年仅30岁的他就提出了一个著名方程 解释了原子内部的奥秘
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-31
20世纪20年代的剑桥大学里,一个年轻的物理学家保罗-狄拉克,一个年仅30岁,是其所在领域的天才,它获得了当时世界最负盛名的学术职位之一,剑桥大学的卢卡斯教授,曾担任过该职务的科学家包括著名的牛顿和史蒂芬-霍金。
狄拉克一开始专注于研究电子,当时唯一已被发现的基本粒子。当时,电子的性质是由一个公式,即薛定谔方程式所描述的,能够通过公式计算它们的能量。
但是后来发现有一种特别的电子无法通过薛定谔方程式解释。正如地球自身一样,电子绕着自己的轴旋转,同时也有一些磁铁的性质。在试图寻找解释电子神秘性质的公式时,狄拉克采取了大胆的想法。
当时的科学家们运用实验以及观察中的结论设计新的公式,然而狄拉克决定跟随他的美学意识,物理定律应该有数学之美,这就是狄拉克的座右铭!
这也许听上去不像是科学家所说的话,但对物理学家而言,美意味着“对称”,并有非常具体的衡量标准。所谓对称简单来说就是,不同视角看一样东西结果都是一样的,比如说,将视角改变90度,我们看到的正方形并没有变化,基本观点是我们的视角发生特定变化的时候,自然的法则不会改变其形式和内容,这也是为什么我们把圆形视为很美的原因。
还有另外一种狄拉克所重视的美,“洛伦兹对称”。这个理论与爱因斯坦的相对论有关,描述了时间和空间在本质上是相同的。
从那里着手,狄拉克得出了以下结论,如果真有所谓的宇宙之设计图,那么它一定具有完美的美,也就是说,它将能够展示出所有不同种类的对称。
再回归头来看薛定谔方程式,如果靠近看,可以看到有一个“t”代表时间,以及X平方,X代表空间,意味着这个公式没有“洛伦兹对称”,时间与空间不对称。因此,当换一个视角之后,公式发生了很大的变化。
狄拉克于是开始专注于研究一个符合所有对称性的公式,他将自己锁在书房里三个月,切断了所有与外界的联系,情绪在得意洋洋与恐惧之间不断交替,还经常需要克服惊恐。但他对这一“美”之概念的专注与探索最终获得了回报!
1928年狄拉克发表了一篇文章,文章中他提出了“狄拉克方程”,方程中有一个t和一个x,这是一个包含了“洛伦兹对称”的简单公式。这个方程非常有效,能够解释关于原子最难解释的性质,包括它们的自旋和磁性!
公式非常漂亮,非常美,很多物理学家看到狄拉克方程都会激动到哭,因为他们看到很多关于原子的理论都很奇怪又随意,像碎片一样,但突然间因为对称性产生了一个单一的理论!
更难得的是,洛伦兹对称随后被发现同样适用于后来发现的中微子和夸克。通过合并各种不同的对称性,终于产生了一个能够完美解释基本粒子性质的公式,能够帮助人们更好地理解对称的总体概念!
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