Tutustu nerokkaan tiedemiehen jännittävään elämään tässä blogikirjoituksessa.
Millainen oli Paul Diracin tarina?
Paul Dirac oli brittiläinen teoreettinen fyysikko, joka vaikutti olennaisesti kvanttimekaniikan, kvanttikenttäteorian ja kvanttisähködynamiikan kehittämiseen. Hänet tunnetaan parhaiten yrityksistään yhdistää kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian teoriat. Hänen vuonna 1928 laatimansa Diracin yhtälö, joka kuvaa elektronin kaltaisten fermionien käyttäytymistä, ennusti positronin kaltaisen antiaineen olemassaolon. Hän jakoi vuoden 1933 fysiikan Nobel-palkinnon Erwin Schrödingerin kanssa ”atomiteorian uusien ja tuottavien muotojen löytämisestä”, ja jotkut pitävät häntä yhtenä kaikkien aikojen suurimmista fyysikoista.
Paul Adrien Maurice Dirac syntyi 8. elokuuta 1902 Bristolissa, Englannissa. Hänen isänsä, sveitsiläinen maahanmuuttaja, kasvatti hänet epätavallisen tiukassa ja autoritaarisessa taloudessa, ja hän sai opetusta Merchant Venturers’ Technical Collegessa (jossa hänen isänsä oli ranskanopettaja), joka oli Bristolin yliopiston yhteydessä toimiva luonnontieteellisiä aineita ja moderneja kieliä painottava oppilaitos.
Dirac jatkoi opintojaan Bristolin yliopistossa, josta hän valmistui sähkötekniikan diplomi-insinööriksi vuonna 1921 ja sen jälkeen soveltavasta matemaattisesta matematiikasta vuonna 1923. Hän sai stipendin tutkimustyöhön St John’s Collegessa Cambridgessa, jossa hän pysyi suurimman osan urastaan ja jatkoi kiinnostuksensa yleistä suhteellisuusteoriaa ja kehittymässä olevaa kvanttiteoriaa aluksi Ralph Fowlerin ohjauksessa.
Hän alkoi työskennellä kvanttimekaniikan parissa melkein heti, kun Werner Heisenberg esitteli sen vuonna 1925, ja hän väitteli tohtoriksi vuonna 1926 klassisen mekaniikan kanonisesta kvantifioinnista, joka perustui Heisenbergin hiljattain ehdottamaan kvanttimekaniikan matriisimuotoiluun. Hänen Heisenbergin matriisimuodostelmasta riippumaton matemaattinen vastineensa koostui ei-kommutatiivisesta algebrasta atomien ominaisuuksien laskemista varten.
Lähtökohtana Wolfgang Pauli ei-relativistisia spinjärjestelmiä koskevalle työlleen hän ehdotti vuonna 1928 ”Diracin yhtälöä” relativistiseksi liikeyhtälöksi elektronin aaltofunktiolle. Tämä työ johti myös siihen, että hän ennusti positronin (elektronin antihiukkanen, joka on sen kanssa identtinen kaikilta muilta osin paitsi varaukseltaan, ja jonka olemassaolon Carl Anderson havaitsi ja vahvisti vuonna 1932) ja aineen ja antiaineen annihilaation olemassaolon, sekä auttoi selittämään kvanttispinin alkuperän relativistisena ilmiönä. Hän oli myös vastuussa ”bra-ket”-merkintätavan (tai Dirac-merkintätavan) kehittämisestä, joka on kvanttimekaanisen teorian kvanttitilojen kuvaamisen standardimerkintätapa, joka koostuu hakasulkeista (chevron) ja pystysuorista palkeista.
Dirac matkusti paljon, erityisesti nuorempana, ja opiskeli useissa ulkomaisissa yliopistoissa, kuten Kööpenhaminassa, Göttingenissä, Leydenissä, Wisconsinissa, Michiganissa ja Princetonin yliopistossa, ja vieraili useita kertoja Neuvostoliitossa. Vietettyään viisi kuukautta Amerikassa vuonna 1929 hän jatkoi maailmanympärysmatkaansa käymällä Japanissa (Heisenbergin kanssa) ja palasi sitten Siperian kautta.
