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　　玩家你好，

　　歡迎來到原理的平行世界。

　　在這里，

　　你將有機會體驗另一種不同的人生。

　　游戲開始，

　　先讓我們先回到 118 年前。

　　（游戲規則：點擊你想要的選項）

　　現在是公元 1902 年 8 月 8 日。

　　這一年，距離普朗克發表黑體輻射公式已經過去兩年，“量子”一詞即將成為接下來一個多世紀中一顆冉冉升起的新星。

　　與此同時，在瑞士伯爾尼，一位名叫愛因斯坦的 23 歲年輕人拿到瑞士國籍不久，他剛剛在友人的協助下成為瑞士專利局的助理鑒定員，負責電磁專利申請的技術鑒定工作。

　　不過，我們先不管這么多，讓我們把目光放在英國西南部的布里斯托。在布里斯托生活的瑞士人查爾斯·狄拉克在當地擔任法語老師，他的太太佛洛倫斯·狄拉克即將臨盆——你即將出世。

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　　查爾斯和弗洛倫斯正在為兒子的名字發愁。叫什么好呢？

　　A. 小明

　　“Xiaoming……”狄拉克夫婦看著這個單詞許久，不知道該怎么發音。于是放棄了這個想法。

　　B. 保羅

　　這個名字不錯，就叫保羅·狄拉克吧。

　　Hi，保羅·狄拉克。好吧，你的全名其實是保羅·阿德里安·莫里斯·狄拉克。

狄拉克夫婦和他們的三個孩子（1907 年）。 圖片來源：dirac.ch

　　你一直生活在布里斯托。查爾斯是一位嚴格的父親，他一直希望家里的孩子學會法語，因此要求你們在家一定要說法語，不過你對法語似乎沒什么天賦。你和父親的關系一直不太好，在家也不愛說話。

　　在你三歲的時候，也就是 1905 年，這是物理學歷史上非同尋常的一年。26 歲的愛因斯坦在這一年發表了 5 篇重要論文，提出包括光量子假說、狹義相對論、質能方程等理論。這一年也被稱為愛因斯坦的“奇跡之年”。

　　1913 年，玻爾引入量子化的概念來研究原子內電子的運動，并提出了玻爾原子結構模型。量子力學已經是一個蓄勢待發的全新領域。但別著急，這時你才 11 歲，還是先繼續上學吧。

　　你在商人合作技術學院完成了中學學業。這是你父親任教的學校，屬于布里斯托大學的附屬學院，它比一般的英國中學更重視技術方面的課程，你在學校里有機會接觸到金工、瓦工、制鞋等課程，你似乎也感到得心應手。轉眼間，你要面臨上大學的選擇。

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　　去哪所大學呢？

　　A. 我不想上大學

　　你把這個想法跟父親說了，父親瞪了你一眼。你害怕極了，決定再想想。

　　B. 布里斯托大學

　　電氣工程系好像很不錯，還可以申請獎學金補貼家用。

　　在大學里，你一路開啟學霸模式，你對數學尤其感興趣。1923 年，在以一等榮譽拿到布里斯托大學電氣工程和數學兩個學士學位后，順利進入劍橋大學圣約翰學院，并完全靠獎學金支付了學費和生活費。

　　在你求學的過程中，物理學界也正發生著革命性的轉變。過去的十幾年間，人們已經意識到牛頓的“舊”力學（也就是經典力學）在微觀世界并不適用。在你進入劍橋大學的同一年，德布羅意提出了物質波假說，成為波粒二象性的一個例子。德布羅意認為，電子除了具有粒子的性質，也可以有波動性質。這就像是量子力學美妙的“前奏”之一。

　　這一時期，針對最小尺度的物理學研究正在醞釀一場風暴，人們的思想即將發生徹底的轉變。

　　擁有工程學和數學背景的你，在布里斯托求學時就對愛因斯坦剛提出的廣義相對論產生了興趣。物理學成了一個對你極具吸引力的領域。

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　　要進入充滿新機遇的物理領域嗎？選擇哪位導師好呢？

　　A. 要不試試生物？

　　1923 年，白喉疫苗剛剛問世，這似乎也是個前景不錯的領域。但……再想想吧。

　　B. 拉爾夫·福勒教授好像不錯

　　福勒教授為物理化學引入了新的研究方法，在恒星研究的許多方面進行了開創性的工作。

　　你就在這一時期進入了物理學領域，更確切地說，是當時被稱為“原子物理學”的領域。當然，你此時還不知道，未來，你也將成為風暴的中心。

　　在這個時候，原子物理學的情況類似于 16 世紀末的天文學，在面對更精確的觀測結果時，以地球為中心的“舊式”天文學必須變得更加精細。16 世紀天文學的困境和 20 世紀的原子物理學的困境也是以同樣的方式被解決的，那就是思想的徹底轉變。

