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今天我們將送出由清華大學出版社提供的優質科普書籍《DNA是如何發現的？一幅生命本質的探索路線圖》。
豌豆、果蠅、細菌和噬菌體被作為遺傳研究材料，經遺傳學家、化學家、醫學細菌學家和物理學家各自潛心探索，一步步逼近了生命本質——DNA分子。
而探索DNA分子的世界科學中心在西歐與北美間來回變遷，於是此項研究吸引來100多位世界各路傑出的英才，甚至將量子力學創立者玻爾、薛定諤等也吸引過來了，就連愛因斯坦也曾在噬菌體研究中短暫停留過。這些人有不同的文化傳統、不同的專業背景，所以，他們顯現出了各具特色的研究風格、學養乃至行事之道，既有成功的經驗，也有失敗的教訓，均值得我們後人借鑑和學習。《DNA是如何發現的？一幅生命本質的探索路線圖 》適合於理科各學科及社會科學等諸多領域的廣大讀者研讀。
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作者：Jorgen Veisdal
翻譯：Nothing
審校：Nuor
“ 我是費曼。”
“ 我是狄拉克。”
(令人尷尬的寂靜)
1946年，在普林斯頓大學兩百週年校慶上，深受大家愛戴的已故物理學家理查德·費曼（1918-1988）第一次見到了他心目中的偶像保羅·狄拉克（1902-1984），在之後的1948年和1962年他們至少又見了兩次面。
最引人注目的是，兩人在波科諾會議（Pocono Conference）上的針鋒相對，當時費曼在題為“量子電動力學的新形式（Alternative Formulation of Quantum Electrodynamics）”的演講中，重新闡述了狄拉克在1930年獲得諾貝爾物理學獎的理論。28 位來自世界各地的頂尖物理學家出席了會議，其中包括J.羅伯特·奧本海默、尼爾斯·玻爾、尤金·維格納、約翰·馮·諾依曼、恩里科·費米、漢斯·貝特，當然還有該理論的發明者保羅·狄拉克。
費曼對狄拉克理論的重新表述在波科諾並沒有被廣泛接受，因為玻爾、泰勒和狄拉克都提出了反對意見。費曼對觀眾反應感到失望，這促使他想要把自己的工作寫成論文發表出去。他的確這樣做了，在接下來的三年裡，他發表了四篇重要的論文來描述他現在已經發展成熟的理論及其含義：
Feynman, R.P. (1949). “量子電動力學的時空方法（Space–Time Approach to Quantum Electrodynamics）”. Physical Review 76 (6) pp. 769–89.
Feynman, R.P. (1949). “正電子理論（The Theory of Positrons）” in Physical Review 76(6) pp. 749–759;
Feynman, R.P. (1950). “關於電磁輻射量子理論的數學描述（Mathematical Formulation of the Quantum Theory of Electromagnetic Radiation）” in Physical Review 80 (3) pp. 440–457;
Feynman, R.P. (1951). “一種可以應用於量子電動力學的符號計算方法” An Operator Calculus Having Applications in Quantum Electrodynamics” in Physical Review 84 (1) pp. 108–128;
·
這些論文在後來幫助了費曼於1965年與朱利安·施溫格（1918-1994）和朝永振一郎（1906-1979）一起獲得諾貝爾物理學獎，主要貢獻是他們“關於量子電動力學的基礎工作以及對基本粒子物理產生的深遠影響”。
