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BIOGRAFIEN GROSSER WISSENSCHAFTLER
Dirac Paul Adrien Maurice. Biographie des Wissenschaftlers
Verzeichnis / Biografien großer Wissenschaftler
Der englische Physiker Paul Adrien Maurice Dirac wurde am 8. August 1902 in Bristol in der Familie des aus Schweden stammenden Charles Adrien Ladislav Dirac, Französischlehrer an einer Privatschule, und der Engländerin Florence Hannah (Holten) Dirac geboren. Paul studierte zunächst an einer Handelsschule in Bristol. Anschließend studierte er von 1918 bis 1921 Elektrotechnik an der University of Bristol und schloss mit einem Bachelor of Science ab. Danach absolvierte Paul an derselben Universität auch ein zweijähriges Studium der Angewandten Mathematik. „Während dieser mathematischen Ausbildung hat mich Fraser am meisten beeinflusst ... er war ein ausgezeichneter Lehrer, der in der Lage war, seine Schüler mit einem Gefühl echter Bewunderung für die grundlegenden Ideen der Mathematik zu begeistern ... - erinnerte sich Dirac. - Ich habe zwei Dinge von ihm gelernt Fraser: Erstens strenge Mathematik. Davor habe ich nur nicht strenge Mathematik verwendet, was die Ingenieure zufriedenstellte ... Sie kümmerten sich nicht um die genaue Definition der Grenze, wie lange die Reihen zu summieren sind und andere solche Dinge. Frazer lehrte dass manchmal strenge logische Ideen notwendig waren, um mit diesen Objekten umzugehen. Und weiter: "Das zweite, was ich von Fraser gelernt habe, war die projektive Geometrie. Sie hatte wegen ihrer inhärenten mathematischen Schönheit eine tiefgreifende Wirkung auf mich ... Die projektive Geometrie funktioniert immer im flachen Raum ... sie bietet Ihnen Methoden wie die Eins-zu-Eins Korrespondenzmethode, die wie Zauberei zu Ergebnissen führt; die Sätze der euklidischen Geometrie, über die Sie sich lange gequält haben, werden auf einfachste Weise abgeleitet, wenn Sie die Argumente der projektiven Geometrie verwenden. Dirac interessierte sich weiterhin für projektive Geometrie, nachdem er Ende 1923 Doktorand an der University of Cambridge geworden war und sich bei Ralph Howard Fowler auf theoretische Physik spezialisiert hatte. Insbesondere besuchte er samstagabends regelmäßig Teepartys im Haus von Professor Baker. Nach jeder dieser Teegesellschaften hielt jemand einen Bericht über ein geometrisches Problem. Dirac selbst „arbeitete auch mit projektiver Geometrie … und hielt einen der Referate bei so einer Teegesellschaft. Es war der erste Vortrag in meinem Leben, und natürlich erinnere ich mich gut daran. Es ging um eine neue Lösungsmethode projektive Probleme." Dirac trat dann in die Graduate School in Mathematik an der St. John in Cambridge und verteidigte 1926 seine Doktorarbeit. Im folgenden Jahr wurde Dirac Mitglied des wissenschaftlichen Rates derselben Hochschule. Noch während seines Studiums interessierte sich Dirac für Albert Einsteins Relativitätstheorie. Während Diracs Postgraduiertenjahren in Cambridge entwickelten Heisenberg und Schrödinger ihre Formulierungen der Quantenmechanik, indem sie die Quantentheorie anwendeten, um das Verhalten von atomaren und subatomaren Systemen und die Bewegung von Teilchen wie dem Elektron zu beschreiben. Dirac begann, die Heisenberg- und Schrödinger-Gleichungen zu studieren, sobald sie 1925 veröffentlicht wurden, und machte dabei mehrere nützliche Bemerkungen. Einer der Mängel der Quantenmechanik bestand darin, dass sie nur für Teilchen mit geringer Geschwindigkeit (im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit) entwickelt wurde und dadurch die von Einsteins Relativitätstheorie berücksichtigten Effekte vernachlässigt werden konnten. Die Effekte der Relativitätstheorie, wie etwa die Zunahme der Masse eines Teilchens mit zunehmender Geschwindigkeit, werden erst dann signifikant, wenn sich die Geschwindigkeiten der Lichtgeschwindigkeit nähern. Auf dem Solvay-Kongress im Oktober 1927 trat Bohr an Dirac heran. So erinnert sich Dirac selbst: „Bohr kam auf mich zu und fragte: „Woran arbeiten Sie gerade?