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保罗·狄拉克访谈-1982

保罗·A·M·狄拉克访谈：弗里德里希·洪德采访 (1982)

链接： Paul A. M. Dirac, Interview by Friedrich Hund (1982)

受访者： 保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克 (1902–1984)，1933年诺贝尔物理学奖得主，因“发现原子理论的新的富有成效的形式”获奖。

访谈主题

访谈录

洪德： 狄拉克教授，昨天您为我们简要介绍了理论物理学中一项非常重要的发展。这项发展始于爱因斯坦的狭义相对论，即空间和时间的对称性，然后引领了一项非常庞大的发展，最终涉及到另一种对称性，也就是粒子和反粒子之间的对称性。这似乎是您昨天演讲的主要内容，而贯穿其中的关键词就是“对称性”。

狄拉克： 是的，的确如此。我想强调的是，爱因斯坦是第一个真正认识到对称性重要性的人。诚然，洛伦兹在此之前已经推导出了那些变换的数学形式，我们称之为洛伦兹变换。但是，洛伦兹本人并没有完全理解这些变换背后所蕴含的深刻对称性。他仍然认为存在一个特殊的、优越的参考系，他称之为物理参考系，而其他的参考系在他看来仅仅是数学上的工具或者虚构。我记得他引入了“局域时”的概念，但他明确强调说局域时与“真实的时间”是不同的。在他看来，仍然存在一个绝对的系统，那就是以太。在这一点上，我认为他完全错了。我相信，直到1909年左右，他才最终接受了爱因斯坦的观点。他曾在1909年或1910年在哥廷根做过一次演讲，在演讲中他提到，或许我们必须放弃绝对等时性的概念，但是，我可以引用他的原话，用德语来说是：“Ich würde es ungern aufgeben。”（我不太愿意放弃它）。而爱因斯坦则是从一个完全不同的视角出发，他展现了他是一位真正独立的思考者。

洪德： 那么，狄拉克教授，当您提到“对称性”这个词时，在这个特定的语境下，您的意思是时间和空间之间的对称性吗？

狄拉克： 正确，是的。

洪德： 那么，最初处于核心地位的对称性，以及随着时间推移而出现的其他对称性又是什么呢？最初是空间和时间的对称性，然后我们认识到了其他的对称性，例如电子和反电子之间、正电荷和负电荷之间的对称性。而最近，在物理学中又涌现出其他的对称性，比如质子和中子之间的对称性。

狄拉克： 是的。

洪德： 而这似乎只是一种近似的对称性，物理学家们称之为“破缺的对称性”。现在，我想就您之前提到的时空对称性向您请教一些问题。在您的工作中，这种空间和时间的对称性在您构建所谓的狄拉克电子方程时，是否显得尤为重要？在那个时代之前，物理学家们似乎更倾向于所谓的薛定谔-克莱因-戈登方程，而在这个方程中，时间项是二阶导数的形式。

狄拉克： 是的。

洪德： 而在您构建我们今天所称的变换理论之前，这种形式是您无法接受的。在您的理论中，您需要概率的概念以及时间的一阶导数。

狄拉克： 那是完全正确的，是的。这迫使我去探索一种截然不同的方程形式。而这种不同的方程形式非常自然地引入了电子的自旋。看到自旋以这种方式自然而然地出现，对我来说确实是一个非常意外的发现。

洪德： 自旋，这意味着粒子同时拥有角动量和磁矩，两者是不可分割地联系在一起的。

狄拉克： 它们两者确实是同时出现的。我原先的想法是，人们应该先建立一个令人满意的无自旋粒子的理论，然后再逐步发展到更复杂的带自旋粒子的理论。但事实证明并非如此。我们所知的最简单的粒子本身就带有自旋。

洪德： 是的，您可能指的是泡利-魏斯科夫提出的标量理论。物理学家们后来发现，他们可以将任何自旋纳入后续的理论框架中，但这通常会导致理论变得更加复杂。我对此表示赞同，您所说的可能存在的最简单的粒子就是自旋为二分之一的费米子，也就是我们所说的电子。

