1.量子的性格

好像只是一瞬间，物理学便从“传统”跨入了“现代”。从1905年阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论到1925—1926年量子力学的发展仅用了20年。这两个物理学的里程碑中充满了引人入胜的故事。爱因斯坦的成就通常被认为是个人英雄主义的史诗篇章。而量子力学的创立却是一个全明星阵容，与其说是一部麦尔维尔（Melville）的《白鲸》（ Moby Dick ），不如说是海因里希·伯尔（Heinrich Böll）的《女士及众生相》（ Group Portrait with Lady ）[此处向玛丽·居里（Marie Curie）致敬]。

让我们来看一下这个全明星阵容：教父尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）穿着像个银行家，却像先知一样喃喃自语。沃纳·海森伯，一个善于交际的巴伐利亚人，在任何政党中都如鱼得水，喜欢在清晨弹奏贝多芬钢琴奏鸣曲，或穿着皮短裤在山中漫步。年轻的法国贵族路易斯·德布罗意（Louis de Broglie），原本是一位研究文学和历史的年轻人，却突然出现，“肆无忌惮”地提出了物质波的概念。衣冠楚楚的奥地利人埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）过着令人惊讶的波希米亚式生活，风流浪漫，他与许多年轻女士维持着一连串的绯闻逸事，以至于他的传记作者不得不在索引中为其列出“洛丽塔情结”名单，更匪夷所思的是，他与他的妻子一起抚养了他与他的一位助手的妻子生的孩子。最后，还有些喜欢恶作剧的年轻人：比如杰出的俄罗斯物理学家列夫·朗道（Lev Landau），以及尖酸刻薄的沃尔夫冈·泡利。

量子力学的创造者们形成了一个关系紧密的社群。他们除了一起在玻尔的哥本哈根理论物理研究所做访问学者，或参加企业家兼慈善家欧内斯特·索尔维（Ernest Solvay）赞助的索尔维会议之外，也各自保持着通信往来，数以万计的信件被保存了下来。多年来，之后的学者们尽职尽责地清点、归档、制成缩微胶片并翻译这些信件，并把这些书信作为珍贵的原始资料认真地加以研究。 然而，后来的人们逐渐把注意力都集中在了几个量子物理学重要创立者上，比如，玻尔、海森伯、薛定谔、马克斯·玻恩（Max Born）等，市面上有很多他们的传记和长篇大论。很少有人关注到杰出的英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac），所有在玻尔的哥本哈根研究所访问过的奇才中，玻尔说沉默寡言的狄拉克是“最奇怪的一个”。

作为一个年轻人，狄拉克曾梦想学习相对论。然而，当他1923年来到剑桥准备攻读博士学位时，这个专业已经不再招收学生了，于是，狄拉克被分配给拉尔夫·福勒（Ralph Fowler）——当时英国最杰出的原子物理学专家。当时，量子理论仍然只是个在探索中并不成熟的拼凑模型，此前的几十年，整个欧洲的物理学家一直专注于从微观尺度理解物质的努力。当时的方法是建立在已知的物理定律之上，比如将原子中的电子理解成类似太阳系行星的运动，然后，附加上这样或那样的特别规则，以防止其方程崩溃。

1925年9月，狄拉克第一次发现了一种新的方法。沃纳·海森伯向狄拉克的导师福勒发了一篇新文章的样稿，福勒将样稿转交给了狄拉克，此时狄拉克正在布里斯托尔的家中度暑假，福勒附上便条：“我很想听听你的意见。” 这篇文章中，海森伯建立了一种新的量子力学理论，一种描述物质和辐射的第一性原理，而不是他老师那一代人传下来的修修补补的东西。海森伯相信，依靠从经典物理学中获取的直觉或模型是错误的。他认为，在原子核中运行的电子并不像围绕太阳运行的行星，电子的路径根本不可能准确观测到。他在这篇短篇论文的开篇中就宣称：最好的前进道路是构建一个新的理论，“在这个理论中，仅包含可观察的物理量之间的关系。”在海森伯的新构想中，离散数列取代了物理学家方程中通常的连续可变量，他用可观测到的量填充了他的数列，包括一些外部能量来源激发原子发出的光的颜色和亮度。