“ Ich antwortete: „Ich versuche, eine relativistische Theorie des Elektrons zu bekommen.“ Bohr sagte dann: „Aber Klein hatte dieses Problem bereits gelöst.“ Etwas entmutigt begann ich ihm zu erklären, dass die Lösung des Klein-Problems auf der Grundlage der Klein-Gordon-Gleichung unbefriedigend sei, da sie nicht mit meiner allgemeinen physikalischen Interpretation der Quantenmechanik vereinbar sei , ich konnte Bohr nichts erklären, da unser Gespräch durch den Beginn des Vortrags unterbrochen wurde und die Frage in der Luft hing." Dirac war nicht erfreut. Er versuchte, Gleichungen für ein einzelnes Elektron zu erhalten und nicht für ein System von Teilchen mit unterschiedlichen Ladungen. Er setzte sich durch, aber die Entscheidung überraschte ihn. Zweidimensionale Pauli-Teilchen, die den Spin im nichtrelativistischen Fall gut beschreiben, fehlten eindeutig. Theoretisch hatte das Elektron einen zusätzlichen Freiheitsgrad - die Freiheit, wie sich herausstellte, beim Übergang in einen Zustand mit negativer Energie. Es sah so wild aus, dass es genau richtig war, alles, was getan worden war, aufzugeben. Auf der Suche nach einem Ausweg kam Dirac auf eine seltsame Idee. Er schlug vor, dass alle Elektronen im Universum gemäß dem Pauli-Prinzip Ebenen mit negativer Energie einnehmen und einen nicht beobachtbaren Hintergrund bilden. Nur Elektronen mit positiver Energie sind beobachtbar. "Elektronen", schreibt Dirac, "sind überall auf der Welt mit hoher Dichte an jedem Punkt verteilt. Vollkommene Leere ist die Region, in der alle Zustände mit negativer Energie besetzt sind." „Unbesetzte Zustände mit negativer Energie erscheinen als etwas mit positiver Energie, denn damit sie verschwinden, muss ein Elektron mit negativer Energie hineingebracht werden. Wir nehmen an, dass diese unbesetzten Zustände mit negativer Energie Protonen sind.“ Diracs Theorie stieß auf Skepsis. Der hypothetische Hintergrund der Elektronen erregte Misstrauen, außerdem war Diracs Theorie nach seinen Worten „sehr symmetrisch in Bezug auf Elektronen und Protonen“. Aber das Proton unterscheidet sich vom Elektron nicht nur im Ladungszeichen, sondern auch in der Masse. Die Entdeckung des Positrons, eines Teilchens, das wirklich symmetrisch zum Elektron ist, erzwang eine neue Wertschätzung von Diracs Theorie, die im Wesentlichen die Existenz des Positrons und anderer Antiteilchen vorhersagte. Auf der Leningrader Konferenz von 1933 erläuterte Dirac das Wesen der Positronentheorie wie folgt: „Nehmen wir an, dass in der Welt, die wir kennen, fast alle elektronischen Zustände mit negativer Energie von Elektronen besetzt sind.“ Diese Gruppe von Elektronen sitzt auf negativer Energie Ebenen können aufgrund ihrer Homogenität von unseren Sinnen und Messinstrumenten nicht wahrgenommen werden, und nur die nicht von Elektronen besetzten Ebenen, die etwas Außergewöhnliches sind, eine Art Verletzung der Homogenität, können von uns genauso wahrgenommen werden, wie wir es wahrnehmen Die besetzten Zustände von Elektronen mit positiver Energie, d.h. ein „Loch“ in der Verteilung von Elektronen mit negativer Energie, werden von uns als Teilchen mit positiver Energie wahrgenommen, da das Fehlen negativer kinetischer Energie gleichbedeutend mit dem Vorhandensein von ist positive kinetische