Dirac Paul Adrien Maurice
 
Encyklopedia
Dirac
[dırạ̈k]
Paul Adrien Maurice Wymowa, ur. 8 VIII 1902, Bristol, zm. 20 XI 1984, Tallahassee,
brytyjski fizyk teoretyk; współtwórca mechaniki kwantowej i elektrodynamiki kwantowej.
Cytat
Kalendarium
Urodził się 8 VIII 1902 w Bristolu. Dzięki temu, że ojciec uczonego, Charles Adrien Dirac, był Szwajcarem, nauczycielem języka francuskiego, a matka, Florence Hannah z domu Holten — Angielką, mały Paul Adrien Maurice władał dwoma językami — angielskim i francuskim (choć znacznie mniej swobodnie). W latach 1918–21 studiował elektrotechnikę na uniwersytecie w Bristolu, a po uzyskaniu dyplomu zgłębiał przez dwa lata matematykę na tej uczelni. W 1923 przeniósł się na uniwersytet w Cambridge, by kontynuować studia matematyczne. W tym czasie zapoznał się z pracami Nielsa Bohra i Ernesta Rutherforda dotyczącymi budowy atomu. W 1925, pod wpływem prac Wernera Heisenberga, swe zainteresowania skierował ku mechanice kwantowej. Już pod koniec tego roku ukazała się jego pierwsza praca z tej dziedziny Podstawowe równania mechaniki kwantowej, w której podał równoważną postać mechaniki kwantowej, posługując się innym formalizmem matematycznym niż Heisenberg. Po uzyskaniu stopnia doktora 1926, odwiedził kilka ośrodków naukowych, ważnych centrów fizyki teoretycznej, m.in. instytut fizyki teoretycznej w Kopenhadze, uniwersytet w Getyndze. Zetknął się tam i współpracował m.in. z Bohrem, Wolfgangiem Paulim, Maxem Bornem, Heisenbergiem. W X 1927 uczestniczył, wraz z innymi twórcami teorii kwantowych, w Piątym Kongresie Solvaya, który nosił tytuł „Elektrony i fotony”. W 1927 rozpoczął pracę w uniwersytecie w Cambridge; od 1932 był profesorem tej uczelni, od 1953 — uniwersytetu w Oksfordzie. Od 1971 był profesorem uniwersytetu stanowego na Florydzie. W 1930 został członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie.
W 1933 Dirac, wspólnie z Erwinem Schrödingerem, otrzymał Nagrodę Nobla za „stworzenie nowych płodnych form teorii atomu”. Swój wykład noblowski zatytułował Teoria elektronów i pozytonów. Wysunął w nim hipotezę występowania we Wszechświecie antymaterii. Towarzystwo Królewskie w Londynie przyznało mu w 1939 Medal Królewski, w 1949 Medal Copleya.
Jego żoną była Margit Wigner (siostra fizyka węgierskiego Eugene Wignera); miał dwie córki. Zmarł 20 XI 1984 w Tallahassee.
Najważniejsze prace
W 1926 opracował — niezależnie od Enrico Fermiego — statystykę kwantową, zwaną statystyką Fermiego–Diraca, opisującą układy jednakowych mikrocząstek o spinach połówkowych (1/2, 3/2, ...), tzw. fermionów (należą do nich m.in. elektrony).
W 1927 Dirac pierwszy zastosował teorię kwantów do pola elektromagnetycznego (The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation). Jest współtwórcą kwantowej teorii pola. Teoria ta to relatywistyczne, tj. zgodne z wymaganiami szczególnej teorii względności, uogólnienie mechaniki kwantowej na układy o nieskończonej liczbie stopni swobody, opisujące fundamentalne oddziaływania cząstek elementarnych. Następuje tu zespolenie pojęć pola i cząstki. Cząstki są traktowane jako wzbudzenia odpowiadających im pól; np. w elektrodynamice kwantowej elektrony i pozytony są traktowane jako wzbudzenia pola fermionowego, oddziałujące za pośrednictwem kwantów pola elektromagnetycznego — fotonów, a klasyczne funkcje pola zastępują operatory liniowe zwane komutatorami. Podstawy tej teorii zostały sformułowane w latach 1927–29 przez Diraca, Heisenberga i Pauliego w celu opisania zjawisk elektromagnetycznych; na procesy jądrowe rozszerzyli ją Fermi (rozpad beta, 1934) i Hideki Yukawa (siły jądrowe, 1936). Do połowy lat 60. była ograniczona do teorii oddziałujących ze sobą pól elektronowo-pozytonowego i elektromagnetycznego. W wyniku odkryć Richarda Ph. Feynmana i Murray’a Gell-Manna (1958) oraz Sheldona L. Glashowa, Abdusa Salama i Stevena Weinberga (1967–68) udało się kwantową teorię pola rozszerzyć na wszystkie oddziaływania cząstek elementarnych, konstruując Model Standardowy.
W 1928 Dirac podał równanie (zwane równaniem Diraca), którego rozwiązanie pozwoliło mu sformułować relatywistyczną teorię elektronów zakładającą istnienie antycząstek elektronów.
Wprowadził pojęcie monopola magnetycznego oraz nowe metody w mechanice kwantowej, m.in. całki po trajektoriach, kwantowanie teorii z więzami.
Równanie Diraca
Równanie to ma fundamentalne znaczenie w rozwoju zarówno elektrodynamiki kwantowej, jak i teorii cząstek elementarnych; wiąże się z nim interpretacja pojęcia spinu; stosuje się je do opisu ruchu elektronu w polu kulombowskim (atom wodoru).
To relatywistyczne równanie falowe opisujące elektrony, ogólniej cząstki elementarne o spinie połówkowym (spinie = ½), zgodnie z prawami mechaniki kwantowej i teorii względności. Dla elektronu w polu elektromagnetycznym jest układem 4 równań różniczkowych cząstkowych pierwszego rzędu — zarówno względem czasu, jak i współrzędnych położenia.
Równanie Diraca ma rozwiązania zarówno dla dodatnich, jak i ujemnych wartości energii elektronu, przy czym ujemne wartości energii nie są ograniczone od dołu, co było niezgodne z zasadami m.in. teorii kwantów i początkowo interpretacja fizyczna tych faktów sprawiała duże trudności. Elektron w takich stanach miałby paradoksalne własności: np., przechodząc na coraz to niższe poziomy energetyczne, oddawałby nieograniczone ilości energii. Trudność tę usunął Dirac, przyjmując, że wszystkie stany kwantowe o energii ujemnej są całkowicie obsadzone elektronami zgodnie z zakazem Pauliego i że istnienie tych elektronów ujawnia się tylko wówczas, gdy któryś z nich przejdzie do stanu o energii dodatniej. Powstała w ten sposób „dziura” zachowuje się jak cząstka o masie równej masie elektronu i dodatnim ładunku elektrycznym. Wniosek ten był równoznaczny z teoretycznym przewidzeniem istnienia antycząstki elektronu. Cząstkę taką — pozyton — odkrył 1932 Carl David Anderson, potwierdzając tym słuszność równania Diraca.
Ilustracje
Fermiego-Diraca rozkład. Średnia liczba obsadzeń w funkcji energii; EF — energia Fermiegorys. Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia