20世纪两位物理大家的风格

在19世纪的时候，物理学最大的两个成就就是电磁学和统计力学。统计力学的奠基人有三位，其中一位曾经讲过这么一句话，他说：“大家知道每一位画家、音乐家、作家都有他自己独特的风格。当你听了一首音乐的几个音节以后，你就可以辨别这个音乐是莫扎特写的，还是贝多芬写的。同样地，你看一篇物理学的文章，你看了几页之后，你就知道这篇文章是麦克斯韦写的，还是牛顿写的。”对于他的话我有下面的评语。
    　　大家知道，每一个画家、音乐家都有他自己独特的风格。也许有人以为科学是研究事实的，与文艺不同。事实上二者是一样的，什么叫风格？要讨论这一点，让我们拿物理学来讲吧。物理学的原理有它的结构，这个结构有它的美妙的地方。而每个物理学工作者对于这个结构不同的美妙的地方会有不同的感受。正因为大家有不同的感受，所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方法和研究方向。也就是说他会形成他自己的风格。
    　　今天我想和大家谈的，就是要阐述一下刚才那一段话所讲的。我准备先从20世纪两个大物理学家的风格讲起。
    　　狄拉克：性灵出万象，风骨超常伦第一位是狄拉克，他是英国人，1902年出生，1984过世。他曾经在60年代末到我所在的学校访问过几次，每次呆好几个月，那个时候他不到70岁的样子。狄拉克为人有他独特的风格，不只是他的物理学。关于他的故事特别多，我只给大家讲一个：有一年狄拉克到普林斯顿大学做演讲，演讲完了以后，主持人就说大家有没有问题，有问题就可以问，于是有一个学生站起来说：“狄拉克教授，我不懂你刚才所写的方程式2是怎么从方程式1推导出来的。”狄拉克不予回答。所以主持人就说：“狄拉克教授，请你回答他的问题。”狄拉克说：“他并没有问题，他只是讲了一句话。”
    　　这个故事流传得非常之广，之所以流传得广的原因，是因为这个故事一针见血地指出了狄拉克一个特别的风格，那就是他有他很直接的逻辑，这个逻辑跟一般的人不一样。你如果懂了他的逻辑的方法，你就知道他的文章读起来很通畅。狄拉克最大的贡献是1928年他写出了狄拉克方程式。这个方程式奠定了今天原子、分子结构的基础。他定性地解释了电子为什么有自旋，像一个陀螺一样；他定量地解释了电子为什么有自律，而这个对于后来的原子、分子物理学和化学都有极为重要的影响；他定量地推演出复杂的电子轨道跟磁矩之间的相互作用，这些都是20年代末非常困扰的问题。
    　　通过这样一个简单的方程式，狄拉克把这个问题彻底解决了，可是这个方程式带来一个新的问题，这个问题就是负能问题。负能问题就是说狄拉克方程式所得出来的解有一些负的根，这个负能是大家所不能接受的，所以在以后的几年大家对于这个事情一方面觉得非常之妙，因为它解决了很多从前没法解决的问题；一方面又不能接受，因为他有负能的现象。那个时候狄拉克方程式变成一个非常神秘的问题，几乎当时所有的大物理学家都认为这是一个错误的方向，所以对狄拉克本人有过很严厉的批评，狄拉克不怕这些，他继续向这方面去发展，在1931年他又推出一个理论，叫反粒子理论，就是说宇宙里任何一个质点，比如说有一个质点，一个电子，它就有个反粒子，这个想法更不为当时的大物理学家所接受。一直到一年以后，在1932年的秋天，美国人安德逊发现了正电子，这才被大家接受。
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    　　狄拉克的反粒子理论加上他原来的狄拉克方程式，大家不得不承认是狄拉克大获全胜，而同时大家又不得不惊叹狄拉克的妙想，他用了一个非常妙的狄拉克特别式的推理方法。
    　　我曾经想要描述当时的物理学界，在接受了狄拉克方程式、反粒子理论以后所得到的感受，我想最好的办法是用中国的一个成语来形容。狄拉克的工作是神来之笔，是出乎平常人想象之外的一个工作。狄拉克的特点就是我刚才所讲的，他的话很少，可是他的内涵有简单、直接而又原始的逻辑性。你如果抓住了他的逻辑的方法，你就了解得非常清楚，非常合理。念他的文章，假如你了解了他的简单、直接的逻辑思维方法，你就会觉得读起来是一种享受。很多年来，我想把狄拉克的这种风格介绍给我念文学、念历史、念艺术的朋友，可是一时没法写出一篇文章，能够适当描述我了解了狄拉克妙处所得到的感受。去年夏天，我偶然在香港的一张报纸上看到了唐朝诗人高适的一首诗里面的两句，我才恍然大悟。这首诗的名字叫《答侯少府》，他这两句诗是：“性灵出万象，风骨超常伦。”我非常高兴，因为我觉得用这两句诗来描述狄拉克的风格是再好没有的。万象确实是描述了狄拉克方程式的特点，因为这个方程式解释了无数的物理、化学现象，确实是包罗万象；“风骨超常伦”也很合适，刚才我讲了，这篇文章出来以后被很多人冷讥热嘲，可是他不怕冷讥热嘲，坚持他的理论。那个时候取笑他的人很多，包括当时的大物理学家玻尔、海森伯、泡利等等，他们都是坚决反对狄拉克的这种稀奇古怪的新理论。最后狄拉克是大获全胜，他这种骨高而不肯屈挠的性格，我想用“风骨超常伦”来描述是非常合适的。