　　在原子物理學中，1925 年，隨著海森堡在矩陣力學上的突破，這一切突然發生了。量子力學似乎完全“拋棄”了經典力學。量子規則是自動產生的，但它來自一種特殊的數學框架。海森堡提出的理論牽涉到矩陣相乘的不可交換性。也就是說，它涉及乘法運算，但運算的結果取決于乘法運算的順序。這就好比，2 乘以 3 不再等于 3 乘以2。

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　　對此，你有什么想法？

　　A. 好像不太對勁

　　嗯……再仔細想想。

　　B. 不可交換性是有什么意義？

　　靈光一現！開始碼論文。

　　就在海森堡的研究發表幾個月后，你發表了重要論文《量子力學的基本方程》。

　　其中的主要思想是，相乘的對象代表了我們可以在實驗中測量的變量。一次實驗就是一次運算，即使最后的結果是一個數。如果用這樣的方式理解，順序的重要性就不足為奇了。我們都知道，先穿襪子，然后穿鞋子，這個結果與先穿鞋子，然后穿襪子自然不同。這個簡單的規則就是，a乘以b不同于b乘以a，而整個量子力學世界都遵循著這個規則。

　　與此同時，薛定諤以物質波的波方程提出了自己的量子力學方法。1926 年，在其中一篇論文中，薛定諤闡述了矩陣力學和波動力學在數學上的等價關系。

　　也是在這一年，你順利從劍橋大學博士畢業。在導師福勒的建議下，你前往哥本哈根和哥廷根，繼續在量子力學領域大展拳腳。你在那里認識了許多同行科學家，也通過自己的努力在這一新興的領域初露頭角。

　　1927 年，你成功當選劍橋大學圣約翰學院院士。

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　　這時，你接到一個重要的邀請，似乎是一個很重要的會議。要去嗎？

　　A. 讓我看看都有誰

　　愛因斯坦、普朗克、海森堡、薛定諤、玻爾、居里夫人、泡利……

　　B. 會議的主題是“電子和光子”？

　　但從邀請名單里可以看出，討論的主題其實就是新興的量子力學。

　　1927 年 10 月，第五屆索爾維會議召開，這次會議幾乎將當時世界上最頂尖的物理學家聚在了一起，討論的正是當時最前沿的量子力學。愛因斯坦和玻爾在會議上進行了著名的辯論。這張“全明星”會議合影成了科學史上的經典。

第五屆索爾維會議合影。找得到你在哪里嗎？

　　在這一年，量子力學界還出現了另一個重要突破。海森堡提出了不確定性原理。不確定性原理表明，我們無法同時精確地確定一個粒子的位置和動量。

　　那么，質量又小、移動速度又快的粒子的物理學是什么樣的呢？這是一個非常實際的問題——原子中的電子極小，它們移動的速度足夠快，以至于新的量子力學略微有些不準確。從一開始，人們就試圖構建一個與相對論相協調的量子理論，但一直未能克服技術上的障礙，特別是概率出現負數的情況。

