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| 編輯推薦： |
★2010年《洛杉矶时报》科技图书奖
★2009年《物理世界》年度图书奖
★对量子物理学天才、诺贝尔物理学奖得主狄拉克一生的全面、详实而有趣的讲述
★狄拉克对物理学的贡献比肩玻尔、薛定谔、海森堡等同时代的杰出物理学家，至今仍影响量子力学在计算机晶体管上的应用
★经历两次世界大战和冷战风波，狄拉克在风云突变的历史背景中仍坚持着自己的学术追求和信仰
★华中科技大学物理学院天文学系副教授邱涛涛执笔翻译，表达清晰，文风幽默风趣
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| 內容簡介： |
在20世纪二三十年代量子力学发展的黄金时期，性格古怪、沉默寡言的英国物理学家保罗·狄拉克绝对是一个别树一帜的人物。作为量子物理的创始人之一，狄拉克开创性地将量子力学与爱因斯坦相对论联系起来，用完美的数学方程解释了物质的本质，并预测了反物质，后来的弦论和关于宇宙之初发生什么的预测都是基于他的成果。
他被认为是除了爱因斯坦以外，最伟大的科学家之一。27岁，当选应该皇家学会会士；29岁，当选剑桥大学卢卡斯教授；31岁，获得诺贝尔物理学奖。除了物理学领域外，他也在化学领域留下了自己的印记——发明了一种分离化学同位素的方法，并在核工业中得到了应用。
这位科学“怪人”一生与人感情疏远。他是如何与同时代的科学巨匠，如费曼、薛定谔、海森堡、朗道交流的？他为什么终其一生不原谅自己父亲，但又对其念念不忘？他是如何在“一战”“二战”以及冷战的裹挟中前进的？ 本书都将一一回答这些问题。
今日，他提出的概念仍被后人研究和发展，他的思想仍影响着无数研究者和科学家，他提出的曾被视为与日常生活毫无关联的方程式已成为一个价值数十亿美元产业的基础。
一部无与伦比的自传。——《观察家》
本书是对一个复杂天才的事无巨细的讲述。
——《星期日泰晤士报》
法米洛来写狄拉克的自传太合适不过了。
——《卫报》
狄拉克应该得到更多人的关注。对读者来说幸运的是，他本人就十分有趣，所以这应该是一次非常好的体验。
——《泰晤士报》本周纸质版
这是一本绝佳的自传，对狄拉克做了人性化又深刻的刻画。
——《爱尔兰时报》
这是一本十分有同理心的自传，让人们对这个内心复杂但表达障碍的人有了更多的关爱。——《星期日独立报》
这本书既描绘了狄拉克作为理论物理学家的一生，也讲述了这个特立独行的人，值得称赞。——《每日电讯报》
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| 關於作者： |
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格雷厄姆·法梅洛，格雷厄姆·保罗·法米洛，理论物理学家，传记作家和科普作家，伦敦自然博物馆资深研究员，剑桥大学丘吉尔学院院士，美国东北大学兼职物理教授。著有《物理世界的数学奇迹》，作品《量子怪才：保罗·狄拉克传》获得2010年《洛杉矶时报》科技书奖，《物理世界》2009年年度图书奖。
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| 目錄：
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第一章 扑朔迷离的童年时光001
第二章 战火纷飞的中学时光016
第三章 在工程学中的历练026
第四章 重新回归数学课堂 046
第五章 初入剑桥054
第六章 初露锋芒077
第七章 对量子理论的初步探究 096
第八章 不一样的哥本哈根 110
第九章 与奥本海默的交情 126
第十章 数学在量子力学研究中的角色138
第十一章 寻找描述电子的相对论方程 148
第十二章 首次到访苏联158
第十三章 空穴理论的提出171
第十四章 成为皇家学会会士183
第十五章 反电子预言的提出 198
第十六章 年轻的卢卡斯教授 221
第十七章 对道德和宗教的思考237
第十八章 差点儿拒绝诺贝尔奖 259
第十九章 寻找分离同位素的方法271
第二十章 一生之敌的逝去293
第二十一章 迎娶“反粒子”313
第二十二章 在战火中坚持研究 334
第二十三章 参与核武器的研究 352
第二十四章 与费曼的短暂会晤 366
第二十五章 对弦论的影响381
第二十六章 对相对论的贡献398
第二十七章 在剑桥最后的日子414
第二十八章 重回哥廷根 434
第二十九章 人生落幕 454
第三十章 狄拉克的头脑与人格467
第三十一章 遗产 477
注释引文缩略词表 489
注释 491
参考文献 571
致谢583
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| 內容試閱：
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第三十一章 拾遗
狄拉克告诉物理系的学生们，不要总担心方程式的意义，只要关注它的美感就行。对于那些对纯数学的美感有强烈意识的物理学家来说，这个建议不错，他们可以依靠它来预见未来的道路。这样的物理学家并不多，也许只有狄拉克本人。
——史蒂文?温伯格，迪拉克百年纪念大会，布里斯托尔大学，2001年8月8日（作者注：温伯格写下这些话，让我在百年纪念大会上将之朗读出来。）
所有的科学家个人，哪怕包括最杰出的科学家在内，对科学来说都不是非他不可的。尽管一些优秀的个人会影响到短期内的科学发展，但从长远来看，缺少他们中的任何一个都不太可能对科学造成多大的差异。即使玛丽?居里和亚历山大?弗莱明从未出生，镭和青霉素也会被发现，或许比现在的教科书上写下的发现日期也晚不了多久。
然而，每一位科学家都希望后人对他（她）的评价是，他（她）所发现的自然奥秘比一般人要多。根据这个标准，狄拉克无疑是一位伟大的科学家，在现代物理学家的先贤祠中，他是少数值得位列爱因斯坦一人之下，万人之上的人之一。与海森堡、约当、泡利、薛定谔和玻恩一样，狄拉克是发现量子力学的理论家之一。然而他又有他独特的贡献。在他的全盛时期，即1925年至1933年，他为科学的一个新分支的发展带来了一个独特而清晰的视野：自然之书似乎经常在他面前打开。弗里曼?戴森总结了狄拉克的著作如此与众不同的原因：
较之狄拉克，其他量子先驱的巨著们都更显粗糙，不甚完美。他的伟大发现就像精雕细琢的大理石雕像，一个接一个地从天而降。他似乎能够从纯粹的思想中召唤出自然法则——正是这种纯洁使他与众不同。
戴森指出，狄拉克的著作《量子力学原理》就是其中一座雕像：“他把量子力学作为一件打磨过的艺术品成品呈现了出来。”这本书到现在为止从未停印过，它仍然是最富洞见、最入时的量子力学入门书，仍然为最有能力的年轻理论物理学家们提供着强大的灵感来源。在他们使用的所有教科书中，没有一本能将这一理论展现得如此优雅、如此逻辑缜密，这正是鲁道夫?佩尔斯在1972年所强调的狄拉克的品质：“狄拉克的品质在于他有一种【……】直线型的逻辑思维方式，而我们都倾向于走曲线。正是这种出人意料、直截了当的思考方式，使他的作品如此富有特色。”
然而大多数年轻的物理学家并不关心量子力学的内在逻辑，而是把量子力学理论作为一种获得快速可靠结果的方法。实际上，它为科学家提供了一套用来描述原子和分子世界的完全可靠的实用工具。每天，数以万计的微电子行业的研究人员习以为常地使用着狄拉克和他的同事们开发的技术：今天的人们在利用那些花了数年时间才得以澄清的想法的同时，却很难想到它们曾经给它们的创造者们带来多少痛苦。