    　　“性灵”，我猜想它是一种最直接的，不经磨琢的，也可以说是最早天生出来的一个想法，所以“性灵出万象”。后来我跟一些朋友谈的时候，才知道“性灵”从前有很多人用过。明朝末年袁宏道跟他的弟弟袁中道都是当时有名的文学批评家，袁宏道就讲他弟弟袁中道的诗，是“独抒性灵，不拘格套，非从自己胸臆流出，不肯下笔”。这个说法也确实正中了狄拉克的特点，他的想法是不拘格套，不从过去的思想方式出发，是他自己独创出来的一种思想方法，所以这两句话“性灵出万象，风骨超常伦”，我非常喜欢。我认为这句话确实道出了狄拉克的特点。
    　　海森伯：爬上那块大石
    　　下面我跟大家讨论一下另外一个大物理学家的风格，他就是20世纪另外一个大物理学家海森伯。他比狄拉克年长一岁，他是1976年过世的，他们两个我都认识，当然我对狄拉克更熟悉一些，因为早年我在普林斯顿的时候，狄拉克常到那儿访问，后来我到别的地方，他又到那儿去进行了多次访问。我跟海森伯接触的次数没有狄拉克那么多，那么长。海森伯当然也是20世纪真正的大物理学家之一。
    　　海森伯最大的贡献是他的工作引导出来了量子力学。量子力学是20世纪物理学最大的革命之一，也是人类智慧的历史上最重要的一个革命性的突破。如果我们要问20世纪的头25年物理学里面最困扰的问题是什么，这个问题后来是怎么解决的，我想大家都会同意当时最困扰的问题是为什么经典力学不能解释当时所发生的很多物理现象，而最后把这个问题整个改观了的是1925年海森伯所写的一篇文章。
    　　量子力学的发展不是海森伯一个人的贡献，是很多人的贡献，不过第一炮是海森伯打出来的。他以后的二三年之间有过许多激烈的辩论，有很多的物理学家参与，当然包括狄拉克，可是因为这个历史非常复杂，所以很难把当时的历史写清楚，也就是观念上的革命是怎么一个经过是不能写出来的。
    　　海森伯在他晚年的时候曾经被一个叫汤姆的人访问过。在座研究科学史的人都知道汤姆，汤姆是20世纪一位最重要的研究科学史的学者，他是在两年以前过世的。他问：“你当初写第一篇文章的时候是怎么一个情况？”海森伯喜欢爬山，他就以爬山为例回答说：“爬山的时候，你想爬某个山峰，但往往到处是雾……你有地图或别的索引之类的东西，你知道你的目的地，但是仍然坠入雾中，然后忽然你模糊地，只在数秒钟的工夫，自雾中看
    到一些景象，你说：‘哦，这就是我要找的大石！”整个情形自此突然发生了突变，因为虽然你仍不知道你能不能爬上那块大石，但是那一瞬间你说：‘我现在知道我在什么地方了。我必须爬上那块大石，然后就知道该如何前进了。’”
    　　这一段话其实是很生动地描述了当时的情景。他确实是在物理中摸索，当时所有的人都在物理里面摸索，他们大概知道恐怕要做的一件事情就是要把量子力学已经有的一些想法，已经有的一些计算方法改变一下。海森伯在物理里面摸索，他看出来一个他看不清的方向，因此他就写了一篇文章。他把这篇文章给了他当时的老板——就是一个研究生或者一个访问学者到外国一个单位去做研究工作，那个主持单位的人，现在大陆去的学生或访问学者，都称老板。他的老板一看，发现海森伯的文章里面用到了一些结果，但这个结果海森伯不了解，它是与数学的一个结构有密切关系的，这个结构叫做矩阵的乘法。海森伯没有学过很多的数学，他不知道他所写出来的公式可以用矩阵乘法做很简单的描述。所以他的导师就跟另外一个叫约朗的博士后两个人合写了一篇文章，把海森伯文章里面的一些公式简化为矩阵的公式。后来过些时候海森伯回来了，他们三个人又写了一篇文章，这个文章才把整个数学的结构发展出来。现在大家知道这三篇文章奠定了所谓矩阵力学的基础，矩阵力学后来又通过了一些发展，就变成了今天的量子力学。
    　　海森伯1925年发表的文章经过狄拉克、薛定谔、玻尔等人的发展和补充成为了量子力学。量子力学是物理学史上的大革命，量子力学引导出来了许多工业的发展，像核能发电、核武器、激光、半导体元件以及今天的计算机。如果没有量子力学的发展，这些都不可能被发现。海森伯因为这个缘故，一下子就成名了，在1927年他26岁的时候，他就成了一所著名大学理论物理中心的主任。