接下來的故事講述了狄拉克，是如何從費曼的偶像變成了他競爭對手，並激勵了費曼一生的工作，這些工作不僅改變了現代物理學的發展軌跡，而且還書寫了費曼作為歷史上最優秀（之一）科學家的傳奇。
背景(1926–1946)
左：保羅 狄拉克（1902-1984）.右：1928年狄拉克發表的著名論文：電子的量子論。這篇論文中他提出了著名的狄拉克方程用以描述電子波函數的相對論性公式。
1926年，英國物理學家保羅·狄拉克在在哥廷根大學馬克斯·玻恩（1882-1970）手下工作時提出了描述輻射和物質相互作用的量子理論的第一個公式，他的計算涉及原子的自發輻射係數。狄拉克用諧振子的集合描述電磁場的量子化並引入產生湮滅算符來描述這些諧振子。1927年，他的計算首次在論文“輻射發射和吸收的量子理論（The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation）”中發表，該論文由《倫敦皇家學會學報》接收併發布。
這項工作將幫助狄拉克因“發現原子理論的新形式”與埃爾溫·薛定諤一起獲得1933年諾貝爾物理學獎。隨著泡利、維格納、約當、海森堡和費米在20世紀30年代的進一步工作，當時傑出的量子物理學家開始相信這可能是對任何涉及光子和帶電粒子相互作用的物理過程的計算方法。關於狄拉克的發現，費曼後來在他的狄拉克紀念演講中首次進行描述（費曼和溫伯格，1987年）：
正如他所說，狄拉克和他的電子相對論性方程第一次，把量子力學和相對論結合在一起。
-理查德·費曼（1986）
儘管量子電動力學在20世紀20年代和30年代初期具有革命性，但到了40年代中期，在最優秀的科學家中，人們普遍認為，狄拉克提出的量子電動力學存在數學缺陷。特別是，當時的理論在高階微擾中引入了無窮積分。早在1930年，奧本海默在《物理評論》“關於場與物質相互作用理論的證明（Note on the Theory of the Interaction of Field and Matter）”一文中就指出了這一點，但直到費利克斯·布洛赫和阿諾德·諾德西克（1937）和維克多·魏斯科夫（1939）發表進一步的研究結果，這一問題才得到解決。
第二次世界大戰結束後，微波技術的改進使人們有可能進行更精確的實驗，人們精確測量了氫原子能級的移動，現在稱為蘭姆位移以及電子的磁矩。這些發現進一步揭示了這一理論的不足。正是在這種緊張的氣氛中，費曼和狄拉克第一次見面。
第一次相遇（1946）
“我提出了一個方程，你呢？”
費曼稱，這是狄拉克1946年第一次見面時對他說的第一句話。當時，普林斯頓大學正在慶祝兩百週年校慶。費曼受邀介紹他的心目中的偶像，並就這位偉人最近的工作進行討論。狄拉克在一次關於戰後核科學的未來的會議上被邀請就基本粒子發表演講。正如格雷克（1992年第226頁）所寫，費曼不喜歡狄拉克所做的工作，他認為這只是對之前工作的重新陳述，它導致了量子電動力學中已經眾所周知的困境：
“他覺得這是關於以哈密頓能量為中心的理論的回顧——一個死衚衕。”
-格雷克（1992）
在介紹狄拉克之前，費曼在人群中發表了講話，當時他正處於“大量神經質的笑話之中，以至於尼爾斯·玻爾[……]站起來批評他缺乏嚴肅性”（格雷克，1992）。最後，他講了一段與狄拉克即將發表的演講有點衝突的話，談到量子電動力學那並不穩固的狀態：
“我們需要在數學形式上有一個觀念上的飛躍，就像我們在狄拉克電子理論中所做的那樣[…]我們需要一個天才的神來之筆。”
之後，隨著時間的流逝（格雷克，1992）：
費曼向窗外望去，看見狄拉克懶洋洋地躺在一片草地上，凝望著天空。他從二戰前就有一個問題想請教狄拉克。他走了出去，坐了下來。
