Paweł Dirac

„Dirac” przekierowuje tutaj. W przypadku innych zastosowań zobacz Dirac (ujednoznacznienie) .

Paweł Dirac OM FRS
Dirac, sfotografowany w 1933 roku
Urodzić się	Paula Adriena Maurice'a Diraca ( 08.08.1902 ) 8 sierpnia 1902 Bristol , Anglia
Zmarł	20 października 1984 ( w wieku 82) ( 20.10.1984 ) Tallahassee, Floryda , USA
Narodowość	brytyjski
Alma Mater	Uniwersytet w Bristolu Uniwersytet Cambridge
Znany z	Adjotan Diraca Algebra Diraca Wspornik Diraca Grzebień Diraca Równanie Diraca-Coulomba-Breita Stała Diraca Funkcja delta Diraca Równanie Diraca Fermion Diraca Pole Diraca Miernik Diraca Teoria dziury Diraca Hipoteza wielkich liczb Diraca Macierze Diraca Miara Diraca Membrana Diraca Monopol Diraca Notacja Diraca Operator Diraca obraz Diraca Morze Diraca Widmo Diraca Spinor Diraca struna Diraca Sztuczka ze strunami Diraca Aksjomaty Diraca-von Neumanna Siła Abrahama-Lorentza-Diraca antycząstki Kwantyzacja kanoniczna Kanoniczna grawitacja kwantowa Wymiana interakcji Ograniczenie pierwsza klasa Całka Fermiego-Diraca Kompletna całka Fermiego-Diraca Statystyki Fermiego – Diraca Efekt Kapicy-Diraca Relacja energia-pęd Proces separacji wirowej Helikon Lekka kwantyzacja z przodu Matematyczne sformułowanie mechaniki kwantowej Prawdopodobieństwo ujemne Formuła całkowa po ścieżce Ograniczenie podstawowe Elektrodynamika kwantowa pole singletona Spinowy moment magnetyczny Zmienność w czasie podstawowych stałych Teoria transformacji Polaryzacja próżni Wirtualna cząsteczka Lista rzeczy nazwanych na cześć Paula Diraca
Współmałżonek	Margit Wigner ​   ( m. 1937 <a i=4>) ​
Dzieci	2
Nagrody	Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (1933) Medal Królewski (1939) Medal Copleya (1952) Medal Maxa Plancka (1952) Członek Towarzystwa Królewskiego (1930)
Kariera naukowa
Pola	Fizyka teoretyczna
Instytucje	Uniwersytet Cambridge Uniwersytet Miami Uniwersytet Stanowy Florydy
Praca dyplomowa	Mechanika kwantowa (1926)
Doradca doktorski	Ralpha Fowlera
Doktoranci	Homi J. Bhabha Harish-Chandra Dennisa Sciamy Freda Hoyle'a Behram Kurşunoğlu Johna Polkinghorne'a
Wpływy	Johna Stuarta Milla

Portret Paula Diraca autorstwa Clary Ewald (1939)

Paul Adrien Maurice Dirac OM FRS ( / d ɪ r æ k , / ; 8 sierpnia 1902 - 20 października 1984) był angielskim fizykiem teoretycznym uważanym za jednego z najważniejszych fizyków XX wieku. Był Lucasowskim profesorem matematyki na Uniwersytecie w Cambridge , profesorem fizyki na Uniwersytecie Stanowym Florydy i Uniwersytecie w Miami oraz laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1933 roku .

Dirac wniósł fundamentalny wkład we wczesny rozwój zarówno mechaniki kwantowej , jak i elektrodynamiki kwantowej . Między innymi sformułował równanie Diraca opisujące zachowanie fermionów i przewidział istnienie antymaterii . Dirac podzielił Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki z 1933 r. z Erwinem Schrödingerem „za odkrycie nowych produktywnych form teorii atomowej ”. Wniósł również znaczący wkład w pogodzenie ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową.

Dirac był uważany przez swoich przyjaciół i współpracowników za niezwykłego charakteru. W liście z 1926 roku do Paula Ehrenfesta Albert Einstein napisał o artykule Diraca: „Męczę się nad Diraciem. To balansowanie na zawrotnej ścieżce między geniuszem a szaleństwem jest okropne”. W innym liście dotyczącym efektu Comptona napisał: „W ogóle nie rozumiem szczegółów Diraca”.

Życie osobiste

Wczesne lata

Paul Adrien Maurice Dirac urodził się 8 sierpnia 1902 roku w domu swoich rodziców w Bristolu w Anglii i dorastał w dzielnicy Bishopston . Jego ojciec, Charles Adrien Ladislas Dirac, był imigrantem z Saint-Maurice w Szwajcarii, który pracował w Bristolu jako nauczyciel francuskiego. Jego matka, Florence Hannah Dirac, z domu Holten, urodziła się w kornwalijskich metodystów w Liskeard w Kornwalii . Została nazwana na cześć Florence Nightingale przez jej ojca, kapitana statku, który spotkał Nightingale'a, gdy był żołnierzem podczas wojny krymskiej. Jego matka przeniosła się do Bristolu jako młoda kobieta, gdzie pracowała jako bibliotekarka w Bibliotece im Biblioteka Centralna w Bristolu ; mimo to nadal uważała, że ​​jej tożsamość jest raczej kornwalijska niż angielska. Paul miał młodszą siostrę, Béatrice Isabelle Marguerite, znaną jako Betty, i starszego brata, Reginalda Charlesa Félixa, znanego jako Felix, który zmarł w wyniku samobójstwa w marcu 1925 roku. Dirac wspominał później: „Moi rodzice byli strasznie zmartwieni. wiem, że tak bardzo im zależało… Nigdy nie wiedziałem, że rodzice powinni dbać o swoje dzieci, ale od tamtej pory wiedziałem ”.

