反粒子理論先鋒～狄拉克

 

反粒子理論先鋒～狄拉克

02-26-2024

 

保羅．狄拉克(Paul Dirac, 1902-1984)是二十世紀最偉大的物理學家之一，他不僅開創量子力學，也是反粒子理論等領域的研究先鋒。身為量子力學先驅，狄拉克毫無疑問是形塑現代世界的關鍵要角，舉凡主宰當前社會的電子學、電腦、通訊及網路科技，無不以他的理論為基礎。

 

狄拉克在邏輯與理性思考方面的天賦，使他躋身百年來最偉大思想家之列；然而，年輕時的他在與旁人交流時幾乎沒有情緒, 極度缺乏親和力，這點也同樣異於常人。他直言自己對其他人、甚至對「人」的感受毫無興趣。「我從小就不懂喜歡或愛為何物。」狄拉克對朋友如此表示。即使長大成人，他亦不尋索這類情感。

 

1902年, 狄拉克生於英國布里斯托，母親是英國人，父親是瑞士人、也是一名以壞脾氣著稱的學校老師。狄拉克和他的手足、母親成天被父親言語霸凌，他父親甚至堅持三個孩子必須以他的母語「法語」和他交談，不准說英語。

 

狄拉克一家總是分開用餐：父親和狄拉克在餐室，說法語；母親和另外兩名手足在廚房，講英語。狄拉克法語說得不流利，每次犯錯必遭父親責罰；於是他很快就學會盡可能少開口，這種沉默寡言的性格一直延續到青年時期。

 

儘管狄拉克學術天分極高，但這份天賦在處理日常瑣事和挑戰方面幾乎派不上用場。人類演化至今並非單靠理智思維行事，而是在情緒的引導及啟發之下進行理性思考；但狄拉克身上僅有冰冷的智力活動，嚴重缺乏喜悅、希望與愛。

 

1934年9月，狄拉克造訪普林斯頓高等研究院。到訪那天，他信步走進一家名為「巴爾的摩午餐館」的餐廳用餐，在那兒遇見了匈牙利籍、同為物理學家的尤金．維格納（Eugene Wigner）。與尤金同桌的還有一名正在抽菸、打扮入時的女子——她是維格納的妹妹瑪姬。瑪姬剛離婚，帶著兩個年幼的孩子，她個性活潑，對科學一竅不通。多年後，瑪姬回憶道，當年的狄拉克骨瘦如柴，失魂落魄，看起來有點悲傷又焦慮脆弱，令她有些不捨，於是她請哥哥邀狄拉克一道用餐。

 

瑪姬可謂狄拉克的「反粒子」,她是個性情中人，健談、浮躁，有些附庸風雅；反觀他則安靜、客觀，慎思熟慮。不過在那日午餐之後，狄拉克與瑪姬不時相約晚餐，兩人的友情即隨著多次「冰淇淋蘇打與龍蝦美饌之約而日益深刻」。數月之後，瑪姬返回布達佩斯，狄拉克也回到倫敦。

 

回國之後，瑪姬每隔幾天就寫信給狄拉克。一封封長信滿是各種新聞消息、流言八卦，但最多的還是心情絮語。狄拉克大概幾週才回信一次，寥寥數語。

「恐怕我不像您這麼會寫信。」他寫道。

「或許是我的感受過於貧乏之故吧。」

兩人的溝通不良令瑪姬倍感挫折，狄拉克卻不明白她因何苦惱。他倆繼續維持柏拉圖式的關係，書信往返、偶爾見面，彼此的羈絆也越來越深。

某次從布達佩斯拜訪瑪姬回來以後，狄拉克寫道：

「那天離開妳以後，我覺得很難過，此刻也仍然非常想念妳。我不明白自己怎麼會這樣。通常我跟別人分開以後，不太會想念對方。」

在那之後不久，兩人於1937年1月結為連理，狄拉克也領養瑪姬的兩個孩子。狄拉克在婚姻生活中體會到他曾以為不可能擁有的幸福快樂。狄拉克一家和樂融融，直到1984年狄拉克過世；那時，他和瑪姬的50周年結婚紀念日才剛過不久。

 