1933年狄拉克的一篇論文中的一句話為費曼發現經典力學行為的量子表述提供了重要線索。“現在很容易看出量子行為和經典行為的相似性是什麼”，狄拉克寫下了這條線索，但他和其他人都沒有深挖它，直到費曼發現“相似”實際上是完全成比例的。它們之間擁有一條潛在的紐帶。他問狄拉克，他心目中的偶像，是否一直知道這兩個量是成比例的。“是嗎？”狄拉克說。
費曼說是的，他們是這樣的。沉默過後，狄拉克走開了。
——詹姆斯·格雷克《天才》節選（1992）
第二次相遇（1948）
他們的第一次互動——雖然對以古怪著稱的狄拉克來說可能沒有什麼特別之處——可能熱愛社交的費曼失望了，自從費曼進入物理學領域以來，他一直想討論狄拉克的工作。
直到幾年後，當兩人都參加了由羅伯特·奧本海默為國家科學院安排的波科諾會議時，他們才再次相遇。
自20世紀20年代中期以來，奧本海默和狄拉克一直是親密的朋友，當時他們都在哥廷根的馬克斯·玻恩手下工作。費曼和奧本海默的關係可以追溯到洛斯阿拉莫斯和曼哈頓計劃，費曼曾在奧本海默的領導下進行原子彈的理論工作。
甚至在戰爭結束之前，奧本海默就對年輕的費曼的工作印象深刻，以至於在1943年，他主動給加州大學伯克利分校物理系主任寫了一封推薦信，建議他在戰後為費曼提供一個職位，信中寫道：
每個人都知道這一點，他很可能是這裡最聰明的年輕物理學家。他是一個性格和個性都很投入的人，各方都很純粹優秀，同時也是一個對物理各方面都懷有熱情的優秀教師。他與他所屬的理論界人士，以及與他有密切合作的實驗界人士，都有著最好的關係。……我覺得他將是我們系的一大新生力量，他樂於把我們系的教學、研究、實驗和理論的方方面面聯繫在一起。我可以向你轉述曾與他共事的人的兩段話。貝特說他寧願失去其他的兩個人也不願失去費曼一個人，維格納說：“他是第二個狄拉克，只是這次他是人類。”...
祝你一切安好
羅伯特·奧本海默
節選自：奧本海默寫給布里奇的信
（1943年11月4日）
波科諾會議在一年前舉辦的具有傳奇色彩的謝爾特島會議（會議主題是“量子物理學的基礎”）的基礎上更進一步。這是戰後第一次重要的物理會議，後來被奧本海默視為“他參加過的最成功的科學會議”。費曼後來向科學史學家傑格迪什·梅赫拉回憶說：
“從那以後，世界上舉行了許多會議，但我從未覺得有任何會議像這樣重要。[……]謝爾特島會議是我第一次和大人物一起開會，[……]我從來沒有在和平時期參加過這樣的會議。”
儘管在謝爾特島會議上討論過，但1947年，量子電動力學中的數學問題，完全被實驗物理學家發現的蘭姆位移和第一次測量電子磁矩的結果（Mehra，1994）的成果所掩蓋了。
儘管如此，波科諾會議於3月30日在風景如畫的賓夕法尼亞州波科諾山中召開，“在一個斑駁的綠色鐘樓下的休息室裡，可以俯瞰高爾夫球場和50英里綿延的林地”（格萊克，1992年）。費曼的演講題為“量子電動力學的新形式”，時間定在會議第二天。在他之前的是美國物理學家朱利安·施溫格，他第一次提出了一個完整的量子電動力學理論，它同時滿足“相對論不變性”和“規範不變性”的標準，這個理論試圖解決量子電動力學自20年前狄拉克等人提出以來一直困擾著大家能量無窮大的問題。
費曼在1948年的波科諾會議上與包括羅伯特·奧本海默（黑衣，手持菸斗）在內的其他物理學家進行了接觸（照片：由加州理工學院照片檔案館提供）
施溫格的理論建立在漢斯·貝特（1906-2005）的早期研究上，該研究是在前一年參加謝爾特島會議後發表的。貝特的論文“能級的電磁位移（The Electromagnetic Shift of Energy Levels）”建立了一個後來被稱為重整化的方法，在量子場論中，利用場的統計力學和自相似幾何結構理論來抵消自相互作用的影響。
施溫格的貢獻是發展了貝特的工作。他的演講無論在結構還是內容上都非常正式。
“他引入了一個困難的新符號，並著手為電子與自身場的相互作用等‘應用’獲得具體的結果。”
（格雷克，1992年）
