根本不存在虚空 所谓真空实 际上是一种充满物质实体的存在形式 同时 他大胆预言的正反粒子成对产生和成对湮灭 已 使基本粒子失去了不朽性和基本性 从而使 原子 概念也土崩瓦解 这样 他彻底改观了原子论 的自然图象 为一种新的以太图象开辟了道路 尤其值得强调的是 狄拉克的新自然图象已成 为量子场论和高能物理的图象基础 没有这种基础 我们当代的科学探索就无法对深邃奥妙的 微观世界进行更深入 更高层次的研究 以上