P.A.M.狄拉克

P.A.M.狄拉克，全文保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克(1902年8月8日出生于英国格洛斯特郡布里斯托尔，1984年10月20日死于美国佛罗里达州塔拉哈西)，英国理论物理学家，物理学家之一量子力学而且量子电动力学．狄拉克最著名的是他1928年的相对论量子理论电子以及他对存在的预言反粒子．1933年，他与这位奥地利物理学家共同获得诺贝尔物理学奖欧文薛定谔．

狄拉克的母亲是英国人，父亲是瑞士人。狄拉克的童年并不快乐——无论是在家里还是在他教法语的学校里，他的父亲都用一丝不苟、严加管教的方式恐吓孩子们。狄拉克从小性格内向，只在别人对他说话的时候才说话，用词非常谨慎——尽管表达的意思非常精确。在后来的生活中，狄拉克因缺乏社交和情感技巧以及不擅长闲聊而出名。他喜欢独自思考和长距离散步，而不喜欢有人作伴。他的朋友虽然非常亲密，但却很少。狄拉克从小就表现出非凡的数学能力，但对文学和艺术几乎没有兴趣。然而，他的物理论文和书籍是这一类型的文学杰作，因为它们在数学表达式和文字方面的形式绝对完美。

他的父亲希望他的儿子们能从事实用的职业，狄拉克在布里斯托尔大学学习电气工程(1918 - 1921)。毕业后没有找到工作，他又学了两年应用数学。阿尔伯特·爱因斯坦的理论相对论在1919年后通过大众媒体成名。狄拉克对相对论的技术方面非常着迷，他自己就掌握了相对论。根据数学教授的建议，在奖学金的帮助下，他进入了剑桥大学1923年，作为一名研究生。狄拉克没有真正意义上的老师，但他的导师拉尔夫·福勒是当时唯一一位在国内的剑桥教授，当时新量子理论正在德国和丹麦发展。

1925年8月，狄拉克通过福勒收到了一篇未发表的论文的校样维尔纳·海森堡这引发了革命性的转变玻尔原子模型新的量子力学。在一系列论文和1926年的博士论文中，狄拉克进一步发展了海森堡的思想。狄拉克的成就在形式上更一般，但结果与矩阵力学相似。矩阵力学是量子力学的另一个早期版本，大约在同一时间在德国由海森堡、马克斯出生，Pascual乔丹,沃尔夫冈·泡利．1926年秋，狄拉克和乔丹独立地合并了矩阵使用Schrödinger的强大方法波动力学和波恩的统计解释为一个一般方案-变换理论——这是量子力学中第一个完整的数学形式主义。在此过程中，狄拉克还发展了费米狄拉克统计(早前曾有人提出恩里科费米)．

狄拉克满足于支配微观粒子的基本定律是概率性的，或者“自然做出了选择”的解释，他宣布量子力学完成，并将主要注意力转向相对论量子理论。他在1927年提出的量子辐射理论通常被认为是量子电动力学的真正开端。在这本书中，狄拉克发展了电磁波的量子化方法，并发明了所谓的二次量子化——一种将单个量子粒子的描述转化为许多这样的粒子系统的形式主义的方法。1928年，狄拉克发表了可能是他最伟大的成就——相对论波动方程电子．为了满足相对论不变性的条件(即，在相同的基础上处理空间和时间坐标)，狄拉克方程需要四个波函数和相对新的数学量的组合，称为旋量。作为额外的奖励，这个方程描述了电子自旋(磁矩)——量子粒子的基本特征，但因此没有得到恰当的解释。