狄拉克： 的确如此，是的。当这一点清晰地显现出来时，这真是一个伟大的启示。解决了这些理论上的困难之后，人们的主要注意力就可以集中在剩下的一个关键难题上，那就是如何合理地处理负能量态的问题。

洪德： 的确，这是一个困扰了物理学家们一段时间的问题。

狄拉克： 是的，我们花了相当长的时间，也许差不多一年的时间，才最终理解了这一点，并且引入了真空的概念，即所有负能量态都被粒子所占据。

洪德： 狄拉克教授，那么是否可以这样理解：在电子的这个理论中，让我称之为狄拉克理论，您可以将粒子-反粒子对，比如正电子和电子，以一种单粒子理论的形式来处理？而对于具有标量自旋的粒子，就像泡利-魏斯科夫理论描述的那样，您则需要一个多体理论来处理粒子对？

狄拉克： 是的，你的理解完全正确。

洪德： 现在，狄拉克教授，我们是否应该稍微谈一谈爱因斯坦的广义相对论？

狄拉克： 当然可以。

洪德： 爱因斯坦本人将广义相对论视为他最伟大的发现。他完全是独立地探索那些全新的数学思想，而最终能够理清他的思路，并提出一种全新的引力理论，其中蕴含着一种非常强大的对称性，这对他来说无疑是一个巨大的胜利。

狄拉克： 是的，但是这种对称性在物理学中，其重要性仅仅体现在引力场存在的场合。

洪德： 然而，我们之前讨论过的对称性，也就是狭义相对论的对称性，它在所有的物理学领域都是至关重要的。

狄拉克： 所以说，广义相对论所引入的这种更进一步的对称性，尽管它在数学上是一个如此奇妙的理论，但它对整个物理学的影响并没有像狭义相对论那样广泛和深远。

洪德： 狄拉克教授，您最近的工作似乎也与爱因斯坦的广义相对论密切相关。

狄拉克： 的确如此，我可以说我最近的工作很大程度上都与爱因斯坦的广义相对论有关。而且我相信，在爱因斯坦的广义相对论中应该使用的时间和距离，与我们通过原子钟所测量得到的时间和距离是不同的。存在着充分的理论依据来相信这一点，同时也相信相对于电磁力而言，引力随着宇宙年龄的增长正在逐渐减弱。

洪德： 这确实是一个非常有趣的观点。您提到有一些观测证据支持这一点？

狄拉克： 是的，随着宇宙的年龄增长，确实存在一些观测证据支持这个观点。例如，几个世纪以来，人们一直根据爱因斯坦理论所提供的时间标准对月球进行精确的观测。而自1955年以来，我们也开始使用原子钟进行观测。初步的证据显示，这两种时间标准之间可能存在一定的差异。当然，这些证据并不像我们希望的那样完整和确凿，人们仍在积极地研究这个问题，特别是通过1976年登陆火星的“海盗”号探测器。我们可以向火星发送雷达波，并接收反射回来的波。然后，我们就可以用原子时间来精确测量这些雷达波往返火星所需的时间。不幸的是，我们得到的结果非常复杂，因为其中存在着许多干扰因素。甚至流星也会造成干扰，而且经过火星附近的流星数量远比地球附近要多。所有这些干扰因素都必须被仔细地考虑进去。总而言之，科学家们仍在努力研究这个问题，我希望他们能很快得到一个明确的答案，来解答是否存在这两种不同的时间——爱因斯坦时间和原子时间，以及它们之间是否存在实际的差异。

洪德： 那么，狄拉克教授，您认为什么是“自然时钟”呢？如今，物理学家们通常认为分子或原子的振动可以作为一种自然时钟，而一个未受扰动的晶体的延伸可以作为一种自然长度。那么，在您看来，什么是真正的自然时间和自然长度呢？

狄拉克： 我认为，那些就是原子时间和原子长度，这是定义这些物理量的最佳方式。但是，我们必须认识到，以这种方式定义的物理量可能并不直接适用于爱因斯坦的广义相对论在天文学观测中的应用。

