Поль Дірак

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Поль Дірак
Dirac 3.jpg
Народився 8 серпня 1902(1902-08-08)
Брістоль, Англія
Помер 20 жовтня 1984(1984-10-20) (82 роки)
Таллахассі, Флорида, США
Місце проживання Велика Британія Велика Британія
США США
Громадянство Велика Британія
Галузь наукових інтересів фізика
Alma mater Бристольський університет, Кембриджський університет
Відомий завдяки: рівняння Дірака, статистика Фермі-Дірака
Нагороди Nobel prize medal.svg Нобелівська премія з фізики (1933)
Медаль Коплі
Nobel prize medal.svg

Поль Адріє́н Мо́ріс Діра́к (англ. Paul Adrien Maurice Dirac; *8 серпня 1902 — †20 жовтня 1984, Таллахассі) — британський фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики 1933 року (спільно з Ервіном Шредінгером).

Біографічні відомості[ред.ред. код]

Поль Адрієн Моріс Дірак народився в Брістолі, в сім'ї уродженця Швейцарії Чарлза Адрієна Ладіслава Дірака, вчителя французької мови в приватній школі, і англійки Флоренс Ганни (Голтен) Дірак. Спочатку Дірак вчився в комерційному училищі в Брістолі, а потім вивчав електротехніку в Бристольському університеті, який закінчив в 1921 із ступенем бакалавра наук. Ще в університеті він зацікавився теорією відносності Альберта Ейнштейна і протягом двох років понад звичайний курс вивчав математику. Потім він поступив в аспірантуру з математики коледжу св. Іоанна в Кембриджі і 1926 року захистив докторську дисертацію. Наступного року Дірак став членом наукової ради того ж коледжу.

Внесок у фізику[ред.ред. код]

В роки, коли Дірак проходив аспірантуру в Кембриджі, Вернер Гейзенберг і Ервін Шредінгер розробили свої формулювання квантової механіки, застосувавши квантову теорію до опису поведінки атомних і субатомних систем і руху таких частинок, як електрон.

Дірак почав вивчати рівняння Гейзенберга і Шредінгера, як тільки ті були опубліковані в 1925, виказавши при цьому декілька корисних зауважень. Одним з недоліків квантової механіки було те, що вона була розроблена лише стосовно частинок, що мають малу швидкість (у порівнянні з швидкістю світла), а це дозволяло нехтувати ефектами, що розглядаються теорією відносності Ейнштейна. Ефекти теорії відносності, такі, як збільшення маси частинки із зростанням швидкості, стають істотними, тільки коли швидкості починають наближатися до швидкості світла. Шредінгер першим спробував зняти обмеження на швидкість в квантовій механіці, але не досяг успіху в цьому.

Одна з причин, якими пояснувалися його невдачі, полягала в тому, що він не врахував таку властивість електрона, як спін (обертання навкруги власної осі на зразок дзиґи), яке у той час було лише гіпотезою при поясненні деяких деталей лінійчастих спектрів, , що не вкладалися в рамки традиційного опису. Дірак поставив перед собою задачу ввести відносність у хвильове рівняння, записавши його в релятивістській формі. Виведене ним і опубліковане 1928 року рівняння зветься тепер рівнянням Дірака. Воно дозволило досягти згоди з експериментальними даними. Зокрема, спін, що був раніше гіпотезою, підтверджувався рівнянням Дірака. Це було тріумфом його теорії. Крім того, рівняння Дірака дозволило передбачити магнітні властивості електрона (магнітний момент).

Але цим сюрпризи, які таїла в собі теорія Дірака, не вичерпувалися. Теорія вказувала на можливість існування негативних енергій, які з погляду науки того часу не можна було інтерпретувати. Подолавши спокусу відкинути від'ємні енергії як «математичну аберацію», позбавлену фізичного значення, Дірак прийшов до висновку, що стани з від'ємною енергією реально існують. Розглядаючи дію електромагнітного поля на електрон з від'ємною енергією, він знайшов, що рух електрона в цьому випадку еквівалентний руху електрона з протилежним, тобто позитивним, електричним зарядом. Дірак припустив, що позитивно зарядженою частинкою може бути протон.

Застосовуючи принцип виключення Вольфґанґа Паулі, згідно з яким у кожному динамічному стані може перебувати тільки один електрон, Дірак висловив припущення про те, що майже всі стани з від'ємною енергією вже зайняті, тому однорідний фон неспостережний. Але вакантний (незайнятий) енергетичний стан, подібно до дірки в однорідному «безликому середовищі», може спостерігатися. Дірка поводиться як позитивно заряджений електрон. Крім того, оскільки вона відповідає недостачі від'ємної енергії, її енергія додатна, як і енергія всіх відомих частинок. Таким чином, Дірак передбачив існування античастки, близнюка електрона.

Він показав також, що електрон може зайняти вакантну дірку, а це еквівалентно зіткненню електрона з «антиелектроном», внаслідок чого обидві частинки анігілюють з тим, що вивільняється енергії у вигляді кванта випромінювання — фотона. Діраку ж належить теоретичний прогноз можливості народження електрон-антиелектронної пари з фотона достатньо великої енергії. Передбачений Діраком антиелектрон був відкритий в 1932 року Карлом Д. Андерсеном і отримав назву позитрон. Пізніше підтвердилося і припущення Дірака про можливість народження пари. Згодом Дірак висунув гіпотезу про те, що й інші частинки, такі, як протон, також повинні мати свої аналоги з антиматерії, але для опису таких пар частинок і античасток була потрібно б складніша теорія. Існування антипротона було підтверджено експериментально 1955 року Оуеном Чемберленом. В наш час[Коли?] відомі і багато інших античасток.

