保罗狄拉克。一位科学家的传记

狄拉克·保罗·阿德里安·莫里斯。这位科学家的传记

伟大科学家的传记

保罗狄拉克 （1902 1984）。

英国物理学家保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）于8年1902月XNUMX日出生于布里斯托尔的查尔斯·阿德里安·拉迪斯拉夫·狄拉克（Charles Adrien Ladislav Dirac）的家庭，他是瑞典人，一所私立学校的法语老师，英国女性弗洛伦斯·汉娜（Holten）狄拉克。

起初，保罗在布里斯托的一所商学院学习。随后，他于 1918 年至 1921 年在布里斯托大学学习电气工程，并获得理学学士学位。之后，保罗还在同一所大学修读了两年的应用数学课程。 “在数学教育中，弗雷泽对我的影响最大……他是一位出色的老师，能够以对数学基本思想的真正钦佩之情激发他的学生……-狄拉克回忆道。-我从那里学到了两件事弗雷泽。首先，严谨的数学。之前我只用不严谨的数学，这让工程师们很满意……他们并不关心极限的确切定义，如何添加级数，以及其他诸如此类的事情。弗雷泽教导说有时需要严格的逻辑思想来处理这些对象。更进一步：“我从弗雷泽那里学到的第二件事是射影几何。它对我产生了深远的影响，因为它固有的数学美……射影几何总是适用于平面空间……它为你提供了一对一等方法对应的方法，就像魔术一样，他们得到结果；如果你使用射影几何的论据，你可以用最简单的方式推导出你长期苦恼的欧几里得几何定理。

1923 年底，狄拉克成为剑桥大学的一名研究生，在拉尔夫·霍华德·福勒 (Ralph Howard Fowler) 的指导下专攻理论物理学，他继续对射影几何感兴趣。特别是，他经常在周六晚上参加贝克教授家的茶话会。在每一次茶话会之后，都有人报告了一个几何问题。狄拉克本人也“研究射影几何……并在这样的茶会上做了一份报告。这是我人生中的第一堂课，当然，我记得很清楚。它是关于一种新的求解方法投影问题。”

狄拉克随后进入圣彼得堡的数学研究生院。约翰在剑桥大学，1926 年为他的博士论文答辩。次年，狄拉克成为同一所学院的科学委员会成员。

在大学期间，狄拉克对爱因斯坦的相对论产生了兴趣。在狄拉克在剑桥攻读研究生期间，海森堡和薛定谔通过应用量子理论来描述原子和亚原子系统的行为以及电子等粒子的运动，发展了他们的量子力学公式。

狄拉克在海森堡和薛定谔方程于 1925 年发表后就开始研究它们，并在此过程中发表了一些有用的评论。量子力学的缺点之一是它只针对低速粒子（与光速相比）开发，这使得忽略爱因斯坦相对论所考虑的影响成为可能。相对论的影响，例如粒子质量随着速度的增加而增加，只有在速度开始接近光速时才会变得显着。

在 1927 年 XNUMX 月的索尔维大会上，玻尔找到了狄拉克。狄拉克本人是这样回忆的：“玻尔走到我面前问：”你现在在做什么？已经解决了这个问题了。”我有些灰心了，开始向他解释，基于克莱因-戈登方程的克莱因问题的解并不令人满意，因为它与我对量子力学的一般物理解释不一致。然而，我无法向玻尔解释任何事情，因为我们的谈话被讲座的开始打断了，问题悬而未决。”

狄拉克不高兴。他试图获得单个电子的方程，而不是具有不同电荷的粒子系统。他如愿以偿，但这个决定让他感到惊讶。在非相对论情况下描述自旋的二维泡利粒子显然是缺乏的。理论上，电子有一个额外的自由度——事实证明，这是向负能量状态转变的自由度。它看起来如此狂野，以至于放弃已经做过的一切是正确的。

为了寻找出路，狄拉克想出了一个奇怪的主意。他提出，根据泡利原理，宇宙中所有的电子都占据负能量的能级，形成一个不可观测的背景。只能观察到具有正能量的电子。 “电子，”狄拉克写道，“分布在世界各地，每个点都具有很高的密度。完美的空虚是所有负能量状态都被占据的区域。” “具有负能量的空置状态会以具有正能量的状态出现，因为要使其消失，必须将一个具有负能量的电子引入其中。我们假设这些具有负能量的空置状态是质子。”

狄拉克的理论遭到了质疑。电子的假设背景引起了不信任，此外，狄拉克的理论，用他的话说，“关于电子和质子是非常对称的”。

但质子与电子的区别不仅在于电荷的符号，而且在于质量。正电子（一种与电子真正对称的粒子）的发现迫使人们对狄拉克的理论重新认识，该理论基本上预测了正电子和其他反粒子的存在。