狄拉克在某封信上寫道：「瑪姬，我親愛的，妳是我最心愛的人。妳把我的人生變得十分美好，使我更像個人。」

 

狄拉克對瑪姬的情感喚醒了他的心。早年，無法觸及情感的他頂多只是「半個人」，然而在找到瑪姬、找回他自己的情感以後，他看世界的眼光不同了，跟其他人的互動方式改變了，也為自己的人生做了不一樣的決定。據同事所言，狄拉克簡直變了一個人。

 

一旦找回情緒，狄拉克開始喜歡與人作伴，而且最最重要的是，他也察覺情緒對他的專業思考是有好處的。這是狄拉克在精神層次的重要頓悟。往後數十年間，曾有許多舉世聞名的物理學家向這位大師請益，請教他物理研究的成功祕訣。狄拉克回答「最重要的是：聽從你的情感。」

 

1921 年，電機系畢業的狄拉克原本打算順理成章當個工程師，無奈英國經濟尚未自戰後復甦，竟找不到工作。他權衡之下乾脆回校再讀數學系，既不用學費，還有機會拿獎學金。兩年後他順利取得學位，也用獎學金再到劍橋大學攻讀物理。這一讀，竟加速了量子力學的進展。

 

原本鍾情於相對論的狄拉克在老師建議下接觸剛萌芽的量子力學，他很快就看出海森堡的矩陣力學與薛丁格的波動方程式實為一體之兩面。1928年更進一步將薛丁格方程式結合狹義相對論，提出影響深遠的狄拉克方程式，開創了量子電動力學，為量子力學奠定重要的基礎。他並根據方程式預言反物質的存在，後來安德森果然於 1932 年發現電子的反物質──正子，第二年，年僅 31 歲的狄拉克因此與薛丁格共同獲頒諾貝爾物理獎。

 

狄拉克雖然年紀輕輕就綻放光芒，他本人卻一直相當低調內斂。例如他原本打算拒領諾貝爾獎以免成為眾人目光焦點，直到拉塞福勸誡他若如此做會更出名，才打消原意。波耳曾形容狄拉克在所有的物理學家中「擁有最純淨的靈魂」；除了他生活簡樸，毫不重視物質享受，也因為他始終堅持科學的準確與美感。狄拉克的堅持甚至已經內化到一種渾然天成的執拗，以致傳出許多有趣的軼事……。

 

有一次狄拉克演講完後讓聽眾提問，一人舉手說：「我不懂黑板右上方那條方程式。」狄拉克卻一語不發的看著他超過一分鐘。主持人為了打破尷尬，問狄拉克是否回答一下那人的問題，只見狄拉克搖搖頭說：「那並不是個問題，那只是評語。」

 

狄拉克到普林斯頓當訪問學者時接受了記者採訪，他擔心報社不等他寄回校稿就逕行刊出訪談內容，於是到隔壁研究室問兩位同事該怎麼辦。其中一位建議他先發函給報社要求「不得以任何形式發表」，狄拉克卻沉默以對，經過一段時間頗久的大眼瞪小眼，同事兩人只好不管他，重拾原先被他打斷的話題。約過了十五分鐘，狄拉克終於說話了：「你們不覺得『以任何形式』這幾個字是多餘的嗎？」

 

或許是這種嚴謹的態度所致，狄拉克也是有名的省話一哥。根據普林斯頓的同僚，每次狄拉克講電話時，嘴巴幾乎只會吐出 ”Yes”、”No”、”I don’t know” 這幾個字。他在劍橋大學的同事也曾開玩笑地定義了「一個小時說一個字」為一個「狄拉克」單位。難怪波耳也說他是「最奇怪的人」；而這個怪咖可不是除了科學以外毫無樂趣，他閱讀廣泛，從世界文學名著到間諜小說都讀；喜歡看米老鼠卡通，還是女歌星雪兒的粉絲！

 

擇善固執的狄拉克因為反對在量子力學中使用「重整化」這個消除無限大的計算技巧，而與研究主流漸行漸遠，終其一生未能再有重大的研究成果。不過，如果他的另一項預言──磁單極的存在──被證實的話，那又另當別論了。