　　最終，問題被歸結為：描述電子的正確的量子波是什么？在滿足相對論的要求并給出合理的物理預測的同時，控制這些波的動力學的波方程是什么？

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　　要解決這個問題嗎？

　　A. 要

　　苦思冥想……

　　B. 一定要

　　繼續想……

　　1928 年 2 月和 3 月，你在《英國皇家學會學報》上發表了兩篇論文，描述了電子的相對論性方程，建立起了量子力學中最著名的方程之一。

　　但是，狄拉克方程也存在這一些“問題”，比如無法解釋的負能量解。

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　　為什么會這樣？

　　A. 是我錯了嗎？

　　不要輕易懷疑自己。

　　B. 是不是存在……

　　也許存在一種電子的反粒子，它們來自狄拉克之海。

　　狄拉克方程首次預言了反粒子的存在。電子的反粒子就是正電子，兩者質量相同，但電荷相反。

　　1930 年，你出版了專著《量子力學原理》，這本書至今都是量子力學領域的經典教材。這一年，你正式當選英國皇家學會院士。別忘了，這時你才 28 歲。

　　你科研的腳步沒有停下。1931 年，你還提出了磁單極的猜想。隨后，你被正式聘任為劍橋大學盧卡斯數學教授。1932 年，安德森發現了正電子，證實了你對反粒子的預言。你的不懈努力和才華也很快獲得了最大的回報。

　　1933 年，作為量子力學的奠基人之一，你與薛定諤共同獲得諾貝爾物理學獎，你是最年輕的獲得諾獎理論物理學家之一。

　　1934 年，海森堡將你的狄拉克方程重新演繹為一個量子場方程，精確地描述基本的物質粒子。狄拉克場也是理論物理學和標準模型中的核心元素之一。

　　在量子力學中，思維碰撞的火花從未停止。無論是EPR 思想實驗，還是“薛定諤的貓”，無數學者在這一領域中共同推動著科學的前行，而你也是其中一員，身處“風暴”中心。量子力學成為 20 世紀最具顛覆性、最前沿的物理領域。

　　不過，讓我們先說說別的。因為，就在你獲得諾貝爾獎不久，你遇見了一位女士，她是物理學家尤金·維格納的妹妹，名叫瑪吉特。

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　　你要娶她嗎？

　　A. 當然

　　毫不遲疑。

　　B. 當然

　　必須的。

　　1937 年，你和瑪吉特結婚。你們共同撫養了瑪吉特的兩個孩子，后來，你們也有了兩個女兒。

瑪吉特和孩子們（1945 年）。 圖片來源：dirac.ch

　　然而不久之后，第二次世界大戰開始。在戰爭的背景下，你開始了理論和實驗的探索，研究利用氣體離心機進行鈾濃縮的方法。

　　戰后，你在劍橋大學繼續任教，并始終保持著對科研的熱情，并在 20 世紀 60 年代中期先后出版了《量子力學講義》、《量子場論講義》等學術著作。直到 20 世紀 70 年代，你從劍橋大學辭職，移居美國。在佛羅里達州度過了人生最后的十幾年。

　　多年以來，你始終保持著樸素簡單的生活，在劍橋大學也是出了名的措辭精準而沉默寡言。

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　　你知道什么是“1 狄”（dirac）嗎？

　　A. 一種時間單位？

　　回答錯誤~

　　B. 那是……

　　它來自你的同事的玩笑，代表“一個小時說一個詞”。

　　你堅信物理中的數學之美，相信“自然的法則應該用優美的方程描述”。玻爾曾說，“在所有物理學家中，狄拉克擁有最純潔的靈魂”。數學家馬克·卡克曾把天才分為兩類，一類是“普通的天才”，他們的成功可以被效仿，他們付出了巨大的努力，同時擁有一點運氣。另一類則是“魔術師”，其他人難以望其項背。你就是這樣的“魔術師”。你就是理論學家中的理論學家。

　　時間來到 1984 年 10 月 20 日。雖然你的故事看似要結束了，但也遠沒有結束。現在，在佛羅里達州立大學，還設有保羅·狄拉克科學圖書館，你的論文著作均收錄館藏。佛羅里達州國家高磁場實驗室的所在地被命名為保羅·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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　　哪些機構以你的名字設立了獎項？

　　A. 英國物理學會

　　英國物理學會每年會頒發保羅·狄拉克獎章，以表彰在理論物理上貢獻突出的科學家。

　　B. 國際理論物理中心（ICTP）

　　每年狄拉克生日，ICTP 會頒發 ICTP 狄拉克獎章。

　　游戲即將結束，

　　也從未結束。

　　插圖設計：愛喝奶綠的雯雯子

　　封面設計：減肥成功的岳岳子

　　參考來源：

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

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

　　http://www.dirac.ch/PaulDirac.htmlhttps://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=5997+Dirac

總結

以上是生活随笔為你收集整理的如何成为理论学家中的理论学家？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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