在 1933 年的列宁格勒会议上，狄拉克陈述了正电子理论的本质如下：“让我们假设，在我们所知道的世界上，几乎所有具有负能量的电子状态都被电子占据。这组电子处于负能量由于其同质性，我们的感官和测量仪器无法感知水平，只有未被电子占据的水平，作为特殊的东西，某种违反同质性，我们才能以与我们注意到的完全相同的方式注意到正能量电子的占据态能量，即负能量电子分布中的一个“空穴”，我们会被我们感知为一个正能量粒子，因为负动能的不存在等同于负能量的存在。正动能，因为减负会加分……用这样的“洞”来识别似乎是合理的正电子，即断言正电子是具有负能量的电子分布中的“空穴”。

“根据狄拉克的理论，”F. Joliot 写道，“一个正电子在与一个自由或弱束缚的负电子碰撞时会消失，形成两个朝相反方向发射的光子。”

还有一个相反的过程——光子的“物质化”，当“具有足够高能量的光子与重核碰撞时可以产生正电子……一个光子与原子核相互作用，可以产生两个带相反电荷的电子。”

该方程由一位英国科学家推导出并于 1928 年发表，现在称为狄拉克方程。这使得与实验数据达成一致成为可能。特别是，以前是假设的自旋被狄拉克方程证实。这是他理论的胜利。此外，狄拉克方程使预测电子的磁性（磁矩）成为可能。

狄拉克也属于从足够高能量的光子中诞生电子-反电子对的可能性的理论预测。狄拉克预言的反电子是由卡尔·D·安徒生于1932年发现的，并被命名为正电子。后来，狄拉克关于夫妻生育可能性的假设也得到了证实。随后，狄拉克假设其他粒子，如质子，也必须有它们的反物质对应物，但需要更复杂的理论来描述这种粒子和反粒子对。 1955 年欧文张伯伦通过实验证实了反质子的存在。现在已知许多其他反粒子。

狄拉克方程使得澄清物质对 X 射线散射的问题成为可能。 X 射线辐射首先表现为波，然后以粒子（光子）与电子相互作用，碰撞后又像波一样。狄拉克的理论对这种相互作用提供了详细的定量描述。

狄拉克后来发现了电子系统中能量的统计分布，现在称为费米-狄拉克统计。这项工作对于从理论上理解金属和半导体的电学性质具有重要意义。

狄拉克还预言了磁单极子的存在——孤立的正或负磁性粒子，类似于带正电或带负电的电粒子。迄今为止，尝试通过实验检测磁单极子的尝试均未成功。所有已知的磁铁都有两个磁极——南北两极，彼此不可分割。狄拉克还提出，自然物理常数，例如万有引力常数，可能不是严格意义上的常数，而是随着时间缓慢变化。引力的减弱，如果真的存在的话，它是如此缓慢以至于极难检测，因此仍然是假设的。

狄拉克和薛定谔因“发现了新的生产形式的原子理论”而获得了 1933 年的诺贝尔物理学奖。狄拉克在演讲中指出，由于正负电荷的对称性，存在“主要由正电子和反质子组成的恒星”的可能性。也许一半的恒星属于一种类型，而另一半属于另一种类型。这两种恒星应该有相同的光谱，用现代天文学的方法是不可能区分的。”

1937 年，狄拉克与物理学家 Eugen P. Wigner 的妹妹 Margit Wigner 结婚。他们有两个女儿。

人们普遍认为，狄拉克是一个沉默寡言、不太善于交际的人。就这样。他更喜欢一个人工作，直接的学生也很少，但与此同时，他有能力建立真诚而深厚的友谊。狄拉克在苏联找到了他最亲密的两个朋友。他们是彼得·卡皮察和伊戈尔·塔姆。

塔姆的女儿伊琳娜关于狄拉克的回忆录很好奇：“连续两年，来到莫斯科的 P.A.M.狄拉克一直和我们在一起，父亲于 28 年在莱顿的埃伦费斯特与他们相识并成为朋友。我记得我的晚上第二次来访，容光焕发的狄拉克走进来，举起手指，郑重宣布：“塔姆，你有大变样了。”针对大家的疑惑，他解释道：“现在厕所里的灯亮了。”