在翻阅海森伯文章的证明时，狄拉克并没有关注开场谈到的——坚持只使用可观测物理量这一哲学挑战，反而是文章后面的内容引起了狄拉克的兴趣。海森伯新计划中的一些数列表现出奇怪的特点：它们的乘积取决于它们相乘的顺序，A乘以B并不等于B乘以A。与海森伯不同，狄拉克拥有纯数学学位：这种非常规的乘法规则使他想起了数学中的类似表达，而且可以表达得更先进、更优雅。比起海森伯关于只关注可观测物理量的突破性观点，这种数学的类比关系更能引导狄拉克的好奇心向前探索。9个月后，他完成了论文，使用数学类比法重新梳理和概括了海森伯的工作。

那时，海森伯的量子力学解释方法并不是唯一的。1926年冬天，比海森伯和狄拉克大10岁的埃尔温·薛定谔独立地产生了一个新的解释方法，而且他的解释方法要保守得多（一点儿不像他的个人生活风格）。不同于海森伯使用的对大多数物理学家来说陌生的离散数学数列的方法，薛定谔借用了熟悉的波动学，这种理论原本用来描述池塘表面的水波或移动的警笛声等现象。海森伯和薛定谔双方因量子力学的解释方法而陷入了激烈的争论中。在一篇早期关于量子波动力学的文章中，薛定谔写道：“我因为要陷在这种对比中而感到非常沮丧。”海森伯则在给朋友的一封信中说：“他越想薛定谔的理论，就越觉得恶心。”

狄拉克的论文为他赢得了奖学金，让他在1926—1927学年来到欧洲大陆。他的第一站是玻尔在哥本哈根的研究所。在那里，他不太理会同学和同事，自己一个人整天待在图书馆里，试图证明海森伯和薛定谔的方法在数学上是等价的。虽然其他人也提出了类似等价的独立证明，但最终大多数物理学家认为狄拉克的方法是最有力和优雅的。

狄拉克证明了一连串令人叹为观止的结论。在1927年1月离开玻尔的研究所之前，他把量子表达形式从原子领域扩展到光的范围，包括带电粒子与辐射的相互作用，从而创造了一个全新的物理理论。他称为“量子电动力学”（QED）。接下来，他开始修正海森伯和薛定谔的方程与爱因斯坦狭义相对论的一致性，使其即使物体在接近光速时也能保持自洽。1927年秋天狄拉克回到剑桥后（被选为圣约翰学院的研究员），他推导出电子的相对论方程，澄清了多年来一直困扰着物理学家的量子“自旋”概念。

1931年春天，在海森伯和泡利对狄拉克方程中奇怪的数学特征值不断的追问下，狄拉克大胆地预言了反物质的存在：反物质粒子与我们周围看到的普通粒子对应，质量相同，但电荷相反。在两年内，加州大学和剑桥大学的物理学家们做了大量实验，其实验数据支持了狄拉克的猜想。就此，狄拉克开创了有史以来最为精确的物理理论，用QED理论预测的数据与实验数据匹配度精确到了小数点后11位，两者的误差今天更是达到万亿分之一。

对狄拉克来说，数学是美的，而美是通向真理最可靠的方向。“让方程式拥有美比让它们符合实验数据更重要。”他总是喜欢重复这句话（今天弦理论的支持者也会借用他这句话）。作为精准的坚持者，狄拉克形成一种优雅甚至极简的风格：同僚们时常抱怨说，他把他文章的单词都删没了。每当演讲结束，被问及如何证明他的观点时，他经常是逐字逐句地重复他之前说的话。他不断地打磨他公式中的数学符号——现在的物理学家普遍如此——以达到最简洁表达。他的风格完美地体现在他著名的教科书《量子力学原理》中，该书于1930年首次出版，出版后马上便成为一部经典著作。90年后，这本书仍在印刷中，仍备受尊敬。

