Пол Ейдриън Морис Дирак (Paul Adrien Maurice Dirac)
8 август 1902 г. – 20 октомври 1984 г.
Нобелова награда за физика, 1933 г. (заедно с Ервин Шрьодингер)
(За откритието на нови продуктивни форми на атомната теория.)
Английският физик Пол Ейдриън Морис Дирак е роден в Бристол в семейството на потомъка на шведски преселници Чарлз Ейдриън Ладислав Дирак, учител по френски език в частно училище, и англичанката Флоранс Хана (Холтън) Дирак. Отначало Дирак учи в търговското училище в Бристол, а след това следва електротехника в Бристолския университет, който завършва през 1921 г. със степента бакалавър на науките. Още в университета той започва да се интересува от теорията за относителността на Алберт Айнщайн и в продължение на две години изучава математика извън обичайния курс. След това започва да се готви за аспирантура в колежа "Св. Йоан" в Кеймбридж и през 1926 г. защитава докторска дисертация. През следващата година Дирак става член на научния съвет на същия колеж.
През годините, когато Дирак следва аспирантура в Кеймбридж, Вернер Хайзенберг и Ервин Шрьодингер разработват свои формулировки за квантовата механика, прилагайки квантовата теория към описанието на поведението на атомните и субатомните системи и на движението на частици като електроните. Дирак започва да изучава уравненията на Хайзенберг и Шрьодингер след публикуването им през 1925 г., като прави при това няколко полезни забележки. Един от недостатъците на квантовата механика по това време е този, че е разработена само по отношение на частиците, притежаващи малка скорост (в сравнение със скоростта на светлината), а това позволява да се пренебрегнат ефектите, разглеждани от теорията за относителността на Айнщайн. Ефектите на теорията за относителността, като например увеличаването на масата на частиците с нарастване на скоростта, стават съществени само когато скоростта започва да се приближава към скоростта на светлината. Шрьодингер първи се опитва да премахне ограничението скоростта в квантовата механика, но не преуспява в това отношение.
Една от причините за постигналия го неуспех е тази, че той не отчита такова свойство на електрона като спина (въртенето около собствената ос подобно на пумпал), което по това време е само хипотеза при обясняването на някои невлизащи в рамките на традиционното описание детайли на линейните спектри. Дирак си поставя задачата да въведе относителност във вълновото си уравнение, записвайки го в релативистична форма. Въведеното от него и публикувано през 1928 г. уравнение днес се нарича уравнение на Дирак. То позволява да се постигне съгласие с експерименталните данни. По-специално спинът, който до това време е хипотеза, се потвърждава от уравнението на Дирак. Това е триумфът на неговата теория. Освен това уравнението на Дирак дава възможност да се предскажат магнитните свойства на електрона (магнитния момент).
Но с това изненадите, които криела в себе си теорията на Дирак, не се изчерпват. Теорията посочва възможността за съществуването на отрицателни енергии, които не се поддават на интерпретации от гледна точка на тогавашната наука. Като преодолява изкушението да отхвърли отрицателните енергии като "математическа абстракция", лишена от физически смисъл, Дирак стига до извода, че състояния с отрицателна енергия съществуват реално. Разглеждайки действието на електромагнитното поле на електрона в състояние с отрицателна енергия, той открива, че движението му в този случай е еквивалентно на движението на електрона с противоположен, иначе казано - с положителен електрически заряд. Дирак предполага, че положително заредена частица може да бъде протонът.
Като използва принципа за забраната на Волфганг Паули, според който във всяко динамично състояние може да се намира само един електрон, Дирак изказва предположение, че почти всички състояния с отрицателна енергия вече са заети, затова не може да се наблюдава еднороден фон. Но вакантното (незаетото) енергетично състояние, подобно на дупка в еднородна "безлика" среда, може да се наблюдава. Дупката има характеристиките на положително зареден електрон. Освен това, тъй като тя съответства на недостиг на отрицателна енергия, нейната енергия е положителна, както и енергията на всички известни частици. Така Дирак предсказва съществуването на античастиците, близнаци на електрона.
