預測反粒子的物理學家──狄拉克

狄拉克（P. A. M. Dirac）生於1902年8月8日。父親原籍瑞士，年輕時在英國布列司托定居結婚，育有三子，狄拉克便是在此出生，上有兄長下有妹妹。他父親於當地的一所一流中學教法文，後來，狄拉克也在同一所中學唸書。父親在家教他學法文時，是直接用法語交談，因此，當狄拉克覺得無法用法語來表達意思時就保持緘默，造成他日後不愛講話的習性。

他父親知道教育的重要性，鼓勵他讀數學。十六歲入布列司托大學讀電機工程，十九歲畢業。在大學裡所接受的工程教育（如計算梁上應力的分布等）可能是日後發明狄拉克δ─函數（delta function）的主要因素（今天幾乎沒有人注意到柯希荷夫是歷史上將δ─函數運用到物理上的第一人，時為1888年。嚴格說來此函數應看成是一連串函數的極限值）。後來，狄拉克說：「當你考慮工程結構上的負荷時，有些時候負荷是連續分布；有時則集中在一點，這兩種情形得到不同的方程式。若你試著把這兩種情形統一起來，自然會引入δ─函數。」

1921年，狄拉克大學畢業，父親希望他入劍橋大學繼續深造，但聖約翰學院卻只給他一年70磅的獎學金，實在不足維持生活，所以仍留在布列司托，想在工程界發展。當時正值經濟不景氣，人浮於事，因此又決定回到布列司托大學讀兩年數學（數學系答應免交學費），第二年專攻應用數學。

1923年秋，狄拉克入劍橋大學的聖約翰學院當研究生，在佛勒（R. H. Fowler）指導下研究原子物理及統計力學。由佛勒的量子論課程，他首次學到波爾的原子模型。當時劍橋大學的理論物理學家（包括佛勒）都屬於數學系；實驗物理則屬物理系，由大師拉塞福主持。狄拉克常到卡文迪希實驗室聽著名科學家（如波爾）的講演。當時物理學家拉摩爵士擔任盧卡生（Lucasian）數學講座的教授，這個講座牛頓也曾主持過。九年後，狄拉克繼承了拉摩的位子。

狄拉克到劍橋才六個月就完成了第一篇學術論文。1926年，他在一篇論文中討論到一系統中有許多電子時所應遵守的統計力學，比義大利的費米（楊振寧和李政道在芝加哥大學唸博士學位時的老師，但不是論文指導教授。）晚了幾個月發表。他們所創立的學說即所謂的「費米─狄拉克統計力學」，又由於費米的論文先發表，凡合於這種統計律的粒子都稱為費米子。

波爾於1913年所提出的原子模型有許多缺點，而且只能用在氫原子上，應用到氦（原子序為2）時，理論與實驗不符。1926年奧國的薛丁格提出有名的薛丁格方程式，可以圓滿解釋原子的光譜。但是他的理論只能應用到電子速度遠比光速小的情形，並且不能說明為何電子具有自旋及磁矩等性質（荷蘭兩位年僅廿五歲的研究生烏蘭貝克及高德司密於1925年共同提出）。1928年，狄拉克研究這些問題時，將相對論應用在量子論上導出狄拉克方程式，不但可以應用到高速的電子，而且完全解決電子自旋等問題。但最驚人的是根據方程式的解答可預測一種新粒子──正子的存在，正子和電子質量相同，但電荷與磁矩則數值相同，符號相反。把理論推廣，就是每一種粒子都有反粒子存在（有時反粒子和粒子是同一種粒子，例如光子）。1931年，加州理工學院的安德生由宇宙射線中發現正子。這是物理史上第一次由理論預測到一種新的粒子。同年狄拉克又預測磁單極（又稱磁子）的存在，這種新粒子只含單一磁極，但迄今尚未發現。1933年他和薛丁格平分該年諾貝爾物理獎。他太太的哥哥是1963年獲半個諾貝爾獎的物理學家威格納（Wingner）。

狄拉克個性相當內向，軼事很多，下面介紹幾則。1929∼30年，狄拉克和海森堡分別在美國講學，然後搭同一條日本輪船到日本，兩人都不喜歡記者。船到橫濱時，記者登船訪問，有一位記者找到海森堡並問說：「我找遍整條船都找不到狄拉克。」其實，狄拉克就站在旁邊默不作聲。海森堡沒有透露真相，只告訴記者願意同答有關狄拉克的問題。

另有一次，威格納把俄國文豪杜思陀也夫斯基的「罪與罰」借給他看，還書時問他有何意見。狄拉克的唯一評論是：「這本書很好，但作者犯了一個錯誤，他在某一章的同一天裡描述了兩次日出。」還有一次在中午聚餐時，大家正高談闊論，只有狄拉克不作聲，威格納問他：「為什么不講話？大家都想知道你的意見。」他回答說：「因為愛講話的比願意聽的人多。」

有一次，波爾對海森堡說：「每次狄拉克送草稿給我，內容都很整潔，沒有任何修改，看起來很順眼。若是我建議，即使是小小的改變，他也會很不高興。所以通常的結果是沒有更改。」波爾自己寫論文的方法是口述請別人記下來，一面不斷改正，直到滿意為止。波爾的碩士及博士論文即分別由母親及妻子聽寫。有一次波爾口述論文時，狄拉克正好在場。波爾一面來回的走，一面不斷的說了又改。狄拉克忍了很久，說道：「波爾教授，當我做學生時，老師教我在不知道怎樣完成一個句子時，不要動筆。」

1926年秋天，狄拉克到哥本哈根，前後住了半年，大部分時間都花在波爾的研究所裡。波爾的性格給他印象深刻，尤其是波爾思考的各種問題。許多年後，狄拉克還記得，有一次波爾在研究兩個槍手拔槍相向，但又不敢開槍的心理問題。波爾的結論是：若你決心射擊對方並開槍，過程比較慢，倒是因受到外界刺激自動還擊來得快些，彼爾還買了一些玩具手槍，在研究所裡找一些人來試驗他的理論。波爾也考慮過買股票的心理問題，他相信若一個人買賣股票時分析得太多，結果還比不上那些根本不去想只是隨意買賣的人。

狄拉克現年七十八歲，本文取材自他七十誕辰的紀念論文集。歷史上最年輕的諾貝爾獎得主是英人布拉格，廿五歲與其父研究X光晶體繞射而共獲物理獎；其次是李政道、海森堡和狄拉克，都是卅一歲獲物理獎。（科月8卷11期24頁「林德曼教授的哈巴狗」一文說海森堡二十六歲得諾貝爾獎是錯誤的。）

林克瀛現任教於清大物理系，本刊編輯顧問。

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