与科学史上一些不幸人物的命运不同，狄拉克的贡献很早就得到了广泛的认可，因此他飞速晋升，很快便成为知名教授。他在27岁时被选入皇家学会（更罕见的是，他在第一次提名时便当选）。1932年7月，就在他30岁生日的时候，狄拉克被任命为剑桥大学的卢卡斯数学教授——这个席位曾经属于艾萨克·牛顿，后来又是被斯蒂芬·霍金所拥有的至高无上的殊荣。他与薛定谔分享了1933年的诺贝尔奖，并且是诺贝尔奖最年轻的获奖者之一。虽然他不是作为一个物理学家完成他的成就，但他在量子理论和宇宙学方面的贡献影响了众多优秀成果的诞生，其中大多数工作是之后的物理学家完成的，他论文发表后的五年内成为有记录以来最辉煌、最深远的科学创造力爆发期。

在其他方面，狄拉克则比较晚熟。他似乎在30岁出头的时候才开始对政治感兴趣，那时他对“苏联经验”产生了浓厚的兴趣。20世纪30年代，他多次前往苏联，与著名物理学家合作。在一次纪念诺贝尔奖的宴会上，他发表了关于在全球经济危机中保护工人工资的重要性的现场演讲，令来宾们大为震惊。

1939年以后，他拒绝参与战争，尽管他的许多物理学和数学同事都支持这一事业。但他为“管合金”（Tube Alloys）项目——英国早期的核武器计划——进行过计算，并至少与德国出生的英国物理学家克劳斯·福克斯（Klaus Fuchs）进行了一次磋商，后者后来成为苏联间谍，在“曼哈顿计划”中从事间谍活动。但是，当洛斯阿拉莫斯实验室的科学主任罗伯特·奥本海默邀请狄拉克全职参与“曼哈顿计划”时，他拒绝了。

狄拉克的左派同情主义在战后带来了一些问题。1954年4月，在美国反共歇斯底里高潮时期，他被拒签进入美国。（这次事件正值奥本海默在美国原子能委员会人事安全委员会接受令自己难堪的审讯时，尽管奥本海默的案件当时仍是秘密的。） 近20年后，当狄拉克计划在美国退休定居时，他被禁止接受一些大学的教授职位邀请，因为他曾长期担任苏联科学院院士。

然而，与狄拉克个人生活的艰难相比，这些公开的挫折和尴尬是微不足道的，正如格雷姆·法米罗（Graham Farmelo）写的狄拉克传记《量子怪杰：保罗·狄拉克传》（ The Strangest Man ）（2009）中所写到的，在了解狄拉克个人生活的艰难困苦后，更显示出他的成功是多么杰出与难能可贵。1925年秋天，在他接到海森伯样稿前6个月，他的哥哥费利克斯自杀了。他们二人都曾在布里斯托尔的商学院和布里斯托尔大学工程系工程专业学习；他们的父亲在邻近的中学教法语。 年复一年，费利克斯看着弟弟在学术上不断超越自己，他们的父亲却很少关注费利克斯的需求，多次拒绝支持他学习医学。费利克斯自杀后，狄拉克将他的死归咎于他的父亲。

狄拉克的家庭一直很不幸。他冷酷而专制的父亲与母亲吵了几十年。法米罗通过一些家庭信件记录了狄拉克与父母的关系，狄拉克是他的母亲生活的唯一慰藉，是她生活的希望，她对他的小儿子有深深的依赖，但这似乎加深了狄拉克的自闭。在这个以绅士著称的国家里，狄拉克成了一个不寻常的沉默者。[在剑桥，“狄拉克”（Dirac）是一个测量单位，代表每小时只说一个单词。]正如法米罗所说，“他是人们见过的有说话能力的人中用词最少的”。 狄拉克在晚年解释说，他的父亲强迫他从小在餐桌上只能说法语，但由于缺乏语言天赋，他经常感到紧张难过，所以，他长大后觉得保持沉默是最好的选择。对狄拉克来说，吃饭总是让他紧张，这让他患上了严重的消化不良，他一生都受此折磨。