现代的微型化趋势使量子力学变得更加重要。在不断壮大的超微型技术领域——通常称为纳米技术（“纳米”一词源自希腊语中的侏儒，nanos）——中，量子力学就像经典力学之于布鲁内尔一样不可或缺。这项新技术的其中一个分支称为自旋电子学（spintronics，是spin-based electronics的简称），在那里，工程师们正试图开发出一种新的设备，这种设备不仅依赖于对电子电荷流动的控制（这是传统设备的工作方式），还依赖于对电子自旋流动的控制。因为自旋从一种状态转换到另一种状态的速度比电荷移动的速度快得多，所以自旋电子器件的工作速度应该比传统器件快，产生的热耗也要少。如果工程师们能够如愿地制造出一种自旋晶体管来取代内存和逻辑电路中的传统晶体管，那么就有可能突破目前可行性的极限，继续朝着制造更紧致的计算机这一方向发展。
也许，距狄拉克首次在量子力学的逻辑架构中引入电子自旋短短一个世纪之后，他的方程——曾经被视为与日常生活毫无关联的数学天书——就会成为一个价值数十亿美元的产业的理论基础。
伟大的思想家总是在去世后仍然产出不断。按照这个标准，狄拉克可以算作是最伟大的科学家之一——他所引入的许多概念仍在发展中，在现代思维中仍在发挥作用。例如，对于长期以来痴迷于旋量的数学家来说，狄拉克方程仍然可以提供丰富的想法，因为旋量作为一个数学对象，就是在狄拉克方程中首次出现的。迈克尔?阿提耶爵士认为：
没有人对旋量完全了解。旋量代数在形式上可以被理解，但旋量的几何意义仍然是一个秘。从某种意义上说，它们描述了几何的“平方根”，人们为了理解-1平方根的概念花了几个世纪的时间，旋量恐怕也是一样。
那些研究宇宙中最微小成分的科学家们最能感受到狄拉克的影响。现在，实验者可以用高到连卢瑟福都为之震撼的能量将粒子粉碎：在欧洲核子中心（CERN）的大型粒子加速器“大型强子对撞机（LHC）”上，他们可以重现时间开始后一万亿分之一秒之内宇宙的状况。在这个加速器及其他加速器产生的亚原子碰撞过程中，实验者经常看到亚原子粒子的产生和毁灭，这些过程只能用相对论量子场论来解释。狄拉克对这个理论最拿手——他是这个理论的共同发现者之一，也是首先写出量子力学的作用量原理形式的人之一，这一原理现在是现代场论思想的一个重要部分。
在过去的25年左右，粒子加速器所能获得的能量与检测最新理论所需的能量之间的差距已经大得让人吃惊。加速器的资助和运营需要国际合作项目的支持，而对这些项目而言，加速器的建设越来越困难，成本也越来越高，因此新设备的上市速度很慢。由此导致的一个结果是，亚原子粒子理论已经领先于实验数据的供给，出现了狄拉克在1931年那篇具有里程碑意义的论文中设想的那种情景。在那篇论文中，他提出的理论物理研究路线是以数学而非实验为主导的。在认为此举有先见之明的物理学家中，杨振宁是其中一位：在1979年的普林斯顿会议上，他俩都在场，杨表示狄拉克提出这个想法相当于是偶然发现了一个“伟大的真理”。还是在那篇1931年论文中，狄拉克提出了反电子和反质子的存在，并用几何方法发展了磁单极子的量子理论，影响了几代理论家。由于实验者无法探测到单极子，狄拉克认为这个课题又是一个令人失望的课题，直到去世仍然认为在自然界中不可能出现单极子。但是在今天，许多物理学家却不同意这一看法，因为只要对标准模型做一些简单推广便可预言磁单极子的存在（“现代”磁单极子是狄拉克磁单极子的同类，但在数学上有更自洽的定义）。此外，根据宇宙学家的说法，磁单极子应该在大爆炸期间大量产生并且现在应该可以被探测到；但实际上却没有，这被称为“磁单极子问题”。
在虚拟的历史中，狄拉克磁单极子的发现将引发一个问题：如果在第一次观测到正电子的时候就探测到了磁单极子，那么对他的声誉会有什么影响？这样的双重成功本可以进一步提升他在同事中的声誉，也很可能让公众更加了解他。但他却不会有机会像他的卢卡斯教授继任者中最近的一位——斯蒂芬?霍金那样成为媒体名人：狄拉克似乎从未想到要写一本科普书，他也不会考虑像霍金那样进入媒体的聚光灯下，比如说在《星际迷航》和《辛普森一家》中露面，或是在伦敦一家夜总会的舞池里亮相（作者注：史蒂芬?霍金出演了《星际迷航》中的一集，该集于1993年6月21日首播，并出演了《辛普森一家》中的若干集，分别于1999年5月9日和2005年5月1日首播。）。然而狄拉克对这种勇气却很钦佩，甚至超过了大多数同事对他的认知。