洪德： 那么，我们是否应该认为爱因斯坦的理论需要被修改或完善，或者它本身可以保持不变，只是需要我们对其进行不同的解释？

狄拉克： 我认为，爱因斯坦的方程本身仍然是有效的，但是它们的应用方式可能需要进行调整。是的，但是在爱因斯坦的原始方程中，引力常数是被假定为一个常数的。而在这些现代的发展中，情况可能并非如此。引力常数是否真的是一个常数，将取决于你所使用的单位系统，因为这本质上是一个解释的问题。是的，是的。目前并没有任何确凿的证据表明爱因斯坦的理论是错误的，问题仅仅在于我们应该如何正确地使用他的方程。事实证明，爱因斯坦的理论是一个非常奇妙的理论，在它所适用的所有领域都取得了巨大的成功。但是，关于其更深层次的解释，仍然存在一些尚未完全解决的问题。

洪德： 那么，狄拉克教授，您认为未来爱因斯坦的广义相对论是否有可能变得更加重要，甚至接近狭义相对论那样具有普遍的重要性呢？

狄拉克： 当然，就目前而言，它并没有那么重要，它的主要应用领域仍然是宇宙学和引力现象。但是，也许有一天，引力会与其他基本力，比如弱力、强力和电磁力，联系起来。这在理论上是可能的，但我想那将是非常遥远的未来。是的，的确如此，引力与其他力之间的强度差异，比如大约10^-40这个因子，实在是太小了。

洪德： 我记得您似乎是最早关注到这些极端常数，比如10-40和10-80的物理学家之一。

狄拉克： 是的，是的。但是，我们目前还没有得到任何确切的、确定的结果来解释这些数值的来源和意义，这个问题仍然是悬而未决的。我们从月球的观测中得到了一些初步的证据，但是我们更希望能够从火星的雷达观测中得到更进一步的证实。

洪德： 是的。现在，狄拉克教授，我们是否可以说量子力学也对物理学产生了巨大而深远的影响？毕竟，整个物质理论，包括物质的各种性质，化学等等，都是量子力学的直接结果。

狄拉克： 的确如此。在原子内部，电子的运动速度远低于光速。因此，量子力学的主要特征本质上是非相对论性的。

洪德： 我完全同意您的看法。而且我认为，量子理论和相对论之间的正确联系，至今尚未被我们完全理解和发现。

洪德： 狄拉克教授，我可以问您一些关于现代物理学发展的问题吗？目前，我们希望也许在不久的将来，我们能够得到一个统一的粒子理论。我们现在区分四种基本的相互作用力：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力。您对未来的理论发展有什么样的期望？

狄拉克： 我认为，目前理论物理学家所使用的方法可能并非正确的方向。他们使用所谓的重整化技术，这种方法涉及到处理无限大的物理量。在我看来，这在数学上并不是一个真正逻辑严谨的过程。我会说这更像是一套临时的工作规则，而不是一个完善和正确的数学理论。我个人来说，并不喜欢这种整体的发展趋势。我认为在这些问题能够得到真正解决之前，还需要做出一些其他非常重要的基础性发现。特别是，我们面临着如何解释精细结构常数这个难题，它的数值大约是1/137，在物理学中扮演着非常重要的角色。关键的问题在于，为什么这个常数是137，而不是其他的数值？这一点至今没有任何令人满意的解释。我感觉，在我们在理解原子理论方面取得重要的突破性进展之前，首先需要对这个精细结构常数做出合理的解释。此外，还有弱相互作用和强相互作用之间的关系，对于强相互作用，也许我们可以说其耦合常数近似于1。还有基本粒子的质量比例问题，比如电子、质子和中子的质量比例，我认为这也是一个非常重要的问题。我相信，这两个问题在某种程度上可能是相互关联的。当然，还有一个完全不同的问题，那就是质子质量与电子质量的比值，以及这个比值是否在宇宙演化的过程中保持恒定，或者它是否随着时间缓慢地发生变化。目前，许多物理学家正在积极地研究这些问题。