从一开始，狄拉克就意识到他的惊人成就也存在严重的问题:它有一组额外的解，这些解在物理上没有意义，因为它对应的是负能量。1930年，狄拉克建议改变观点，将负能量电子海洋中未被占据的空位视为带正电的“空穴”。通过提出这种“空穴”可以用质子来识别，他希望产生一个统一的物质理论，因为电子和质子是当时唯一已知的基本粒子。然而，另一些人证明了“空穴”的质量一定与电子相同，而质子的质量是电子的一千倍。这导致狄拉克在1931年承认，如果他的理论是正确的，那么就意味着存在“一种实验物理学所未知的新型粒子，与电子具有相同的质量和相反的电荷。”一年后，令物理学家们惊讶的是，这种粒子——反电子，或正电子-是在宇宙射线通过卡尔•安德森美国的。

狄拉克方程的一个明显的困难因此变成了一个意想不到的胜利，这也是狄拉克被授予1933年诺贝尔物理学奖的主要原因之一。预测意想不到的自然现象的能力往往是支持新理论的最令人信服的论据。在这方面，量子理论的正电子经常被比作海王星，19世纪海王星的发现是经典牛顿科学的天文学精度和预测能力的惊人证明。狄拉克从这段经历中得到了一个方法论上的教训:理论物理学家在寻求新定律时，应该更加信任数学形式主义，并遵循它的指引，即使对公式的物理理解暂时落后。在后来的生活中，他经常表达这样的观点:一个基本的物理理论要成立，就必须在数学上是美丽的。狄拉克在1931年对另一种新粒子的预测——磁单极子——似乎证明了数学之美是物理真理的必要条件，而不是充分条件，因为还没有发现这样的粒子。1932年之后，实验物理学家发现的许多其他基本粒子，往往比理论学家根据数学公式所能预测到的任何东西都更奇怪、更混乱。但对于每一种新粒子，都存在一个反粒子——这是狄拉克最先发现的物质的普遍属性。

在他后来的工作中，狄拉克继续在量子力学的逻辑和数学表达上做出重要的改进和澄清，特别是通过他有影响力的教科书量子力学原理(1930年，随后有三次主要修订)。现代理论物理学的专业术语很大程度上归功于狄拉克，包括名称和数学符号费米子，玻色子，可观测的，换向器，本征函数，δ函数，ℏ(h/ 2π,h是普朗克常数)，以及括号向量符号。

与狄拉克在量子力学形式化中所达到的逻辑清晰的标准相比，相对论量子理论对他来说似乎是不完整的。20世纪30年代，量子电动力学遇到了严重的问题;特别是在各种数学计算中，出现了无限的结果。狄拉克甚至更关心形式上的困难，即相对论不变量不能直接从主要方程推导出来，这些方程分别处理时间和空间坐标。为了寻找补救方法，狄拉克在1932年至1933年引入了“多次公式”(有时称为“相互作用表示”)和最小原理的量子模拟行动，后来由理查德·费曼引入路径积分法。这些概念，以及狄拉克的真空极化(1934)，帮助第二次世界大战后的新一代理论家发明了在计算中相互减去无穷大的方法，这样对量子电动力学中物理可观测结果的预测就永远是有限量。尽管这些“重整化”技术在实际计算中非常有效，但在狄拉克看来，它们仍然是聪明的把戏，而不是解决根本问题的原则性解决方案。他希望在基本原理上有一个革命性的改变，最终使该理论达到与非相对论量子力学所达到的逻辑一致性相当的程度。尽管狄拉克对量子电动力学的贡献可能比其他任何物理学家都多，但他死时对自己的发明并不满意。

狄拉克在剑桥大学获得博士学位后任教，1932年被任命为卢卡斯数学教授艾萨克·牛顿．尽管狄拉克的研究生很少，但他通过参加国际研讨会，在研究界非常活跃。与他那一代的许多物理学家和专家不同，狄拉克没有转向核物理学，在第二次世界大战期间只略微参与了原子弹的研制。1937年，他与玛格丽特·巴拉兹(née Wigner;匈牙利物理学家的妹妹尤金·维格纳)．狄拉克于1969年从剑桥退休，经过多次访问，从1971年到去世，他一直在位于塔拉哈西的佛罗里达州立大学担任教授。