若何成为理论学家中的理论学家？ -

玩家你好，

欢迎来到平行世界。

在这里，

你将有机会体验另一种不同的人生。

游戏开始，

先让我们先回到118年前。

（游戏规则：点击你想要的选项）

现在是公元1902年8月8日。

这一年，距离普朗克发表黑体辐射公式已经过去两年，“量子”一词即将成为接下来一个多世纪中一颗冉冉升起的新星。

与此同时，在瑞士伯尔尼，一位名叫爱因斯坦的23岁年轻人拿到瑞士国籍不久，他刚刚在友人的协助下成为瑞士专利局的助理鉴定员，负责电磁专利申请的技术鉴定工作。

不过，我们先不管这么多，让我们把目光放在英国西南部的布里斯托。在布里斯托生活的瑞士人查尔斯·狄拉克在当地担任法语老师，他的太太佛洛伦斯·狄拉克即将临盆——你即将出世。

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查尔斯和弗洛伦斯正在为儿子的名字发愁。叫什么好呢？

A. 小明

“Xiaoming……”狄拉克夫妇看着这个单词许久，不知道该怎么发音。于是放弃了这个想法。

B. 保罗

这个名字不错，就叫保罗·狄拉克吧。

Hi，保罗·狄拉克。好吧，你的全名其实是保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克。

狄拉克夫妇和他们的三个孩子（1907年）。| 图片来源：dirac.ch

你一直生活在布里斯托。查尔斯是一位严格的父亲，他一直希望家里的孩子学会法语，因此要求你们在家一定要说法语，不过你对法语似乎没什么天赋。你和父亲的关系一直不太好，在家也不爱说话。

在你三岁的时候，也就是1905年，这是物理学历史上非同寻常的一年。26岁的爱因斯坦在这一年发表了5篇重要论文，提出包括光量子假说、狭义相对论、质能方程等理论。这一年也被称为爱因斯坦的“奇迹之年”。

1913年，玻尔引入量子化的概念来研究原子内电子的运动，并提出了玻尔原子结构模型。量子力学已经是一个蓄势待发的全新领域。但别着急，这时你才11岁，还是先继续上学吧。

你在商人合作技术学院完成了中学学业。这是你父亲任教的学校，属于布里斯托大学的附属学院，它比一般的英国中学更重视技术方面的课程，你在学校里有机会接触到金工、瓦工、制鞋等课程，你似乎也感到得心应手。转眼间，你要面临上大学的选择。

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去哪所大学呢？

A. 我不想上大学

你把这个想法跟父亲说了，父亲瞪了你一眼。你害怕极了，决定再想想。

B. 布里斯托大学

电气工程系好像很不错，还可以申请奖学金补贴家用。

在大学里，你一路开启学霸模式，你对数学尤其感兴趣。1923年，在以一等荣誉拿到布里斯托大学电气工程和数学两个学士学位后，顺利进入剑桥大学圣约翰学院，并完全靠奖学金支付了学费和生活费。

在你求学的过程中，物理学界也正发生着革命性的转变。过去的十几年间，人们已经意识到牛顿的“旧”力学（也就是经典力学）在微观世界并不适用。在你进入剑桥大学的同一年，德布罗意提出了物质波假说，成为波粒二象性的一个例子。德布罗意认为，电子除了具有粒子的性质，也可以有波动性质。这就像是量子力学美妙的“前奏”之一。

这一时期，针对最小尺度的物理学研究正在酝酿一场风暴，人们的思想即将发生彻底的转变。

拥有工程学和数学背景的你，在布里斯托求学时就对爱因斯坦刚提出的广义相对论产生了兴趣。物理学成了一个对你极具吸引力的领域。

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要进入充满新机遇的物理领域吗？选择哪位导师好呢？

A. 要不试试生物？

1923年，白喉疫苗刚刚问世，这似乎也是个前景不错的领域。但……再想想吧。

B. 拉尔夫·福勒教授好像不错

福勒教授为物理化学引入了新的研究方法，在恒星研究的许多方面进行了开创性的工作。

你就在这一时期进入了物理学领域，更确切地说，是当时被称为“原子物理学”的领域。当然，你此时还不知道，未来，你也将成为风暴的中心。

在这个时候，原子物理学的情况类似于16世纪末的天文学，在面对更精确的观测结果时，以地球为中心的“旧式”天文学必须变得更加精细。16世纪天文学的困境和20世纪的原子物理学的困境也是以同样的方式被解决的，那就是思想的彻底转变。

在原子物理学中，1925年，随着海森堡在矩阵力学上的突破，这一切突然发生了。量子力学似乎完全“抛弃”了经典力学。量子规则是自动产生的，但它来自一种特殊的数学框架。海森堡提出的理论牵涉到矩阵相乘的不可交换性。也就是说，它涉及乘法运算，但运算的结果取决于乘法运算的顺序。这就好比，2乘以3不再等于3乘以2。

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对此，你有什么想法？

A. 好像不太对劲

嗯……再仔细想想。

B. 不可交换性是有什么意义？

灵光一现！开始码论文。

就在海森堡的研究发表几个月后，你发表了重要论文《量子力学的基本方程》。

其中的主要思想是，相乘的对象代表了我们可以在实验中测量的变量。一次实验就是一次运算，即使最后的结果是一个数。如果用这样的方式理解，顺序的重要性就不足为奇了。我们都知道，先穿袜子，然后穿鞋子，这个结果与先穿鞋子，然后穿袜子自然不同。这个简单的规则就是，a乘以b不同于b乘以a，而整个量子力学世界都遵循着这个规则。

与此同时，薛定谔以物质波的波方程提出了自己的量子力学方法。1926年，在其中一篇论文中，薛定谔阐述了矩阵力学和波动力学在数学上的等价关系。

也是在这一年，你顺利从剑桥大学博士毕业。在导师福勒的建议下，你前往哥本哈根和哥廷根，继续在量子力学领域大展拳脚。你在那里认识了许多同行科学家，也通过自己的努力在这一新兴的领域初露头角。

1927年，你成功当选剑桥大学圣约翰学院院士。

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这时，你接到一个重要的邀请，似乎是一个很重要的会议。要去吗？

A. 让我看看都有谁

爱因斯坦、普朗克、海森堡、薛定谔、玻尔、居里夫人、泡利……

B. 会议的主题是“电子和光子”？

但从邀请名单里可以看出，讨论的主题其实就是新兴的量子力学。

1927年10月，第五届索尔维会议召开，这次会议几乎将当时世界上最顶尖的物理学家聚在了一起，讨论的正是当时最前沿的量子力学。爱因斯坦和玻尔在会议上进行了著名的辩论。这张“全明星”会议合影成了科学史上的经典。

第五届索尔维会议合影。找得到你在哪里吗？

在这一年，量子力学界还出现了另一个重要突破。海森堡提出了不确定性原理。不确定性原理表明，我们无法同时精确地确定一个粒子的位置和动量。

那么，质量又小、移动速度又快的粒子的物理学是什么样的呢？这是一个非常实际的问题——原子中的电子极小，它们移动的速度足够快，以至于新的量子力学略微有些不准确。从一开始，人们就试图构建一个与相对论相协调的量子理论，但一直未能克服技术上的障碍，特别是概率出现负数的情况。