Karol i dzieci byli oficjalnie obywatelami Szwajcarii, dopóki nie zostali naturalizowani 22 października 1919 r. Ojciec Diraca był surowy i autorytarny, chociaż nie pochwalał kar cielesnych. Dirac miał napięte stosunki ze swoim ojcem, do tego stopnia, że ​​po jego śmierci Dirac napisał: „Czuję się teraz znacznie bardziej wolny i jestem swoim własnym człowiekiem”. Karol zmusił swoje dzieci, aby rozmawiały z nim tylko po francusku, aby mogły nauczyć się tego języka. Kiedy Dirac stwierdził, że nie może wyrazić tego, co chciał powiedzieć po francusku, postanowił milczeć.

Edukacja

Dirac kształcił się najpierw w szkole podstawowej Bishop Road , a następnie w wyłącznie chłopięcym Merchant Venturers' Technical College (później Cotham School ), gdzie jego ojciec był nauczycielem francuskiego. Szkoła była instytucją powiązaną z Uniwersytetem w Bristolu , który dzielił teren i personel. Położono nacisk na przedmioty techniczne, takie jak murarstwo, szewstwo i metaloplastyka oraz języki nowożytne. Było to niezwykłe w czasach, gdy szkolnictwo średnie w Wielkiej Brytanii było nadal poświęcone głównie klasyce i coś, za co Dirac później wyraził swoją wdzięczność.

Dirac studiował elektrotechnikę na stypendium City of Bristol University na wydziale inżynierii University of Bristol, który był zlokalizowany razem z Technical College Merchant Venturers. Na krótko przed ukończeniem studiów w 1921 roku przystąpił do egzaminu wstępnego do St John's College w Cambridge . Zdał i otrzymał stypendium w wysokości 70 funtów, ale to nie wystarczało na życie i studia w Cambridge. Pomimo tego, że ukończył studia pierwszego stopnia z wyróżnieniem Bachelor of Science w dziedzinie inżynierii, klimat gospodarczy kraju powojenna depresja była taka, że ​​nie mógł znaleźć pracy jako inżynier. Zamiast tego przyjął ofertę bezpłatnych studiów licencjackich z matematyki na Uniwersytecie w Bristolu. Ze względu na stopień inżyniera pozwolono mu pominąć pierwszy rok studiów.

W 1923 roku Dirac ukończył studia, po raz kolejny z wyróżnieniem pierwszej klasy, i otrzymał stypendium w wysokości 140 funtów z Departamentu Badań Naukowych i Przemysłowych . Wraz ze stypendium w wysokości 70 funtów z St John's College wystarczyło to na życie w Cambridge. Tam Dirac rozwijał swoje zainteresowania ogólną teorią względności , zainteresowania, które zdobył wcześniej jako student w Bristolu, oraz rodzącą się dziedziną fizyki kwantowej , pod kierunkiem Ralpha Fowlera . Od 1925 do 1928 pełnił 1851 stypendium naukowe z Królewska Komisja Wystawy z 1851 r . . Ukończył doktorat w czerwcu 1926 r. Pierwszą rozprawą z mechaniki kwantowej, którą można było złożyć gdziekolwiek. Następnie kontynuował swoje badania w Kopenhadze i Getyndze . Wiosną 1929 był profesorem wizytującym na Uniwersytecie Wisconsin-Madison .

Rodzina

Paul Dirac z żoną w Kopenhadze , lipiec 1963 r

W 1937 roku Dirac poślubił Margit Wigner, siostrę fizyka Eugene'a Wignera i rozwódkę. Dirac wychował dwoje dzieci Margit, Judith i Gabriela , jakby były jego własnymi. Paul i Margit Dirac mieli razem dwie córki, Mary Elizabeth i Florence Monica.

Margit, znana jako Manci, odwiedziła swojego brata w 1934 roku w Princeton w stanie New Jersey z ich rodzinnych Węgier i podczas kolacji w restauracji Annex spotkała „samotnego mężczyznę przy sąsiednim stoliku”. Ta relacja koreańskiego fizyka YS Kima, który spotkał Diraca i był pod jego wpływem, również mówi: „To szczęście dla społeczności fizyków, że Manci dobrze zaopiekował się naszym szanowanym Paulem AM Diraciem. Dirac opublikował jedenaście artykułów w okresie 1939–46… Dirac był w stanie utrzymać swoją normalną produktywność badawczą tylko dlatego, że Manci był odpowiedzialny za wszystko inne ”.

Osobowość

Dirac był znany wśród swoich kolegów ze swojej precyzyjnej i małomównej natury. Jego koledzy z Cambridge żartobliwie zdefiniowali jednostkę zwaną „dirac”, czyli jedno słowo na godzinę. Kiedy Niels Bohr skarżył się, że nie wie, jak zakończyć zdanie w artykule naukowym, który pisał, Dirac odpowiedział: „W szkole uczono mnie, aby nigdy nie zaczynać zdania, nie znając jego końca”. Krytykował fizyka J. Roberta Oppenheimera zainteresowanie poezją: „Celem nauki jest uczynienie trudnych rzeczy zrozumiałymi w prostszy sposób; celem poezji jest przedstawienie prostych rzeczy w niezrozumiały sposób. Jedno i drugie jest nie do pogodzenia”.

