保罗·狄拉克

美国普罗米修斯:奥本海默的胜利与悲剧

保罗·狄拉克既是现代物理学的重要奠基者,也是映照J.罗伯特·奥本海默的鲜明参照。他的数学研究帮助塑造了量子理论,并通过其对电子的含义,促成了反物质的预言。在他们的友谊中,两人的对照与共同的智识热忱同样鲜明——狄拉克几乎只专注于物理学,而奥本海默则自在地穿梭于科学、文学、音乐和艺术之间。

初识与量子力学

奥本海默于1926年春天初次见到狄拉克;当时狄拉克是一位年轻物理学家,即将完成在剑桥大学的博士学业。他已在量子力学领域作出了开创性贡献。奥本海默钦佩他的研究,同时也意识到这些成果并不容易理解;他形容说:“不容易理解[而他]并不在意别人是否理解。我觉得他真是了不起。”不过,他最初的反应或许没那么钦佩——他也曾对杰弗里斯·怀曼说,“他觉得[狄拉克]成不了什么气候。”这些回忆之间的反差,呈现的是两人相识之初的些许不确定,而非简单直接的英雄崇拜。

量子力学正成为物理学家讨论的核心议题。奥本海默参加了卡皮察俱乐部的讨论;这是一个以创办者彼得·卡皮察命名的非正式团体。他也接触到维尔纳·海森堡和埃尔温·薛定谔各自提出的、彼此竞争的新理论表述。狄拉克属于这个迅速成形的智识世界。书中指出他的工作具有开创性,同时也强调其艰深之处——他的思想并非以便于讲解的形式呈现。他的声誉部分源于他致力于数学问题,却并不把易于理解视为首要考虑。

哥廷根——友谊与差异

狄拉克于1927年冬季学期来到哥廷根,在卡里奥家族别墅租了一间房,奥本海默也住在那里。对奥本海默而言,狄拉克的到来是一场非同寻常的智识盛事。回忆这段经历时,他称之为“我一生中最激动人心的时光”,因为狄拉克把一篇关于辐射量子理论的论文证明稿交给了他。他们的联系建立在对新物理学的热情之上,但两人的交流也显露出截然不同的观念——思想生活应当包含些什么。

狄拉克不解奥本海默为何在研究物理学之余还写诗。他质疑这两种活动如何能并存——在他看来,物理学旨在解释此前未知的事物,而诗歌做的却恰恰相反。奥本海默笑着应对这一质疑。他明白狄拉克的生活以科学为中心,而自己的兴趣则广泛得多。这种差异并不只是对休闲活动看法不同,它展现了两种彼此竞争的智识气质——狄拉克专注于单一学科,奥本海默则热衷于跨越不同知识与表达形式。

奥本海默在文学和艺术方面的投入相当深厚,因此在他们漫长的散步中,这些兴趣一再成为话题。在哥廷根,他读了保罗·克洛岱尔、F.斯科特·菲茨杰拉德、安东·契诃夫、约翰·荷尔德林和斯特凡·茨威格的作品。得知两位朋友在读意大利文版的但丁作品后,他从咖啡馆消失了一个月,回来时已经能够大声朗读但丁。狄拉克对此不以为然,认为这纯属浪费时间;他也不赞成奥本海默把注意力放在音乐和一批绘画上。奥本海默觉得,朋友试图引导他远离非理性事物的种种努力颇为有趣。这些事例让他们的差异具体可见——狄拉克通过排除其他事物来坚持智识纪律,奥本海默则把广泛涉猎视为自己智识生活的一部分。

狄拉克研究的科学影响

他们风格迥异,也对物理学产生了实际影响。1930年2月14日,奥本海默完成了《论电子和质子的理论》,其中借鉴了狄拉克的电子方程。奥本海默认为,该方程意味着存在一种带正电、质量与电子相同的对应粒子。他推断,这种粒子不可能是质子;他把预言中的粒子称为反电子,也就是正电子。狄拉克本人并未从方程中得出这一重要推论;他承认奥本海默对此洞见的贡献,随后也开始考虑一种质量与电子相同、但电荷相反的新粒子。