最终，问题被归结为：描述电子的正确的量子波是什么？在满足相对论的要求并给出合理的物理预测的同时，控制这些波的动力学的波方程是什么？

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要解决这个问题吗？

A. 要。

苦思冥想……

B. 一定要。

继续想……

1928年2月和3月，你在《英国皇家学会学报》上发表了两篇论文，描述了电子的相对论性方程，建立起了量子力学中最著名的方程之一。

但是，狄拉克方程也存在这一些“问题”，比如无法解释的负能量解。

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为什么会这样？

A. 是我错了吗？

不要轻易怀疑自己。

B. 是不是存在……

也许存在一种电子的反粒子，它们来自狄拉克之海。

狄拉克方程首次预言了反粒子的存在。电子的反粒子就是正电子，两者质量相同，但电荷相反。

1930年，你出版了专著《量子力学原理》，这本书至今都是量子力学领域的经典教材。这一年，你正式当选英国皇家学会院士。别忘了，这时你才28岁。

你科研的脚步没有停下。1931年，你还提出了磁单极的猜想。随后，你被正式聘任为剑桥大学卢卡斯数学教授。1932年，安德森发现了正电子，证实了你对反粒子的预言。你的不懈努力和才华也很快获得了最大的回报。

1933年，作为量子力学的奠基人之一，你与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖，你是最年轻的获得诺奖理论物理学家之一。

1934年，海森堡将你的狄拉克方程重新演绎为一个量子场方程，精确地描述基本的物质粒子。狄拉克场也是理论物理学和标准模型中的核心元素之一。

在量子力学中，思维碰撞的火花从未停止。无论是EPR思想实验，还是“薛定谔的猫”，无数学者在这一领域中共同推动着科学的前行，而你也是其中一员，身处“风暴”中心。量子力学成为20世纪最具颠覆性、最前沿的物理领域。

不过，让我们先说说别的。因为，就在你获得诺贝尔奖不久，你遇见了一位女士，她是物理学家尤金·维格纳的妹妹，名叫玛吉特。

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你要娶她吗？

A. 当然

毫不迟疑。

B. 当然

必须的。

1937年，你和玛吉特结婚。你们共同抚养了玛吉特的两个孩子，后来，你们也有了两个女儿。

玛吉特和孩子们（1945年）。| 图片来源：dirac.ch

然而不久之后，第二次世界大战开始。在战争的背景下，你开始了理论和实验的探索，研究利用气体离心机进行铀浓缩的方法。

战后，你在剑桥大学继续任教，并始终保持着对科研的热情，并在20世纪60年代中期先后出版了《量子力学讲义》、《量子场论讲义》等学术著作。直到20世纪70年代，你从剑桥大学辞职，移居美国。在佛罗里达州度过了人生最后的十几年。

多年以来，你始终保持着朴素简单的生活，在剑桥大学也是出了名的措辞精准而沉默寡言。

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你知道什么是“1 狄”（dirac）吗？

A. 一种时间单位？

回答错误~

B. 那是……

它来自你的同事的玩笑，代表“一个小时说一个词”。

你坚信物理中的数学之美，相信“自然的法则应该用优美的方程描述”。玻尔曾说，“在所有物理学家中，狄拉克拥有最纯洁的灵魂”。数学家马克·卡克曾把天才分为两类，一类是“普通的天才”，他们的成功可以被效仿，他们付出了巨大的努力，同时拥有一点运气。另一类则是“魔术师”，其他人难以望其项背。你就是这样的“魔术师”。你就是理论学家中的理论学家。

时间来到1984年10月20日。虽然你的故事看似要结束了，但也远没有结束。现在，在佛罗里达州立大学，还设有保罗·狄拉克科学图书馆，你的论文著作均收录馆藏。佛罗里达州国家高磁场实验室的所在地被命名为保罗·狄拉克大道。在天空中，小行星5997的名字也是“狄拉克”。

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哪些机构以你的名字设立了奖项？

A. 英国物理学会

英国物理学会每年会颁发保罗·狄拉克奖章，以表彰在理论物理上贡献突出的科学家。

B. 国际理论物理中心（ICTP）

每年狄拉克生日，ICTP会颁发ICTP狄拉克奖章。

游戏即将结束，

也从未结束。

参考来源：

https://physicsworld.com/a/paul-dirac-the-purest-soul-in-physics/

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1933/dirac/biographical/

https://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=5997+Dirac

插图设计：爱喝奶绿的雯雯子

封面设计：减肥成功的岳岳子

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