Sam Dirac napisał w swoim dzienniku podczas studiów podyplomowych, że koncentrował się wyłącznie na swoich badaniach i zatrzymywał się tylko w niedzielę, kiedy odbywał samotnie długie spacery.

Anegdota opisana w recenzji biografii z 2009 roku opowiada o tym, jak Werner Heisenberg i Dirac płynęli liniowcem oceanicznym na konferencję w Japonii w sierpniu 1929 roku. „Obaj wciąż po dwudziestce i niezamężni, tworzyli dziwną parę. " człowiek, który nieustannie flirtował i tańczył, podczas gdy Dirac - „edwardiański maniak", jak to ujął biograf Graham Farmelo - cierpiał agonię, gdy był zmuszany do jakichkolwiek spotkań towarzyskich lub pogawędek. „Dlaczego tańczysz?" Dirac zapytał swojego towarzysza. „Kiedy są ładne dziewczyny, to przyjemność", odpowiedział Heisenberg. Dirac zastanowił się nad tym pojęciem, po czym wyrzucił z siebie: „Ale, Heisenberg, skąd wiesz z góry, że dziewczyny są miłe? ' "

Margit Dirac powiedziała zarówno George'owi Gamowowi , jak i Antonowi Capri w latach sześćdziesiątych, że jej mąż powiedział do gościa w domu: „Pozwól, że przedstawię siostrę Wignera, która jest teraz moją żoną”.

Inna historia opowiedziana o Diracu jest taka, że ​​kiedy po raz pierwszy spotkał młodego Richarda Feynmana na konferencji, powiedział po długiej ciszy: „Mam równanie. Czy ty też je masz?”

Po wygłoszeniu wykładu na konferencji jeden z kolegów podniósł rękę i powiedział: „Nie rozumiem równania w prawym górnym rogu tablicy”. Po długiej ciszy moderator zapytał Diraca, czy chce odpowiedzieć na pytanie, na co Dirac odpowiedział: „To nie było pytanie, to był komentarz”.

Dirac był również znany ze swojej osobistej skromności. Nazwał równanie ewolucji w czasie operatora mechaniki kwantowej, które jako pierwszy zapisał, „równaniem ruchu Heisenberga”. Większość fizyków mówi o statystyce Fermiego-Diraca dla cząstek o spinie całkowitym i o statystyce Bosego-Einsteina dla cząstek o spinie całkowitym. Wykładając w późniejszym życiu, Dirac zawsze nalegał na nazywanie dawnej „statystyk Fermiego”. Odniósł się do tych ostatnich jako „statystyki Bose” z powodów, jak wyjaśnił, „symetrii”.

Poglądy na temat religii

Heisenberg przypomniał sobie rozmowę między młodymi uczestnikami konferencji Solvaya w 1927 r. na temat poglądów Einsteina i Plancka na religię między Wolfgangiem Paulim , Heisenbergiem i Diraciem. Wkład Diraca polegał na krytyce politycznego celu religii, który Bohr uznał za całkiem jasny, słysząc go później od Heisenberga. Między innymi Dirac powiedział:

Nie mogę zrozumieć, dlaczego bezczynnie dyskutujemy o religii. Jeśli jesteśmy uczciwi – a naukowcy muszą być – musimy przyznać, że religia jest zbieraniną fałszywych twierdzeń, które nie mają podstaw w rzeczywistości. Sama idea Boga jest wytworem ludzkiej wyobraźni. Jest całkiem zrozumiałe, dlaczego prymitywni ludzie, którzy byli o wiele bardziej narażeni na działanie przemożnych sił natury niż my dzisiaj, mieli uosabiać te siły w strachu i drżeniu. Ale w dzisiejszych czasach, kiedy rozumiemy tak wiele naturalnych procesów, nie potrzebujemy takich rozwiązań. Za nic w świecie nie widzę, jak postulat Boga Wszechmogącego może nam w jakikolwiek sposób pomóc. Widzę, że to założenie prowadzi do tak bezproduktywnych pytań, jak to, dlaczego Bóg dopuszcza tyle nieszczęść i niesprawiedliwości, wyzysk biednych przez bogatych i wszystkie inne okropności, którym mógł zapobiec. Jeśli nadal naucza się religii, to bynajmniej nie dlatego, że jej idee wciąż nas przekonują, ale po prostu dlatego, że niektórzy z nas chcą uciszyć klasy niższe. Cichymi ludźmi dużo łatwiej rządzić niż hałaśliwymi i niezadowolonymi. Są też znacznie łatwiejsze do wykorzystania. Religia jest rodzajem opium, które pozwala narodowi uśpić się w marzeniach życzeniowych i zapomnieć o niesprawiedliwościach popełnianych wobec ludzi. Stąd ścisły sojusz między tymi dwiema wielkimi siłami politycznymi, państwem i Kościołem. Obaj potrzebują złudzenia, że ​​łaskawy Bóg wynagradza — w niebie, jeśli nie na ziemi — wszystkich tych, którzy nie powstali przeciw niesprawiedliwości, którzy spełnili swój obowiązek cicho i bez narzekania. Właśnie dlatego szczere twierdzenie, że Bóg jest jedynie wytworem ludzkiej wyobraźni, jest piętnowane jako najgorszy ze wszystkich grzechów śmiertelnych.

Pogląd Heisenberga był tolerancyjny. Pauli, wychowany jako katolik, milczał po kilku wstępnych uwagach, ale kiedy w końcu zapytano go o opinię, powiedział: „Cóż, nasz przyjaciel Dirac ma religię, a jej przewodnią zasadą jest:„ Nie ma Boga, a Pauli Dirac jest Jego prorokiem. ” Wszyscy, łącznie z Diracem, wybuchnęli śmiechem.