除了量子力学之外，狄拉克在其他好几个领域中都留下了自己的印记。他最不起眼的贡献之一就是他发明了一种分离化学元素不同同位素的新方法。他是在第二次世界大战期间发明这种方法的，但似乎行不通；因此很快就被人们遗忘，直到30年后，德国和南非的工程师们才重新发现了这种方法。他的方法似乎在经济上还不可行，但新的超强材料的发展仍然为这种方法在核工业中的应用提供了可能性。
狄拉克另一个非代表性工作是他在1933年与卡皮查一起探索电子的波粒二相性。现代激光技术的进步为验证卡皮查-狄拉克效应是否存在提供了新的机会。该效应就是一束细电子束在遇到光的驻波的时候会被衍射（弯曲）。卡皮查和狄拉克在1966年卡皮查俱乐部的最后一次会议上讨论了这种新的可能性。有几个小组试图证实这种效应，但都没有成功，直到2001年初春，内布拉斯加大学的一个研究小组使用高功率激光和一束极细电子束，观测到了这一现象。他们的仪器甚至可以安装在餐桌上。（作者注：见弗赖蒙德等人著作（2001年）。1986年，人们观察到了原子的卡皮查-狄拉克效应，但没有观察到电子的（见古尔德等人著作，1986年）。感谢赫尔曼?巴特兰在这一效应的现代实验方面对我的指导。）。卡皮查-狄拉克效应现在被用作一个敏锐的探测手段，可同时用来探测电子和光的波性和粒子性。
在广义相对论中，狄拉克也留下了一笔遗产，虽然这与他的才华不甚相配。奥本海默和他的同事们在1939年发现，爱因斯坦理论可以预言黑洞的存在，这种物体引力场很强，甚至连光都无法逃脱。对这一发现，狄拉克竟毫无兴趣跟进，这也成了一个谜。在狄拉克对相对论最重要的贡献中，他将该理论与他最喜欢的哈密顿量子力学相类比，并设计了一套互补的数学技术（其他物理学家在几乎同一时间也做了类似的工作）。这些方法被证明对天文学家研究靠得很近的一对旋转中子星（通常称为脉冲星）非常有用。这些中子星对相互环绕，慢慢失去能量。这种能量的逐渐损失用爱因斯坦的广义相对论可以很容易地解释，特别是如果再用上狄拉克共同发明的方法的话：脉冲星会发射引力辐射，且与加速电子发射电磁辐射的方式大致相同。引力波的研究目前是天文学中最有前途的领域之一。
狄拉克在关注宇宙在最大尺度上运行时的直觉，远不如他关注原子时那么强烈。然而不可否认的是，在二战爆发前不久发表的斯科特演讲中，他在回顾宇宙学的现状时也表现出了他的远见卓识。在那个时候，宇宙学这一课题还正处于襁褓之中。有一次在他不经意间发表的一连串机敏的讲话中，他突发灵感，猜测说我们周围所有事物形成的复杂结构都有它的种子，其存在于宇宙初始状态的量子涨落中。“这个全新的宇宙学，在哲学上可能会比相对论或量子理论更具革命性，”狄拉克说。他也许期待着当前宇宙学的繁荣，在那个领域，对宇宙中一些最遥远物体的精确观测，正在揭示现实的本性、物质的本性，以及最前沿的量子理论。在纳森?塞伯格——戴森在高等研究院的同事——看来，“哪怕演讲的日期不是1939年，而是1999年，它同样会给人留下深刻印象。”
尽管狄拉克在生命的最后时刻常常对他的大数假说持有怀疑态度，但他始终相信它的正确性（作者注：在对利奥波德?哈尔彭的采访中，他经常强调大数假设对狄拉克的重要性。参考自2006年2月26日对哈尔彭的采访。）。对于他迷恋了数十年的那些大数，现代人的观点认为只有其中一个还是个谜：即电子和质子之间的电场力强度与引力强度之比（10的39次方）。为什么引力与其他基本力相比如此微弱，这是要理解的最根本问题（作者注：按照传统的计量法，引力是第二强的基本力，即弱相互作用力强度的十亿亿亿亿分之一。）。困扰狄拉克的所有其他巨大数字现在都可从宇宙学标准理论推导出来，因此没有必要再去猜测它们之间的联系了——他所发现的巧合只是个假象。