Hänen vuonna 1930 ilmestynyttä kirjaansa ”Principles of Quantum Mechanics” pidetään tieteenhistorian referenssinä, ja siitä tuli nopeasti yksi aiheen vakio-oppikirjoista (sitä käytetään edelleen). Tässä teoksessa Dirac yhdisti Heisenbergin aikaisemmat matriisimekaniikkaa koskevat työt ja Erwin Schrödingerin aaltomekaniikkaa koskevat työt yhdeksi matemaattiseksi formalismiksi. Suurelta osin tämän kirjan ansiosta Diak sai osuutensa fysiikan Nobel-palkinnosta vuonna 1933.
Hänestä tuli vuonna 1932 Cambridgen Lucasin matematiikan professori, ja hän toimi tehtävässä seuraavat 37 vuotta. 1930-luvun alussa Dirac esitteli tyhjiön polarisaation idean ja kehitti kvanttisähködynamiikan alaa (hän oli ensimmäinen, joka käytti termiä). Vuonna 1933 hän osoitti, että yhden ainoan magneettisen monopolin olemassaolo maailmankaikkeudessa riittäisi selittämään sähkövarauksen havaitun kvanttivarauksen (vaikka tähän mennessä ei ole vielä löydetty vakuuttavia todisteita fyysisten magneettisten monopolien olemassaolosta). Vuonna 1937 hän ehdotti niin sanottuun ”suurten lukujen” hypoteesiin perustuvaa spekulatiivista kosmologista mallia, joka, vaikka valtavirtafysiikka ei olekaan hyväksynyt sitä, on vaikuttanut suuresti muiden epätyypillisten kosmologioiden kannattajiin.
Dirac avioitui vuonna 1937 Margit ”Manci” Wignerin kanssa (unkarilais-yhdysvaltalaisen fyysikon ja matemaatikon Eugène Wignerin sisar). Hän adoptoi Margitin kaksi lasta, Judithin ja Gabrielin, ja pariskunnalla oli vielä kaksi yhteistä lasta, Mary ja Florence. Wigner tunnettiin hyvin tarkana ja järjestelmällisenä miehenä, mutta ujona, vaatimattomana ja hiljaisena, ja on väitetty, että hänen autisminsa oli ratkaiseva tekijä hänen menestymisessään teoreettisena fyysikkona. Hänen merkittävät panoksensa fysiikkaan perustuivat pitkälti matemaattisen kauneuden periaatteisiin, ja hän sanoi kerran: ”Jumala käytti kaunista matematiikkaa luodakseen maailman”. Hänen kerrotaan kuitenkin sanoneen: ”En tunnista mitään uskonnollisia myyttejä, ainakaan siksi, että ne ovat ristiriidassa keskenään”, ja hän kritisoi voimakkaasti uskonnon poliittista manipulointia.
Paul Dirac voitti fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1933 kollegansa Erwin Schrödingerin kanssa atomiteorian uusien tuottavien muotojen löytämisestä. Hän sai myös muun muassa kuninkaallisen mitalin (1939), Copley-mitalin ja Max Planck -mitalin (molemmat 1952), ja hänet valittiin Royal Societyn jäseneksi vuonna 1930 ja American Physical Societyn jäseneksi vuonna 1948, ja hänestä tehtiin Britannian ansioritarikunnan jäsen vuonna 1973.
Toisen maailmansodan aikana hän työskenteli uraanin erottelun ja ydinaseiden parissa, mutta hänen työnsä etääntyi elämänsä loppuun mennessä yhä kauemmas valtavirrasta. Hän kehitti 1960-luvulla ”rajoitetun kvantifioinnin” teorian, jossa yksilöitiin yleisiä kvanttisääntöjä mielivaltaisille klassisille järjestelmille, ja hänen 1960-luvun alussa tekemänsä analyysi kalvojen värähtelyjen kvanttikentistä on osoittautunut erittäin hyödylliseksi nykyisille supersäieteorian ja siihen läheisesti liittyvän seuraajan, M-teorian, harjoittajille.
Opetettuaan Lucasin matematiikan professorina Cambridgessa vuosina 1932-1968 hän muutti Floridaan ollakseen lähellä tytärtään Marya ja vietti viimeiset vuotensa opettaen Miamin yliopistossa Coral Gablesissa ja Floridan osavaltion yliopistossa Tallahasseessa. Dirac kuoli 20. lokakuuta 1984 Tallahasseessa, Floridassa, jonne hänet on haudattu.