W późniejszym życiu poglądy Diraca na ideę Boga były mniej zjadliwe. Jako autor artykułu, który ukazał się w wydaniu Scientific American z maja 1963 roku , Dirac napisał:

Wydaje się, że jedną z fundamentalnych cech natury jest to, że podstawowe prawa fizyczne są opisywane za pomocą bardzo pięknej teorii matematycznej i moc, wymagając dość wysokiego poziomu matematyki, aby to zrozumieć. Możesz się zastanawiać: Dlaczego przyroda jest zbudowana w ten sposób? Można tylko odpowiedzieć, że nasza obecna wiedza zdaje się wskazywać, że natura jest tak skonstruowana. Po prostu musimy to zaakceptować. Można by chyba opisać tę sytuację, mówiąc, że Bóg jest matematykiem bardzo wysokiego rzędu i użył bardzo zaawansowanej matematyki do zbudowania wszechświata. Nasze nieudane próby matematyczne pozwalają nam zrozumieć trochę wszechświat, a w miarę jak rozwijamy coraz wyższą matematykę, możemy mieć nadzieję na lepsze zrozumienie wszechświata.

W 1971 roku na spotkaniu konferencyjnym Dirac wyraził swoje poglądy na temat istnienia Boga. Dirac wyjaśnił, że istnienie Boga można uzasadnić tylko wtedy, gdy w przeszłości miało miejsce nieprawdopodobne wydarzenie:

rozpoczęcie życia jest niezwykle trudne . Być może rozpoczęcie życia jest tak trudne, że zdarzyło się to tylko raz na wszystkich planetach... Przypuśćmy, że szansa na rozpoczęcie życia, gdy mamy odpowiednie warunki fizyczne, wynosi 10 ^{− 100} . Nie mam żadnego logicznego powodu, by proponować tę liczbę, chcę tylko, żebyście rozważyli to jako możliwość. W tych warunkach… jest prawie pewne, że życie by się nie zaczęło. I czuję, że w tych warunkach konieczne będzie założenie istnienia boga, aby rozpocząć życie. Chciałbym zatem ustalić ten związek między istnieniem boga a prawami fizycznymi: jeśli prawa fizyczne są takie, że rozpoczęcie życia wiąże się z tak małą szansą, że nie będzie uzasadnione przypuszczenie, że życie miałoby zaczęty przez ślepy przypadek, to musi istnieć bóg, a taki bóg prawdopodobnie wykazywałby swój wpływ na skoki kwantowe, które mają miejsce później. Z drugiej strony, jeśli życie może się bardzo łatwo rozpocząć i nie potrzebuje żadnego boskiego wpływu, to powiem, że nie ma boga.

Dirac nie wyznawał żadnego konkretnego poglądu, ale opisał możliwości naukowej odpowiedzi na pytanie o Boga.

Kariera

Dirac ustanowił najbardziej ogólną teorię mechaniki kwantowej i odkrył relatywistyczne równanie elektronu, które teraz nosi jego imię. Niezwykłe pojęcie antycząstki dla każdej cząstki fermionu – np. pozytonu jako antycząstki dla elektronu – wywodzi się z jego równania. Jako pierwszy opracował kwantową teorię pola, która leży u podstaw wszystkich dzisiejszych prac teoretycznych nad cząstkami subatomowymi lub „elementarnymi”, prac, które mają fundamentalne znaczenie dla naszego zrozumienia sił natury. Zaproponował i zbadał koncepcję monopolu magnetycznego , obiektu dotychczas nieznanego empirycznie, jako sposobu na uzyskanie jeszcze większej symetrii Równania elektromagnetyzmu Jamesa Clerka Maxwella .

Teoria kwantowa

Pierwszy krok Diraca w kierunku nowej teorii kwantowej został wykonany pod koniec września 1925 roku. Ralph Fowler , jego kierownik naukowy, otrzymał kopię próbną artykułu badawczego Wernera Heisenberga w ramach starej teorii kwantowej Bohra i Sommerfelda . Heisenberg mocno oparł się na zasadzie korespondencji Bohra, ale zmienił równania tak, aby obejmowały bezpośrednio obserwowalne wielkości, co doprowadziło do sformułowania macierzowego mechaniki kwantowej. Fowler wysłał artykuł Heisenberga do Diraca, który był na wakacjach w Bristolu, prosząc go o uważne przejrzenie tego artykułu.

Uwagę Diraca zwrócił tajemniczy matematyczny związek, na pierwszy rzut oka niezrozumiały, ustanowiony przez Heisenberga. Kilka tygodni później, w Cambridge, Dirac nagle zauważył, że ta forma matematyczna ma taką samą strukturę jak nawiasy Poissona występujące w klasycznej dynamice ruchu cząstek. W tamtym czasie jego pamięć nawiasów Poissona była raczej niejasna, ale odkrył, że Analytical Dynamics of Particles and Rigid Bodies ET Whittakera jest pouczająca. Na podstawie swojego nowego zrozumienia opracował teorię kwantową opartą na braku dojazdów do pracy zmienne dynamiczne. Doprowadziło go to do najgłębszego i najbardziej znaczącego ogólnego sformułowania mechaniki kwantowej. Sformułowanie Diraca pozwoliło mu uzyskać kwantyzacji w nowatorski i bardziej pouczający sposób . Za tę pracę, opublikowaną w 1926 roku, Dirac otrzymał doktorat z Cambridge. Stanowiło to podstawę statystyki Fermiego-Diraca , która ma zastosowanie do układów składających się z wielu identycznych cząstek o spinie 1/2 (tj. spełniających zasadę wykluczenia Pauliego ), np. elektronów w ciałach stałych i cieczach oraz, co ważne, do pola przewodzenia w półprzewodnikach .

