Ontdek het spannende leven van een briljante wetenschapper in deze blogpost.
Wat was het verhaal van Paul Dirac?
Paul Dirac was een Britse theoretische natuurkundige die fundamentele bijdragen leverde aan de ontwikkeling van de kwantummechanica, kwantumveldentheorie en kwantumelektrodynamica. Hij is het meest bekend om zijn pogingen om de theorieën van kwantummechanica en relativiteit te verenigen. Zijn Dirac-vergelijking, geformuleerd in 1928 en die het gedrag van fermionen zoals het elektron beschrijft, voorspelde het bestaan van antimaterie zoals het positron. Hij deelde de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1933 met Erwin Schrödinger “voor de ontdekking van nieuwe en productieve vormen van atoomtheorie” en wordt door sommigen beschouwd als een van de grootste natuurkundigen aller tijden.
Paul Adrien Maurice Dirac werd geboren op 8 augustus 1902 in Bristol, Engeland. Hij werd opgevoed in een ongewoon streng en autoritair huishouden door zijn vader, een Zwitserse immigrant, en opgeleid aan Merchant Venturers ‘Technical College (waar zijn vader was een leraar Frans), een instelling verbonden aan de Universiteit van Bristol dat wetenschappelijke vakken en moderne talen benadrukt.
Dirac vervolgde zijn studie aan de Universiteit van Bristol, afstuderen in 1921 met een graad in elektrotechniek, gevolgd door een BA in de toegepaste wiskunde in 1923. Hij won een beurs om onderzoek te doen aan het St John’s College in Cambridge, waar hij het grootste deel van zijn carrière bleef en zijn interesses in algemene relativiteit en het opkomende gebied van de kwantumtheorie nastreefde, aanvankelijk onder toezicht van Ralph Fowler.
Hij begon te werken aan de kwantummechanica bijna zodra het werd geïntroduceerd door Werner Heisenberg in 1925, en kreeg een doctoraat in 1926 voor zijn canonieke kwantificering van de klassieke mechanica op basis van Heisenberg’s onlangs voorgestelde matrix formulering van de kwantummechanica. Zijn wiskundige equivalent onafhankelijk van Heisenberg’s matrixformulering bestond uit een niet-commutatieve algebra voor het berekenen van atoomeigenschappen.
Bouwend op Wolfgang Pauli’s werk aan niet-relativistische spinsystemen, stelde hij in 1928 de “Dirac-vergelijking” voor als een relativistische bewegingsvergelijking voor de elektron-golffunctie. Dit werk leidde er ook toe dat hij het bestaan voorspelde van het positron (het antideeltje van het elektron, identiek aan het elektron in alle aspecten behalve zijn lading, waarvan het bestaan werd waargenomen en bevestigd door Carl Anderson in 1932) en materie-antimaterie annihilatie, en hielp ook bij het verklaren van de oorsprong van kwantumspin als een relativistisch fenomeen. Hij was ook verantwoordelijk voor het ontwikkelen van de “bra-ket” notatie (of Dirac notatie), de standaard notatie voor het beschrijven van kwantumtoestanden in de kwantummechanische theorie, bestaande uit haakjes (chevrons) en verticale balken.
Dirac reisde veel, vooral in zijn jonge jaren, en studeerde aan verschillende buitenlandse universiteiten, waaronder Kopenhagen, Göttingen, Leyden, Wisconsin, Michigan en Princeton, en bezocht de Sovjet-Unie meerdere malen. In 1929, na een verblijf van vijf maanden in Amerika, vervolgde hij zijn wereldreis door Japan te bezoeken (met Heisenberg) en vervolgens terug te keren via Siberië.
Zijn boek uit 1930, getiteld “Principles of Quantum Mechanics”, wordt beschouwd als een referentie in de geschiedenis van de wetenschap en werd al snel een van de standaard leerboeken over het onderwerp (het wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt). In dit werk integreerde Dirac het eerdere werk van Heisenberg over matrixmechanica en dat van Erwin Schrödinger over golfmechanica in één wiskundig formalisme. Het was grotendeels dankzij dit boek dat hij zijn deel van de Nobelprijs voor natuurkunde in 1933 won.
Hij werd Lucasian Professor of Mathematics in Cambridge in 1932, een functie die hij bekleedde voor de komende 37 jaar. In het begin van de jaren 1930, Dirac introduceerde het idee van vacuüm polarisatie en ontwikkelde het gebied van de kwantum elektrodynamica (hij was de eerste die de term te gebruiken). In 1933 toonde hij aan dat het bestaan van een enkele magnetische monopool in het universum voldoende zou zijn om de waargenomen kwantisering van elektrische lading te verklaren (hoewel er tot op heden nog geen overtuigend bewijs is gevonden voor het bestaan van fysieke magnetische monopolen). In 1937 stelde hij een speculatief kosmologisch model voor gebaseerd op de zogenaamde “grote getallen” hypothese die, hoewel niet geaccepteerd door de mainstream fysica, grote invloed heeft gehad op voorstanders van andere niet-standaard kosmologieën.
Dirac trouwde in 1937 met Margit “Manci” Wigner (zus van de Hongaars-Amerikaanse fysicus en wiskundige Eugène Wigner). Hij adopteerde Margit’s twee kinderen, Judith en Gabriel, en het koppel kreeg samen nog twee kinderen, Mary en Florence. Hij stond bekend als een zeer precieze en ordelijke man, maar verlegen, bescheiden en zwijgzaam, en er wordt beweerd dat zijn autisme cruciaal was voor zijn succes als theoretisch fysicus. Zijn belangrijke bijdragen aan de natuurkunde werden grotendeels gemotiveerd door principes van wiskundige schoonheid en hij zei ooit: “God gebruikte prachtige wiskunde om de wereld te scheppen”. Naar verluidt zou hij echter hebben gezegd: “Ik herken geen religieuze mythen, tenminste niet omdat ze elkaar tegenspreken”, en hij had scherpe kritiek op de politieke manipulatie van religie.
Paul Dirac won in 1933 samen met zijn collega Erwin Schrödinger de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de ontdekking van nieuwe productieve vormen van atoomtheorie. Hij kreeg ook de Royal Medal (in 1939), de Copley Medal en de Max Planck Medal (beide in 1952), naast andere onderscheidingen, en werd verkozen tot Fellow van de Royal Society in 1930, en van de American Physical Society in 1948, en werd Lid van de Britse Orde van Verdienste in 1973.
Tijdens de Tweede Wereldoorlog werkte hij aan uraniumscheiding en kernwapens, maar tegen het einde van zijn leven verwijderde zijn werk zich steeds verder van de mainstream. In de jaren 1960 ontwikkelde hij een theorie van ‘beperkte kwantisering’, waarbij hij algemene kwantumregels identificeerde voor willekeurige klassieke systemen, en zijn analyse van de kwantumvelden van membraantrillingen in het begin van de jaren 1960 is zeer nuttig gebleken voor moderne beoefenaars van superstringtheorie en de nauw verwante opvolger ervan, M-theorie.
Na het onderwijs als Lucasian Professor of Mathematics in Cambridge van 1932 tot 1968, verhuisde hij naar Florida om dicht bij zijn dochter Mary, de besteding van zijn laatste jaren lesgeven aan de Universiteit van Miami in Coral Gables en Florida State University in Tallahassee. Dirac stierf op 20 oktober 1984 in Tallahassee, Florida, waar hij is begraven.