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从狄拉克谈起
王世坤
中国科学院数学与系统科学研究院
清华大学,2010 年 12 月13 日
谢谢季教授邀请我来给大家作这个报告。这个报告主要是开阔大家视
野,所以我就找了这么一个题目。因为不是非常学术的,所以有些细节之
处不是数学上非常严格的,主要目的是让大家知道数学物理里的一点事情、
关心什么问题,我想就可以了。
保罗 ·狄拉克是 1933 年诺贝尔奖得主,他是相对性量子力学的奠基
者。这个物理学教授的数学很好。我为什么作这个报告呢?两个因素:一
个是最近退休了想干点事,看看的诺贝尔奖的物理学家的数学工作怎么样,
觉得狄拉克的数学很厉害;另一方面,狄拉克的数学不但厉害,而且他还
很推崇数学,他说:“上帝是用漂亮的数学创造这个世界的。”
狄拉克是相对性量子力学的奠基者,所以我先要解释一下“相对性”
和“量子力学”。
大家都知道牛顿力学。牛顿在1686 年发表了一本令世人震惊的奠基之
作《自然哲学的数学原理》。在牛顿的时代,大家知道有两个物理学家,他
们数学其实也挺好,只不过那时候年代比较早,没有诺贝尔奖。一个是伽
利略,一个是开普勒。开普勒主要是研究行星运动的,天上的,伽利略则
是研究地上的。牛顿发现,天上的和地上的这两者实际上是很和谐的。他
从数学逻辑演绎的角度把这两者合在一起,所以牛顿说他的成就是站在巨
人的肩膀上。他对伽利略和开普勒的工作都有所推进,但是基本上是在他
们俩人的基础之上才形成了牛顿的三大定律和万有引力定律。
按照经典的牛顿力学,一个粒子是由两个量来确定的:一个是它的位
置,一个是它的速度。经典力学基本上由这两者就可以确定了。从牛顿这
本书,大家可以看出数学演绎对他奠定经典力学基础所起的作用。我来读
一段:“我献出这一作品,作为哲学(科学)的数学原理:因为哲学的全部
困难似乎在于从运动现象研究自然界的力,然后从这些力去阐明其它现象;
为了这一目的,一般性的命题定理将在第一和第二篇中给出;在第三篇中,
我们将给出阐述世界体系的一个例子,因为根据在第一篇中已从数学上证
明了的命题,可以在此从天体现象中获得关于引力的学说,物体由于引力
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而趋向太阳和几大行星。同时,从这些力出发,根据数学原理,我们再推
导出关于行星、彗星、月亮、海洋的运动。我希望,自然界的其它现象,
亦可以用同样的方法,由数学原理推导出来。”
牛顿的经典力学很成功,能够解释很多的物理现象。拉普拉斯说:“如
果在某一时刻,我们知道宇宙中所有粒子的位置和速度,那么科学规律就
使我们能够计算这些粒子在过去和未来的所有时刻的位置和速度。”牛顿的
书同时也奠定了微积分的基础,它把物理科学从实验科学转变为精确科学。
牛顿的经典力学奠定了牛顿至高无上的地位。后来还是有些问题经典力学
解决不了,比如描述电磁学的麦克斯韦方程。
我现在用现代的语言来叙述麦克斯韦方程:设F 是一个微分2-形式,
d F = 0, δ F = 0,
其中 d 是外微分,学过微分几何的同学都知道;δ 是d 的共轭算子。用局
部坐标写出来就是F = f dx ∧ dx ,
{ + + = 0
− − − = 0
在经典力学里,有一个对称性:物理规律在相对匀速运动的坐标系
(即惯性系)里都应该是一样的。把一个惯性系变为另一个惯性系的变换
叫伽利略变换,于是经典力学里的物理规律有伽利略协变性。例如,沿x
轴匀速运动的伽利略变换可写为
x′ = x − v t, y′ = y, z′ = z, t′ = t.
这其中隐含了绝对时间和绝对空间的概念。如果把伽利略变换作用在麦克
斯韦方程上,可以发现麦克斯韦方程的形式不再保持不变。这是经典力学
解释不了的。这也是相对论产生的因素之一。
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