Рівняння Дірака дозволило внести ясність в проблему розсіювання рентгенівського випромінювання речовиною. Було доведено, що рентгенівське випромінювання після розсіяння може відмінну від первинного довжину хвилі. Це суперечило старій теорії, яка стверджувала незмінність довжини хвилі при розсіюванні. У 1923 Артур Комптон відкрив так званий ефект Комптона, який кількісно показав що фотон рентгенівського випромінювання взаємодіє з окремим електроном. Електрон приходить в рух, і придбдана ним кінетична енергія віднімається від енергії рентгенівського фотона. Розсіяний фотон має меншу енергію, ніж до розсіяння і, отже, відповідає рентгенівському випромінюванню з меншою частотою і більшою довжиною хвилі. Взаємодія фотона з електроном математично має багато спільного із зіткненням більярдних куль. Відкриття ефекту Комптона ще раз підтвердило подвійну природу випромінювання — корпускулярно-хвильовий дуалізм. Рентгенівське випромінювання спочатку веде себе як хвиля, потім взаємодіє з електроном як частинка (фотон) і після зіткнення знов розповсюджується, як хвиля. Теорія Дірака дає докладний кількісний опис такої взаємодії.

Пізніше Дірак (і незалежно від нього Енріко Фермі) відкрив статистичний розподіл енергії в системі електронів, відомий тепер під назвою статистика Фермі-Дірака. Ця робота мала велике значення для теоретичного осмислення електричних властивостей металів і напівпровідників.

Дірак передбачив також існування магнітних монополів — ізольованих позитивних або негативних магнітних частинок, подібних до позитивно або негативно заряджених електричних частинок. Спроби експериментально знайти магнітні монополі досі не увінчалися успіхом. Всі відомі магніти мають два полюси — північний і південний, які невіддільні один від одного. Дірак висловив припущення і про те що природні фізичні константи, наприклад гравітаційна стала, можуть виявитися не постійними в точному значенні слова, а поволі змінюватися з часом. Ослаблення гравітації, якщо воно взагалі існує, відбувається настільки поволі, що знайти його надзвичайно важко, і тому воно залишається гіпотетичним.

Нобелівська премія з фізики[ред.ред. код]

Дірак і Шредінгер отримали Нобелівську премію з фізики у 1933 «за відкриття нових продуктивних форм атомної теорії». «Із загальнофілософської точки зору, — сказав Дірак в своїй короткій Нобелівській лекції, — кількість різних типів елементарних частинок (принаймні, так здається на перший погляд) повинна бути мінімальною, наприклад одна або найбільше дві. Але з експериментальних даних відомо, що кількість різних типів набагато більша. Більш того, кількість типів елементарних частинок проявляє останніми роками вельми тривожну тенденцію до збільшення». На закінчення лекції Дірак вказав на можливість існування «зірок, що складаються головним чином з позитронів і антипротонів, що витікає з симетрії між додатними і від'ємними електричними зарядами. Можливо, одна половина зір належить до одного типу а інша — до іншого. Ці два типи зірок повинні були б мати однакові спектри, і розрізнити їх методами сучасної астрономії б було неможливо».

Після завершення робіт із релятивістської квантової механіки Дірак багато подорожував, побував в університетах Японії, Радянського Союзу і Сполучених Штатів. З 1932 року і до виходу у відставку в 1968 він був професором фізики в Кембриджі (ту ж кафедру колись займав Ісаак Ньютон). Після того, як Дірак залишив Кембридж, він був запрошений у Флоридський університет, професором якого залишався до кінця життя. Дірак помер у Таллахассі в 1984.

У 1937 Дірак одружився з Маргіт Вігнер, сестрою фізика Юджина Пола Вігнера. У них було дві дочки. Дірак був тихою, замкнутою і небагатослівною людиною. Він вважав за краще працювати поодинці, й безпосередніх учнів у нього було мало. Дірак любив довгі пішохідні прогулянки.

Відзнаки і нагороди[ред.ред. код]

Крім Нобелівської премії, Дірак був нагороджений Королівською медаллю (1939) і медаллю Коплі (1952) Лондонського королівського товариства (членом якого він став в 1930). Він був вибраний іноземним членом американської Національної академії наук (1949) і членом Папської академії наук (1961). У 1973 Дірак був нагороджений орденом «За заслуги» Великобританії.

Бібліографія[ред.ред. код]

  • Дирак П. А. М. Воспоминания о необычайной эпохе. — М.: Наука, 1990. — 208 с.
  • Дирак П. А. М. К созданию квантовой теории поля: Основные статьи 1925-1928 гг.. — М.: Наука, 1990. — 368 с.
  • Дирак П. А. М. Лекции по квантовой механике. — М.: Мир, 1968. — 84 с.
  • Дирак П. А. М. Лекции по квантовой теории поля. — М.: Мир, 1971. — 248 с.
  • Дирак П. А. М. Лекции по теоретической физике. — Ижевск: РХД, 2001. — 240 с.
  • Дирак П. А. М. Общая теория относительности. — М.: Атомиздат, 1978. — 66 с.
  • Дирак П. А. М. Принципы квантовой механики. — М.: Наука, 1979. — 440 с.
  • Дирак П. А. М. Пути физики. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 88 с.
  • Дирак П. А. М. Собрание научных трудов. — М.: Физматлит, 2002-2005. — 704+408+720+784 с.
  • Дирак П. А. М. Спиноры в гильбертовом пространстве. — М.: Мир, 1978. — 126 с.

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]