Поль Дирак
«В борьбе между вами и миром, обратитесь к миру»
Английский физик Пол Эдриен Морис Дирак (1902-1984) сформулировал самый общий тип квантовой механики и относительное уравнение волны для электрона, что привело к предсказанию позитивных электронов – первых известных форм антиматерии.
Родился Пол Дирак 8 августа 1902 года в Монк-Рояль, в Бристоле, Англия. Среднее образование он получил в колледже морских торговцев, а в возрасте шестнадцати лет поступил в Бристольский университет. Тремя годами позже он получил специализацию инженера-электрика. Не найдя себе работы, он изучал математику в течение двух лет, прежде чем переехать в Кембридж, в качестве студента-исследователя и лауреата научной премии 1851года. Его студенческие годы (1923-1926) в Кембридже попали на возникновение математических формулировок современной атомной физики такими учеными как Луи де Бройль, Вернер Хайзенберг, Эрвин Шрёдингер и Макс Борн.
Первым заметным достижением Дирака по этому профилю стало получение докторской степени в 1926 году. В своей статье «Фундаментальные уравнения квантовой механики» (1925), Дирак решил решить фундаментальный вопрос в известной работе Хайнзберга. До Хайзенберга, вычисление энергетических уровней оптических и рентгеновских лучей состояло в эмпирическом применении правил, введенных Нилсом Бором, в его теории атома. Хайнзберг преуспел в группировании терминов, связанных с энергетическими уровнями, а также показал простейшие пути, по которым легко рассчитывается энергетический уровень. Дирак обнаружил, что он на самом деле хотел достичь общего типа операции с квантовой переменой икс.
В то время ни Хайзенберг, ни Дирак не представляли себе, что «продукт Хайзенберга» в соотнесении с операциями в матричном исчислении, является фактом, доказанным Борном и Паскалем Джорданом из Гёттингена. Они показали, что некоммутативное умножение чисел Хайнзберга будет просуммировано в формуле (p X q) (q X p) h/(21), где h – постоянная Планка, а p и q – некоторые канонически сопряженные переменные. Независимо от них Дирак также получил такую же формулу, но посредством более фундаментального подхода к проблеме. Главное прозрения Дирака состояло в обнаружении того, что основу формулы составляет очень простая операция. Единственное, что нужно было сделать, это просчитать значение классической скобки Пуассона [p, q] для p и q, и умножить их на модифицированную форму константы Планка.
Но наиболее удивительным результатом уравнения Дирака для электрона было признание возможности существования отрицательной кинетической энергии. Другими словами, его уравнение по отношению к электронам применило абсолютно новый тип движения, где энергия должна быть задана электрону, чтобы он остановился. Путем концептуальных и экспериментальных работ эта новость вскоре получила понятное объяснение.
Экспериментальная четкость наступила тогда, когда К.Д. Андерсон, совершая исследования над космическими лучами в лаборатории в Пасадене, штат Калифорния в августе 1932 года, сделал фотографию пути электрона, кривизну которого можно было бы посчитать, только при условии, что у электрона был позитивный заряд. Позитивно заряженный электрон или позитрон, был, однако, до сих пор не привязан к утверждениям о негативной энергии в теории электрона Дирака. Более освещенными результатами Дирак мог похвастаться уже на лекции 12 декабря в Стокгольме, где он получил Нобелевскую премию вместе со Шрёдингером.
Это открытие Дирака попало на превосходный творческий этап в его жизни с 1925 по 1930 год. Его главным выводом стала публикация «Принципов квантовой механики» - работы, которую до сих пор нельзя превзойти по логической компактности и объему. Качество ее четко мотивировано стойкой верой Дирака в математическое структурирование природы. Эта книга, по сути, является памятником его уверенности, что будущие открытия дадут точные физические аналоги тем из его недостающим математическим символам.
Само за себя говорило признание основных достижений Дирака в физике, которое немедленно последовало за его работой. В 1932 году он был избран членом Королевского общества и получил самый престижный пост в британской науке – кресло Лукаса в Кембридже. Он получил королевскую медаль Королевского общества в 1939 и медаль Копли в 1952. Он был членом множества академия, был обладателем многочисленных почетных званий, и читал лекции по приглашению в университетах всего мира. Женился он на Маргарет Вигнер, сестре Нобелевского лауреата Юджина Вигнера.
Вторая половина рабочей жизни Дирака была посвящена, в основном, космологии и числам космического значения. В 1972 году он занял пост профессора физики в Университете штата Флорида и продолжил преподавать там до самой кончины.