Słynny Dirac nie przejmował się kwestiami interpretacji w teorii kwantowej . W artykule opublikowanym w książce na jego cześć napisał: „Wielu autorów zajmowało się interpretacją mechaniki kwantowej i nie chcę jej tutaj omawiać. Chcę zająć się bardziej podstawowymi sprawami. "

Równanie Diraca

Dalsze informacje: równanie Diraca

W 1928 roku, opierając się na macierzach spinowych 2 × 2, które rzekomo odkrył niezależnie od pracy Wolfganga Pauliego nad nierelatywistycznymi systemami spinowymi (Dirac powiedział Abrahamowi Paisowi : „Wierzę, że mam te [macierze] niezależnie od Pauliego i prawdopodobnie Pauliego dostał je niezależnie ode mnie”), zaproponował równanie Diraca jako relatywistyczne równanie ruchu dla funkcji falowej elektronu . Ta praca doprowadziła Diraca do przewidzenia istnienia pozytonu antycząstka elektronu , którą zinterpretował w kategoriach tego, co zaczęto nazywać morzem Diraca . Pozyton został zaobserwowany przez Carla Andersona w 1932 r. Równanie Diraca również przyczyniło się do wyjaśnienia pochodzenia spinu kwantowego jako zjawiska relatywistycznego.

Konieczność tworzenia i niszczenia fermionów (materii) w teorii rozpadu beta Enrico Fermiego z 1934 r . Doprowadziła do reinterpretacji równania Diraca jako „klasycznego” równania pola dla dowolnej cząstki punktowej o spinie ħ / 2, która sama podlega warunkom kwantyzacji z udziałem antykomutatorów . W ten sposób zreinterpretowane w 1934 roku przez Wernera Heisenberga jako (kwantowe) równanie pola dokładnie opisujące wszystkie elementarne cząstki materii – dzisiejsze kwarki i leptony - to równanie pola Diraca jest tak samo centralne dla fizyki teoretycznej, jak równania pola Maxwella , Yanga-Millsa i Einsteina . Dirac jest uważany za twórcę elektrodynamiki kwantowej , jako pierwszy użył tego terminu. Wprowadził także ideę polaryzacji próżni na początku lat trzydziestych. Ta praca była kluczem do rozwoju mechaniki kwantowej przez następną generację teoretyków, w szczególności Schwingera , Feynmana , Sin-Itiro Tomonagę i Dyson w sformułowaniu elektrodynamiki kwantowej.

Książka Diraca The Principles of Quantum Mechanics , opublikowana w 1930 roku, jest kamieniem milowym w historii nauki . Szybko stał się jednym ze standardowych podręczników na ten temat i jest używany do dziś. W tej książce Dirac połączył wcześniejsze prace Wernera Heisenberga na temat mechaniki macierzowej i Erwina Schrödingera na temat mechaniki falowej w jeden formalizm matematyczny, który łączy mierzalne wielkości z operatorami działającymi na przestrzeni Hilberta wektorów opisujących stan układ fizyczny . Książka wprowadziła również funkcję delta Diraca . Po swoim artykule z 1939 r. w trzecim wydaniu swojej książki umieścił również notację bra-ket , przyczyniając się w ten sposób do jej powszechnego użytku w dzisiejszych czasach.

Monopole magnetyczne

W 1931 roku Dirac zaproponował, że istnienie jednego monopolu magnetycznego we wszechświecie wystarczyłoby do wyjaśnienia kwantyzacji ładunku elektrycznego. W latach 1975, 1982 i 2009 intrygujące wyniki sugerowały możliwość wykrycia monopoli magnetycznych, ale do tej pory nie ma bezpośrednich dowodów na ich istnienie (patrz także Poszukiwania monopoli magnetycznych ).

Powaga

Skwantował pole grawitacyjne i opracował ogólną teorię pola kwantowego z ograniczeniami dynamicznymi, która stanowi podstawę dzisiejszych teorii cechowania i teorii superstrun . Wpływ i znaczenie prac Diraca rosły wraz z upływem dziesięcioleci, a fizycy codziennie wykorzystują koncepcje i równania, które opracowywał.

Uniwersytet Cambridge

Dirac był Lucasowskim profesorem matematyki na Uniwersytecie w Cambridge w latach 1932-1969. W 1937 roku zaproponował spekulatywny model kosmologiczny oparty na tak zwanej hipotezie wielkich liczb . Podczas II wojny światowej prowadził ważne badania teoretyczne i eksperymentalne nad wzbogacaniem uranu za pomocą wirówki gazowej .

Elektrodynamika kwantowa Diraca (QED) stworzyła przewidywania, które były – najczęściej – nieskończone, a zatem nie do przyjęcia. Opracowano obejście znane jako renormalizacja , ale Dirac nigdy tego nie zaakceptował. „Muszę powiedzieć, że jestem bardzo niezadowolony z sytuacji”, powiedział w 1975 r., „ponieważ ta tak zwana„ dobra teoria ”polega na pomijaniu nieskończoności, które pojawiają się w jej równaniach, pomijaniu ich w dowolny sposób. To po prostu nie rozsądna matematyka. Rozsądna matematyka polega na zaniedbywaniu wielkości, gdy jest mała – a nie zaniedbywaniu jej tylko dlatego, że jest nieskończenie wielka, a ty jej nie chcesz! Jego odmowa przyjęcia renormalizacja spowodowała, że ​​​​jego prace na ten temat coraz bardziej wychodziły z głównego nurtu.