1934 年秋，卡皮察不被允许返回英国，回到他负责的实验室，他最初被迫留在苏联，没有从事科学工作的机会。狄拉克想来苏联帮助卡皮察。

这个问题在他和当时在剑桥的卡皮察的妻子安娜·阿列克谢夫娜的通信中得到了详细的讨论。那年狄拉克在美国讲学。为了营救Kapitsa，他甚至在美国物理学家给苏联政府的集体信中收集签名，并与R. Milliken一起访问了苏联大使馆。

保罗·狄拉克的朋友和熟人常常对他对谈话中出现的话题的意外反应，有时甚至是“奇怪”的反应感到惊讶。诚然，很明显，他的言论是一种自然而合乎逻辑的反应，而且只是其他所有人的纯粹自动和轻率的联想，使人们对他有所期待。相同的性质表现在它的物理学中。这种相似性是如此明显，以至于许多关于这位科学家的著名故事都可以与他的一些文章直接相关。

例如，这里是 H. R. Ulm 讲述的瓶中药丸的故事。乌尔姆为口袋里的噪音道歉，解释说瓶子不再满了，所以会发出噪音。狄拉克说：“我认为它在半满时发出的声音最大。” 他掌握了一个事实，即瓶子不会发出任何声音，不仅是空的时候很明显，而且当它完全装满时也是如此。这个想法类似于他的“洞理论”背后的想法。

在另一集中，关于茶的谈话转向了这样一个事实，即在剑桥物理学家最近出生的孩子中，女孩的比例惊人地大。当有人轻率地说：“空气中一定有什么东西！” ——狄拉克停顿后补充道：“或者也许在水中。” 他不是从传统意义上理解“在空中”这个表达，而是从字面上看，看到了一种可能的应用。这种趋势反映在他的许多作品中。也许它首先出现在他使用海森堡关于量子变量不交换的观察的方式上。对海森堡本人来说，这似乎是形式主义的一个丑陋特征。相反，狄拉克表明，这种情况在新理论中占有非常重要的地位。

狄拉克的另一个特征出现在发生在哥本哈根的故事中。朋友们注意到著名物理学家泡利的体重增长过快。然后狄拉克被要求确保他不要吃太多。泡利参加了这个游戏，问狄拉克他的咖啡里能放多少块糖。 “我认为一个对你来说就足够了，”狄拉克说，稍后又补充道：“我认为一个对每个人来说都足够了。” 进一步思考后：“我认为这些作品的制作方式足以满足所有人的需求。”

这种对世界秩序的信念经常反映在他的著作中，尤其是在一篇文章中的评论中，表明磁单极子与已知的量子力学定律并不矛盾：“如果自然界不用它。”

当狄拉克谈到他的作品时，在观众看来，他并没有过多地解释现有世界，而是像一个创造者一样，创造了他自己的、美丽的、数学严谨的世界。直到最后他才回到现实。将他的世界与现实世界进行比较，狄拉克有时会感到惊讶，其他人会认为这是对理论的毁灭性打击。但这正是狄拉克所没有的。对他来说，真理的决定性标准是逻辑上的孤立。因此，他永远无法接受基于重整化方法的现代相对论量子场理论。

在完成相对论量子力学的工作后，狄拉克广泛旅行，访问了日本、苏联和美国的大学。从 1932 年到 1968 年退休，他一直是剑桥大学的物理学教授。狄拉克离开剑桥后，被邀请到佛罗里达大学，在那里他一直担任教授直到生命的尽头。 1973年，狄拉克被授予英国功勋勋章。 He was elected a foreign member of the American National Academy of Sciences (1949) and a member of the Pontifical Academy of Sciences (1961).

狄拉克于 20 年 1984 月 XNUMX 日在塔拉哈西去世。

作者：萨明 D.K.

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数学家的计算表明，通过产生两个声重力波 (AGW)，可以显着降低振幅更大的波的频率。诚然，在实践中，创建这样的波浪是一项极其困难的任务：为此，您需要花费大量的精力，而建造发电机的成本也很高。另一方面，目前还没有其他方法（至少理论上）可以削弱人类可以使用的海啸。

声引力波不应与引力波混淆——引力场的扰动，产生于黑洞合并、超新星爆炸和中子星合并。 AGW 是在弹性介质中传播的内部或惯性重力波的一种特殊情况。决定它们存在的因素之一是万有引力，因此标题中使用了“万有引力”一词。

在自然界中，例如，由于大规模的地质和大气现象——地震、陨石坠落和其他灾难，AGW 会出现在大气和水中。最近，在金星的大气层中发现了大气引力波。

水下 AGW 伴随着海啸；有可能记录这种伴随的振荡来预测巨浪本身。正如 Cardi 的计算所示，两个针对海啸的 AGW 能够与海啸相互作用，显着降低其幅度——这可能意味着挽救了数千人的生命。

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