狄拉克确信引力强度从一开始就在不断减弱，他在晚年投入了很多精力来证明这一点，尽管现在天文学家对太阳系内地球附近行星的观测结果几乎将其排除。虽然狄拉克的直觉仍然有可能是正确的，但这个课题在今天的研究议程上仍然未受重视。有一位科学家始终确信狄拉克是对的，那就是利奥波德?哈尔彭，他于2004年离开佛罗里达州立大学，成为一个卫星实验项目的一名常驻理论家，该项目由美国航天局和斯坦福大学共同运营，旨在检验爱因斯坦广义相对论中一些尚未证实的预测。哈尔彭希望能将他的理论预言与卫星观测结果进行比较，但他未能完成他的工作，便于2006年6月死于癌症。
不管狄拉克对引力的预言在未来结果如何，他的名字将永远与宇宙之初的反物质这个角色联系在一起。根据现代大爆炸理论，在宇宙诞生之初，即约137亿年前，产生的物质和反物质数量上完全相等。不久之后，由夸克和反夸克形成的一些重粒子发生衰变，导致物质多于反物质，多出的份额很小，仅为十亿分之一，但非常关键。第一位详细分析这种差异的科学家是塔姆的学生安德烈?萨哈罗夫，他后来是苏联的一位勇敢的人权活动家，他在1967年讨论了这种过剩是如何产生的，以及为什么宇宙中物质占绝大多数。如果没有这种不平衡，在时间之初形成的物质和反物质就会立即相互湮灭，因此整个宇宙就会变成一场短暂的高能光子浴而已。在这种情况下，物质就再也没有机会发现反物质了（作者注：感谢CERN的罗尔夫? 兰杜瓦在反物质实验研究现状方面对我的专业帮助。）。
人们还没有理解在宇宙诞生之初物质对反物质的过剩量为什么这么小，因此成千上万的物理学家正在努力理解它。他们的实验所获得的信息主要来自粒子加速器，在这种加速器中，反物质是通过普通粒子相互碰撞产生的，而产生出的反物质被迅速“分开”，以免其被物质所湮灭。实验者希望通过比较粒子与反粒子的衰变过程，弄清物质-反物质不平衡的本质。
现在，粒子加速器每天产生大约100万亿个正电子和5万亿个反质子——总共大约有十亿分之一克。尽管这个数量很小，但它们可被随意造出来，这一能力表明，在人类进化100万年后的今天，智人可以作为工具来使用反物质了。今天，在世界各地批量生产的设备中，正电子的生产已经常规化：医生使用正电子发射断层扫描（PET）来观察病人的大脑和心脏内部，而不再需要手术。这项技术很简单：给病人少量注射一种特殊的放射性化学物质，这种物质会沉淀在组织中，并自发地发射正电子，与组织中的电子相互作用。而医生所拍的照片记录的就是电子-正电子湮没时发出的辐射。
在短短的几十年内，正电子在科学家眼中从看似古怪的新奇事物变成了一种普通的亚原子量子；而通过对反物质的虚构化处理，比如《星际迷航》和丹?布朗的《天使与魔鬼》，大众对反物质也越来越熟悉。但反物质故事中最奇妙的是，人类第一次理解和感知它，不是通过视觉、嗅觉、味觉和触觉，而是通过狄拉克头脑中纯粹的理论推理。
像爱因斯坦一样，狄拉克总是在寻找泛化理论——用尽可能少的原理来解释关于宇宙尽可能多的方面的理论。他们两人也都相信，用优美的方程式表达理论，是实现这一目标的最佳方法。作为一名物理学家，数学使狄拉克受益良多，就像他在1975年的一篇非常坦率的文章中写道：
若你为人谦逊，善于接受建议，数学就将引领着你前进。次复一次，当我不知所措时，我只能等待[事情的发生]。它把我引上了一条意想不到的道路，一条开辟新视野的道路，一条通向新大陆的道路，在那里，人们可以建立一个行动的根据地，并可以从中审视周围的环境、规划未来的进展（作者注：这些文字写于1975年11月27日，对狄拉克来说似乎有着特别的意义。他把它们写在一张纸上，并
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