Jednak ze swoich niegdyś odrzuconych notatek udało mu się pracować nad osadzeniem elektrodynamiki kwantowej na „podstawach logicznych” opartych na sformułowanym przez niego formalizmie hamiltonowskim . Znalazł dość nowatorski sposób wyprowadzenia anomalnego momentu magnetycznego „term Schwingera”, a także przesunięcia Lamba , ponownie w 1963 r., Używając obrazu Heisenberga i bez użycia metody łączenia stosowanej przez Weisskopfa i Frencha oraz przez dwóch pionierów nowoczesnej QED , Schwingera i Feynmana . To było dwa lata, zanim Tomonaga-Schwinger-Feynman QED został formalnie uznany przez przyznanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

Weisskopf i French (FW) jako pierwsi uzyskali poprawny wynik przesunięcia Lamba i anomalnego momentu magnetycznego elektronu. Początkowo wyniki FW nie zgadzały się z błędnymi, ale niezależnymi wynikami Feynmana i Schwingera. Wykłady, które Dirac wygłosił w latach 1963–1964 na temat kwantowej teorii pola na Uniwersytecie Yeshiva, zostały opublikowane w 1966 r. Jako Belfer Graduate School of Science, Monografia Series Number, 3.

Uniwersytet Stanowy Florydy i Uniwersytet Miami

Po przeprowadzce na Florydę, aby być blisko swojej starszej córki Mary, Dirac spędził ostatnie czternaście lat życia i badań fizycznych na University of Miami w Coral Gables na Florydzie i Florida State University w Tallahassee na Florydzie .

W latach pięćdziesiątych XX wieku, poszukując lepszego QED, Paul Dirac rozwinął hamiltonowską teorię ograniczeń na podstawie wykładów, które wygłosił na Międzynarodowym Kongresie Matematycznym w Kanadzie w 1949 roku. Dirac rozwiązał również problem umieszczenia równania Schwingera – Tomonagi w reprezentacji Schrödingera i podał wyraźne wyrażenia dla skalarnego pola mezonowego ( pion o spinie zerowym lub mezon pseudoskalarny ), wektorowego pola mezonowego ( mezon o spinie jednego rho ) i pole elektromagnetyczne (skręć jeden bezmasowy bozon, foton).

Hamiltonian systemów z ograniczeniami jest jednym z wielu arcydzieł Diraca. Jest to potężne uogólnienie teorii Hamiltona, które zachowuje ważność dla zakrzywionej czasoprzestrzeni. Równania hamiltonianu obejmują tylko sześć stopni swobody opisanych przez ${rs}}$ { $^$ dla każdego punktu powierzchni, na którym rozważany jest sol ${\ displaystyle g_ {m0}}$ ( m = 0, 1, 2, 3) pojawiają się w teorii poprzez zmienne ${\ Displaystyle g ^ {r0}}$ , ${\ Displaystyle (- {g ^ {00}}) ^ {- 1/2}},$ które występują jako dowolne współczynniki w równaniach ruchu . Istnieją cztery ograniczenia lub słabe równania dla każdego punktu powierzchni $=$ . $tworzą gęstość$ z nich wektorów na powierzchni. Czwarta $trójwymiarowa$ gęstość skalarna na HL ≈ 0 _; H _r ≈ 0 ( r = 1, 2, 3)

Pod koniec lat pięćdziesiątych zastosował opracowane przez siebie metody hamiltonowskie, aby ująć ogólną teorię względności Einsteina w postać hamiltonowską i doprowadzić do technicznego zakończenia problem kwantyzacji grawitacji, a także zbliżyć go do reszty fizyki według Salama i DeWitta. W 1959 roku wygłosił również zaproszony referat na temat „Energia pola grawitacyjnego” na nowojorskim spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego. W 1964 roku opublikował swoje Wykłady z mechaniki kwantowej (London: Academic), które dotyczą ograniczonej dynamiki nieliniowych układów dynamicznych, w tym kwantyzacji zakrzywionej czasoprzestrzeni. Opublikował również artykuł zatytułowany „Quantization of the Gravitational Field” w 1967 ICTP / IAEA Triest Symposium on Contemporary Physics.

Od września 1970 do stycznia 1971 Dirac był profesorem wizytującym na Florida State University w Tallahassee. W tym czasie zaproponowano mu tam stałą posadę, którą przyjął, zostając profesorem zwyczajnym w 1972 roku. Współczesne relacje z tamtych czasów opisują to jako szczęśliwe, z wyjątkiem tego, że najwyraźniej uważał letnie upały za uciążliwe i lubił uciekać z nich do Cambridge.

Codziennie chodził do pracy około mili i lubił pływać w jednym z dwóch pobliskich jezior (Silver Lake i Lost Lake), a także był bardziej towarzyski niż na Uniwersytecie w Cambridge, gdzie pracował głównie w domu oprócz prowadzenia zajęć i seminariów. Na Florydzie zwykle jadał lunch z kolegami przed drzemką.