Той доказва също, че електронът може да заеме вакантна дупка, а това е еквивалентно на сблъсък на електрон с антиелектрон, в резултат от което двете частици анихилират с освобождаване на енергия във вид на един излъчен фотон. На Дирак принадлежи теоретичното предсказание за възможността да се появи двойка електрон-антиелектрон от фотон с достатъчно голяма енергия. Предсказаният от Дирак антиелектрон е открит през 1932 г. от Карл. Д. Андерсън и е наречен позитрон. По-късно се потвърждава и предположението на Дирак за възможността да се създават двойки. Впоследствие Дирак предлага хипотезата, че и другите частици, такива като протона, също трябва да имат свои аналози от антиматерия, но за описанието на подобни двойки частици и античастици ще е необходима по-сложна теория. Съществуването на антипротона е потвърдено през 1955 г. от Оуен Чембърлейн. Днес са известни и много други античастици.
Уравнението на Дирак позволява да се внесе яснота в проблема за разсейването на рентгеновото излъчване от веществото. Доказва се, че рентгеновото излъчване след разсейването си има по-къси дължини на вълната (притежава по-малка проникваща способност) от първоначалното. Това противоречи на старата теория, която утвърждава постоянността на дължината на вълната при разсейване. През 1923 г. Артър Комптън открива така наречения ефект на Комптън, който доказва количествено, че един фотон рентгеново излъчване взаимодейства с отделен електрон. Електронът се задвижва и придобитата от него кинетична енергия става за сметка на намалена енергия на рентгеновия фотон. Разсеяният фотон има по-малка енергия от преди да бъде разсеян и следователно съответства на рентгеново излъчване с по-малка честота и с по-голяма дължина на вълната. Взаимодействието на фотона с електрона математически има много общо със сблъсъка на билярдните топки. Откриването на ефекта на Комптън още един път потвърждава двойствената природа на излъчването - дуализма вълна-частица. Рентгеновото излъчване отначало има характеристиките на вълна, после взаимодейства с електрона като частица (фотон) и след сблъсъка отново прилича на вълна. Теорията на Дирак дава подробно количествено описание на това взаимодействие.
По-късно Дирак (и независимо от него Енрико Ферми) открива статистическото разпределение на енергията в система от електрони, известно днес под името статистика на Ферми-Дирак. Това има голямо значение за теоретичното осмисляне на електрическите свойства на металите и полупроводници.
Дирак предсказва също съществуването на магнитните монополи - изолирани положителни или отрицателни магнитни частици, подобни на положително или отрицателно заредените електрически частици. Опитите да се открият експериментално магнитните монополи до това време не се увенчават с успех. Всички известни магнити имат два пояса - северен и южен, които са неотделими един от друг. Дирак изказва предположението и за това, че природните физически константи, например гравитационната константа, могат да се окажат не постоянни в точния смисъл на думата, а че се променят бавно с времето. Отслабването на гравитацията, ако въобще съществува, става толкова бавно, че е извънредно трудно да бъде открито и затова остава хипотетично.
След като завършва работата си по релативна квантова механика, Дирак пътешества много, гостува на университети в Япония, Съветския съюз и Съединените щати. От 1932 г. до излизането си в оставка през 1968 г. е професор по физика в Кеймбридж (същата катедра някога е заемал Исак Нютон). След като напуска Кеймбридж, Дирак е поканен във Флоридския университет, професор в който остава до края на живота си. Умира в Талахаси.
През 1937 г. Дирак се жени за Маргит Уигнър, сестра на физика Юджин П. Уигнър. Семейството има две дъщери. Дирак е тих, затворен и немногословен човек. Предпочита да работи сам и има малко непосредствени ученици. Обича далечните пешеходни разходки.
Освен с Нобелова награда Дирак е награден с Кралския медал (1939 г.) и
медала
Копли (1952 г.) на Лондонското кралско дружество (чийто член
става през 1930 г.). Той е избран за чуждестранен член на американската
Национална академия на науките (1949 г.) и за член на Папската академия на
науките (1961 г.). През 1973 г. Дирак е награден с ордена "За заслуги" на
Великобритания.
Превод от руски: Павел Б. Николов