这样的家庭情况，加上狄拉克出名的怪异举止，不得不让人怀疑狄拉克在心理上是否存在问题。回顾性诊断是我们这个时代常用的一种消遣方式。比如几位学者认为，亚伯拉罕·林肯过于严肃且喜怒无常，是因为他患有临床抑郁症。艾萨克·牛顿的父亲在他出生前就去世了，母亲再婚后，在他3岁时就抛弃了他，所以他一生因缺乏童年安全依恋而性格怪僻——这来自弗兰克·曼努埃尔（Frank Manuel）在1968年写的传记《艾萨克·牛顿的肖像》（ A Portrait of Isaac Newton ） 一书的总结。[这些诊断也不仅限于历史人物，我的妻子，一位心理学家，对俄罗斯伟大的小说作品经常嗤之以鼻。她说，如果拉斯柯尔尼科夫（Raskolnikov）能够定期服用适量的精神药物，《罪与罚》这本书也许就会有一个快乐的结局。]

法米罗在传记的结尾部分使用了相似的观点。他着重描写了一些自闭症相关的特征——对食物和噪声敏感，极度沉默和笨拙的社交能力，痴迷于一些神秘的话题等，每次法米罗都补充说，狄拉克出现上述情况可能不是巧合。最后，他得出结论：“我相信，狄拉克这种孤独症患者的行为特征对于成为一名伟大的理论物理学家至关重要。”

对于这样的观点，人们有很大的分歧。当然，法米罗确实挖掘了一手的、大量的狄拉克的家庭信件，但他对这些信件中的事实信息的判断，肯定不能等同于训练有素的心理医生的专业检查和问诊。还有一个被忽视的理论假设，即今天的精神病诊断能否超越时间和地点去使用？林肯同时代的人经常描述的“忧郁症”（melancholia，字面翻译为黑胆汁病）真的就是今天的“临床抑郁症”（clinical depression）吗？能按照今天的理解去解释过去的疾病吗？一个时代定义的神经错乱，可能在另一个时代只被解释为怪僻。 美国精神医学学会的《精神疾病诊断和统计手册》（ Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders ）作为精神病分类的行业标准，还会每隔几十年就大范围地调整条目中的解释内容呢，为什么有些人总要把天才跟心理疾病扯上关系呢？也许，这只是为了让我们自己的内心释然。难怪我们没能成为牛顿、林肯或狄拉克那样伟大的人，我们安慰自己，他们不是比我们聪明，是他们的大脑和我们的大脑不一样。

有意思的是，我们是否同意法米罗这种给历史人物下心理诊断的观点，其实取决于我们是否认同海森伯的观点：只关注可观测到的信息。毕竟，无论是“忧郁症”（melancholia）还是“自闭症”（autism），简单来说，似乎只是作者自己的观点。在法米罗的书出版四年后，《精神疾病诊断和统计手册》的编辑们就将“自闭症”（autism）改为了“自闭症谱系障碍”（autism spectrum disorder），随之而来的便是新的定义和诊断的改变。

撇开心理诊断不谈，法米罗的书提出了一个不同以往的观点，即狄拉克的特殊思维定式对他的理论发展起到了重要的作用。量子理论形成近一个世纪后，狄拉克的理论仍然是科学家对自然最成功、最精确的描述。然而，这确实是一个奇怪的极简主义描述，使得物理学家很难作出选择，例如，对于一个特定的粒子，在给定的时刻，我们无法同时知道它在哪儿以及它要去哪里。狄拉克表述的严格性和简洁性以及他少言寡语的特点，直接影响了之后几代物理学家讨论量子世界的风格。尽管取得了惊人的成功，但量子力学给我们的感觉总是时而好像恍然大悟，最终还是让人晕头转向，一直保持着一副怪异的样子。这不正像极了狄拉克本人吗？ VhMwmiOzEXAr0x3a9RtQpsnkrV6CDITPRTRcNrenMEbvkuZG7YGc6oo2uUs9fd24