Dirac opublikował ponad 60 artykułów w ciągu ostatnich dwunastu lat swojego życia, w tym krótką książkę o ogólnej teorii względności. Jego ostatni artykuł (1984), zatytułowany „Niedoskonałości kwantowej teorii pola”, zawiera jego ostateczną opinię na temat kwantowej teorii pola: „Te zasady renormalizacji dają zaskakująco, zbyt dobrą zgodność z eksperymentami. Większość fizyków twierdzi, że te zasady działania są zatem , racja. Uważam, że to nie jest wystarczający powód. Tylko dlatego, że wyniki są zgodne z obserwacjami, nie dowodzi, że czyjaś teoria jest poprawna. Artykuł kończy się słowami: „Spędziłem wiele lat szukając hamiltonianu do wprowadzenia do teorii i jeszcze go nie znalazłem. Będę nad nim pracował tak długo, jak tylko będę mógł, a inni ludzie, mam nadzieję, pójdą w jego ślady wzdłuż takich linii”.

Studenci

Wśród jego wielu uczniów byli Homi J. Bhabha , Fred Hoyle , John Polkinghorne i Freeman Dyson . Polkinghorne wspomina, że ​​Diraca „zapytano kiedyś, jakie jest jego fundamentalne przekonanie. Podszedł do tablicy i napisał, że prawa natury powinny być wyrażone pięknymi równaniami”.

Korona

Dirac podzielił Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki z 1933 r. Z Erwinem Schrödingerem „za odkrycie nowych produktywnych form teorii atomowej”. Dirac został również odznaczony Medalem Królewskim w 1939 r. Oraz Medalem Copleya i Medalem Maxa Plancka w 1952 r. Został wybrany członkiem Towarzystwa Królewskiego w 1930 r., Honorowym członkiem Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w 1948 r. Oraz honorowym członkiem Instytutu Fizyki w Londynie w 1971 r. Otrzymał inauguracyjną nagrodę im. J. Roberta Oppenheimera w 1969 r. Dirac został członkiem Orderu Zasługi w 1973 r., po wcześniejszym odrzuceniu tytułu szlacheckiego , ponieważ nie chciał, aby zwracano się do niego po imieniu.

Śmierć

Nagrobek Diraca i jego żony na cmentarzu Roselawn w Tallahassee na Florydzie . Obok nich pochowana jest ich córka Mary Elizabeth Dirac, która zmarła 20 stycznia 2007 roku.

Tablica pamiątkowa w Opactwie Westminsterskim .

Dirac (trzeci w pierwszym rzędzie od lewej), obok Éamona de Valery (w pierwszym rzędzie 4 od lewej), Erwin Schrödinger (w pierwszym rzędzie 2 od prawej) w Dublin Institute for Advanced Studies w 1942 roku.

Konferencja Solvaya w Brukseli w 1927 r., zgromadzenie czołowych fizyków świata. Dirac siedzi pośrodku środkowego rzędu, za Albertem Einsteinem .

W 1984 roku Dirac zmarł w Tallahassee na Florydzie i został pochowany na cmentarzu Roselawn w Tallahassee. Dom rodzinny Diraca w Bishopston w Bristolu upamiętnia niebieska tablica , a pobliska Dirac Road została nazwana w uznaniu jego związków z miastem Bristol . Pamiątkowy kamień został wzniesiony w ogrodzie w Saint-Maurice w Szwajcarii , mieście pochodzenia rodziny jego ojca, 1 sierpnia 1991 r. 13 listopada 1995 r. Pamiątkowy znacznik, wykonany z zielonego łupka Burlington i wyryty Równanie Diraca zostało odsłonięte w Opactwie Westminsterskim . Dziekan Westminsteru , Edward Carpenter , początkowo odmówił pozwolenia na pomnik, myśląc, że Dirac jest antychrześcijaninem, ale ostatecznie (przez okres pięciu lat) przekonano go do ustąpienia.

Dziedzictwo

W 1975 roku Dirac wygłosił serię pięciu wykładów na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii, które zostały następnie opublikowane jako książka Directions in Physics (1978). Tantiemy z tej książki przekazał uniwersytetowi na utworzenie serii wykładów Diraca . Na pamiątkę wykładu Uniwersytet Nowej Południowej Walii przyznaje Srebrny Medal Diraca za Postęp Fizyki Teoretycznej .

Natychmiast po jego śmierci dwie organizacje zawodowych fizyków ustanowiły doroczne nagrody ku pamięci Diraca . Instytut Fizyki , brytyjska organizacja zawodowa fizyków, przyznaje Medal Paula Diraca za „wybitny wkład w fizykę teoretyczną (w tym matematyczną i obliczeniową)”. Pierwszymi trzema odbiorcami byli Stephen Hawking (1987), John Stewart Bell (1988) i Roger Penrose (1989). Międzynarodowe Centrum Fizyki Teoretycznej co roku przyznaje Medal Diraca ICTP w dniu urodzin Diraca (8 sierpnia).

Nagroda Diraca-Hellmana na Uniwersytecie Stanowym Florydy została ufundowana przez Bruce'a P. Hellmana w 1997 r., aby nagrodzić wybitną pracę naukowców z FSU w dziedzinie fizyki teoretycznej. Biblioteka naukowa im. Paula AM Diraca na Florida State University, którą Manci otworzył w grudniu 1989 r., Została nazwana na jego cześć i tam przechowywane są jego prace. Na zewnątrz znajduje się jego pomnik autorstwa Gabrielli Bollobás. Ulica, na której National High Magnetic Field Laboratory w Innovation Park w Tallahassee na Florydzie, nosi nazwę Paul Dirac Drive. Oprócz jego rodzinnego miasta Bristolu, w Didcot znajduje się również droga nazwana jego imieniem, Dirac Place , Oxfordshire.