这一假说起初难以令人接受。沃尔夫冈·泡利否定了它;据说尼尔斯·玻尔不仅持怀疑态度,而且难以置信。1932年,实验物理学家卡尔·安德森证实了正电子的存在;在此两年前,奥本海默的计算已指向它。书中呈现的狄拉克研究因此并非一项孤立成就,而是理论交流链条的一环——他的方程提供了基础,奥本海默识别出其含义,实验则证实了预言中的粒子。这段经历清楚展现了他们的智识关系——发现既来自原创的理论构想,也来自对理论的阐释。

在描述奥本海默更广泛的研究习惯时,狄拉克也起到了对照作用。奥本海默迅速从一个问题转向另一个问题,常常能够找到富有成果的方向,却不一定留下来完成每个细节。例如,他与狄拉克在氢原子能级问题上的分歧,使奥本海默的论文未能得出定论;多年后,威利斯·兰姆通过实验研究解决了这个问题,并测得兰姆位移。这种比较并没有削弱狄拉克的重要性,而是说明理论物理学中有多种不同方法——数学驾驭能力、敏锐而迅速的物理直觉,以及细致的实验求证,都能以不同方式推动同一新兴领域的发展。

高等研究院与狄拉克一贯的性格

在高等研究院,狄拉克独特的习惯成为一幅学者群像的一部分——这些学者才华横溢,往往也颇为古怪。奥本海默聘请他以及其他几位知名物理学家,不时到研究院工作。亚伯拉罕·派斯的日记描绘了那里人才荟萃的情景——玻尔可能在办公室里,爱因斯坦在附近步行回家,狄拉克就在相隔几个办公室的地方,而奥本海默则在楼下。狄拉克身处这一环境,延续了他们在剑桥初识、在哥廷根加深的交往,也使他进入了新的同事圈子。

书中呈现的狄拉克的寡言,并非刻意培养出来的姿态。小时候,父亲曾要求他只用法语和自己说话,目的是教他这门语言。狄拉克后来解释说,自己无法用法语表达,因此觉得沉默比说英语更好。在高等研究院,他早年沉默寡言的特点延续在举止之中——他以极其字面化的方式理解事情,思考问题的确切措辞时,也可能让一个问题暂时得不到回答。

一个轶事让这种严谨近乎滑稽。记者索要狄拉克将在纽约发表的演讲稿副本时,他担心自己被人错误引述,便向人请教。亚伯拉罕·派斯建议他在讲稿上写“不得以任何形式发表”。狄拉克仔细考虑后问道:“这句话里的‘以任何形式’不是多余的吗?”这段对话浓缩了整篇叙述中与他相关的特质——谨慎看待别人可能如何使用自己的话语,对逻辑有着强烈的关注,以及惜字如金的表达方式;这使一个措辞上的小问题,比寻常交谈更引人入胜。

叙事作用

狄拉克在叙述中的作用,不仅是作为一位著名物理学家,或作为奥本海默得以进一步发挥的思想来源。他以与奥本海默相对的方式,凸显出奥本海默性格中不寻常的广度。他们共享的世界,是量子物理学迅速变革的时代;他们的差异,则在于各自允许生活中的多少内容进入思想工作。狄拉克不愿像奥本海默那样重视书籍、诗歌、音乐或绘画,反而使这些兴趣显得更加鲜明;奥本海默对此付之一笑,则表明他并不觉得两人的差异足以让自己放弃这些兴趣。

这段联系也打破了孤独天才与合作科学之间简单的二分法。狄拉克提出的方程使奥本海默的推论成为可能;奥本海默从中得出了狄拉克尚未认识到的结果;随后,实验研究证实了正电子的存在。他们的经历通过分歧、阐释与认可交汇在一起。在后来关于高等研究院的轶事中,同样鲜明的特质依然可见——这不是新的转变,而是同一种性格的延续——专注力非凡,思维敏锐,并留意他人可能不予深究的细微差别。

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