在演講過程中，玻爾提出了一個問題。這讓施溫格很惱火，他打斷了他的話，向前走去。在持續了六個小時的演講結束時，貝特注意到施溫格的形式化、數學化的方法讓聽眾啞口無言，因此他建議費曼採用類似的結構。
貝特曾是洛斯阿拉莫斯理論部門的負責人，費曼在曼哈頓項目期間曾在那裡工作。在奧本海默1943年寫給布里奇的信中，他曾提到費曼，“他寧願失去另外兩個人，也不願失去費曼”。費曼相信前老闆貝特的直覺，從方程式開始講解（格雷克，1992）：
“我將用這個數學公式，展示量子力學所有結果”
站在他的前老闆兼老師貝特，貝特的前老闆奧本海默，他的偶像狄拉克和費米，以及其他人面前，費曼繼續說。
費曼現在是有史以來最有天賦的科學傳播者之一，他站在那裡，偶然地發表了一篇未經報道的包含大量“猜測和直覺”的演講。這次演講被施溫格（他第一次看到費曼的工作）稱為比物理更接近工程。觀眾變得不淡定了。
“讓費曼吃驚的是，每個人都有自己青睞的原則或者理論，而他卻違背了所有的原則或理論。”
—格雷克（1992）
泰勒打斷了費曼，他認為費曼的理論違反了不相容原理。接下來是玻爾，他經常在洛斯阿拉莫斯找費曼討論，他站起來發表了一通帶有羞辱性的評論，隱晦表達了費曼連基本物理都不懂的意思。
然後，狄拉克舉起了手。
“它是么正（unitary）的嗎？”
費曼正在黑板上畫一些大家不熟悉的圖表。他展示了一個反物質粒子在時間上向後移動。這讓狄拉克感到迷惑，他首先預言了反物質的存在。
狄拉克現在問了一個關於因果關係的問題：
“它是么正的嗎？”
是么正的！他在說什麼？
“我來給你解釋，”費曼說，“你就可以看到它是如何作用的，然後你就可以告訴我它是不是么正的。”
他接著說，不時地他覺得他還能聽到狄拉克喃喃自語，“是不是么正的？”。
-摘自《天才：理查德·費曼的生命與科學》，
詹姆斯·格雷克著（1992）
費曼甚至不知道狄拉克是什麼意思。希望繼續研究正電子能幫助他們理解，他繼續說。狄拉克又打斷了他發出同樣的詢問：“是么正的嗎？”.
“么正是什麼意思？”費曼反問道。
“是將你從過去演化到未來的矩陣。”
這並沒有幫助費曼理解，但他沒有認輸：
“由於我的足跡在時間上前後移動，我不知道它是否是么正的”。
答案並沒有讓聽眾滿意，他們最終對費曼的演講置之不理，而是把施溫格的演講作為會議的亮點。
第三次相遇（1962）
費曼與狄拉克
據我們所知，費曼和狄拉克在1962年波蘭華沙舉行的引力的相對論理論國際會議上又見過一次面，會議由利奧波德·因費爾德組織。一位物理學家無意中聽到了他們的談話，因為印象深刻，他把談話記錄下來（格雷克，1992年，第228頁）：
費曼：我是費曼。
狄拉克：我是狄拉克。（沉默）
費曼：你發現那個公式的經歷一定很美好。
狄拉克：那是很久之前的事情了。（暫停了一下）
狄拉克：你在做什麼。
費曼：介子理論。
狄拉克：你找到描述他們的公式了嗎？
費曼：那非常難。
狄拉克：一定要有人做才行。
狄拉克紀念講座（1986）
保羅·狄拉克於1984年去世，享年82歲。兩年後，費曼應邀為狄拉克作了三次紀念演講中的一次。他做了一個題為“基本粒子和物理定律”的講座，開場白如下：
我年輕時，狄拉克是我心目中的偶像。他做出了一個新的突破，一種做物理的新方法。他有以無比的勇氣猜測出一個簡單的方程形式，這個方程我們現在稱之為狄拉克方程，然後試圖解釋它。
費曼的演講發表在劍橋大學出版社1987年出版的同名書《基本粒子與物理定律》中。
原文鏈接：
https://medium.com/cantors-paradise/when-feynman-met-dirac-fe9cca0006df
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編輯：aki
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