BBC nazwało kodek wideo Dirac . Asteroida roku została nazwana na cześć Diraca. Distributed Research wykorzystujące Advanced Computing ( DiRAC ) i oprogramowanie Dirac zostały nazwane na jego cześć.

Publikacje

• The Principles of Quantum Mechanics (1930): Ta książka podsumowuje idee mechaniki kwantowej przy użyciu nowoczesnego formalizmu, który został w dużej mierze rozwinięty przez samego Diraca. Pod koniec książki omawia także relatywistyczną teorię elektronu ( równanie Diraca ), której również był pionierem. Ta praca nie odnosi się do żadnych innych dostępnych wówczas pism dotyczących mechaniki kwantowej.
• Wykłady z mechaniki kwantowej (1966): Znaczna część tej książki dotyczy mechaniki kwantowej w zakrzywionej czasoprzestrzeni .
• Wykłady z kwantowej teorii pola (1966): Ta książka kładzie podwaliny pod kwantową teorię pola przy użyciu formalizmu Hamiltona .
• Spinors in Hilbert Space (1974): Ta książka oparta na wykładach wygłoszonych w 1969 roku na University of Miami, Coral Gables, Floryda, USA, dotyczy podstawowych aspektów spinorów, zaczynając od prawdziwego formalizmu przestrzeni Hilberta . Dirac kończy proroczymi słowami: „Mamy bozonowe pojawiające się automatycznie w teorii, która zaczyna się tylko od zmiennych fermionowych , pod warunkiem, że liczba zmiennych fermionowych jest nieskończona. Muszą istnieć takie zmienne bozonowe związane z elektronami …”
• Ogólna teoria względności (1975): Ta 69-stronicowa praca podsumowuje ogólną teorię względności Einsteina.

Źródła ogólne

•    Capri, Anton Z. (2007). Żarty, cytaty i ilości: anegdotyczna historia fizyki . Hackensack, New Jersey: World Scientific. ISBN 978-981-270-919-6 . OCLC 214286147 .
•    Zagniecenie, Robert P .; Mann, Charles C. (1986). Drugie stworzenie: twórcy rewolucji w fizyce XX wieku . Nowy Jork: wydawnictwo Macmillan. ISBN 978-0-02-521440-8 . OCLC 13008048 .
•    Farmelo, Graham (2009). Najdziwniejszy człowiek: ukryte życie Paula Diraca, Quantum Genius . Londyn: Faber i Faber. ISBN 978-0-571-22278-0 . [Opublikowano w Stanach Zjednoczonych jako The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom . ISBN 978-0-465-01827-7 .]
•    Gamow, George (1966). Trzydzieści lat, które wstrząsnęły fizyką: historia teorii kwantowej . Garden City, Nowy Jork: Doubleday. ISBN 978-0-486-24895-0 . OCLC 11970045 .
•    Heisenberg, Werner (1971). Fizyka i nie tylko: spotkania i rozmowy . Nowy Jork: Harper & Row. ISBN 978-0-06-131622-7 . OCLC 115992 .
•    Kragh, Helge (1990). Dirac: biografia naukowa . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-38089-8 . OCLC 20013981 .
•    Mehra, Jagdish (1972). „Złoty wiek fizyki teoretycznej: prace naukowe PAM Diraca z lat 1924–1933”. W Wigner, Eugeniusz Paul ; Salam, Abdus (red.). Aspekty teorii kwantów . Cambridge: University Press. s. 17–59. ISBN 978-0-521-08600-4 . OCLC 532357 .
•    Schweber, Silvan S. (1994). QED i ludzie, którzy go stworzyli: Dyson, Feynman, Schwinger i Tomonaga . Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-03685-4 . OCLC 28966591 .
•    Zee, Anthony (2010). Kwantowa teoria pola w pigułce . Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 978-1-4008-3532-4 . OCLC 318585662 .

Dalsza lektura

• Brown, Helen (24 stycznia 2009). „The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac autorstwa Grahama Farmelo - recenzja [wersja do druku: Człowiek stojący za matematyką]” . The Daily Telegraph (recenzja) . P. 20. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2 lutego 2009 r . . Źródło 11 kwietnia 2011 r . .
• Gilder, Louisa (13 września 2009). „Skok kwantowy - recenzja„ Najdziwniejszego człowieka: ukryte życie Paula Diraca Grahama Farmelo ” . New York Timesa . Źródło 11 kwietnia 2011 r . Recenzja.
• Mukunda, N. (1987) „Życie i twórczość PAM Dirac”, strony 260 do 282 w Recent Developments in Theoretical Physics , World Scientific MR 935624

Linki zewnętrzne

• Transkrypcja wywiadu historii mówionej z PAM Dirac w dniu 1 kwietnia 1962 r., American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives - Sesja I
• Transkrypcja wywiadu historii mówionej z PAM Dirac w dniu 6 maja 1963 r., American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives - Sesja II
• Transkrypcja wywiadu historii mówionej z PAM Dirac w dniu 7 marca 1963 r., American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives - Sesja III
• Transkrypcja wywiadu historii mówionej z PAM Dirac w dniu 10 maja 1963 r., American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives - Sesja IV
• Transkrypcja wywiadu historii mówionej z PAM Dirac w dniu 14 maja 1963 r., American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives - V
• Bezpłatny dostęp online do klasycznych artykułów Diraca z lat 20. z Royal Society's Proceedings A
• Bibliografia z adnotacjami dla Paula Diraca z Alsos Digital Library for Nuclear Issues
• Kolekcja Paula Diraca na Florida State University
• Dokumenty profesora Paula Diraca w Churchill Archives Center