Energie, da Minus durch Minus ein Plus ergibt ... Es scheint vernünftig, ein solches "Loch" mit zu identifizierenPositron, dh zu behaupten, dass das Positron ein "Loch" in der Verteilung von Elektronen mit negativer Energie ist. "Nach Diracs Theorie", schrieb F. Joliot, "kann ein positives Elektron bei einer Kollision mit einem freien oder schwach gebundenen negativen Elektron verschwinden und zwei Photonen bilden, die in entgegengesetzte Richtungen emittiert werden." Es gibt auch einen umgekehrten Prozess - die "Materialisierung" von Photonen, wenn "Photonen mit ausreichend hoher Energie positive Elektronen erzeugen können, wenn sie mit schweren Kernen kollidieren ... Ein Photon, das mit einem Kern interagiert, kann zwei Elektronen mit entgegengesetzten Ladungen erzeugen." Die von einem englischen Wissenschaftler abgeleitete und 1928 veröffentlichte Gleichung heißt heute Dirac-Gleichung. Es ermöglichte eine Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Insbesondere der Spin, der bisher eine Hypothese war, wurde durch die Dirac-Gleichung bestätigt. Dies war der Triumph seiner Theorie. Außerdem ermöglichte die Dirac-Gleichung die Vorhersage der magnetischen Eigenschaften des Elektrons (magnetisches Moment). Dirac gehört auch zur theoretischen Vorhersage der Möglichkeit der Geburt eines Elektron-Antielektronen-Paares aus einem Photon mit ausreichend hoher Energie. Das von Dirac vorhergesagte Antielektron wurde 1932 von Carl D. Andersen entdeckt und erhielt den Namen Positron. Später wurde auch Diracs Vermutung über die Möglichkeit der Geburt eines Paares bestätigt. Anschließend stellte Dirac die Hypothese auf, dass andere Teilchen wie das Proton auch ihre Antimaterie-Gegenstücke haben müssen, aber eine ausgefeiltere Theorie wäre erforderlich, um solche Paare von Teilchen und Antiteilchen zu beschreiben. Die Existenz des Antiprotons wurde 1955 von Owen Chamberlain experimentell bestätigt. Heute sind viele andere Antiteilchen bekannt. Die Dirac-Gleichung ermöglichte es, das Problem der Röntgenstreuung an Materie zu klären. Röntgenstrahlung verhält sich zunächst wie eine Welle, wechselwirkt dann mit einem Elektron als Teilchen (Photon) und nach einem Stoß wieder wie eine Welle. Diracs Theorie lieferte eine detaillierte quantitative Beschreibung dieser Wechselwirkung. Dirac entdeckte später die statistische Energieverteilung in einem Elektronensystem, die heute als Fermi-Dirac-Statistik bekannt ist. Diese Arbeit war von großer Bedeutung für das theoretische Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Metallen und Halbleitern. Dirac sagte auch die Existenz magnetischer Monopole voraus – isolierte positive oder negative magnetische Teilchen, ähnlich positiv oder negativ geladenen elektrischen Teilchen. Versuche, magnetische Monopole experimentell nachzuweisen, waren bisher erfolglos. Alle bekannten Magnete haben zwei Pole - Nord und Süd, die untrennbar miteinander verbunden sind. Dirac schlug auch vor, dass natürliche physikalische Konstanten wie die Gravitationskonstante im genauen Sinne des Wortes möglicherweise nicht konstant sind, sich aber mit der Zeit langsam ändern. Die Schwächung der Gravitation, falls überhaupt vorhanden, ist so langsam, dass sie äußerst schwer zu erkennen ist und daher hypothetisch bleibt. Dirac und Schrödinger erhielten 1933 den Nobelpreis für Physik „für ihre Entdeckung neuer produktiver Formen der Atomtheorie“. Dirac wies in seinem Vortrag auf die Möglichkeit der Existenz von "Sternen, die hauptsächlich aus Positronen und Antiprotonen bestehen" hin, die aus der Symmetrie zwischen positiver und negativer elektrischer Ladung resultieren: Vielleicht gehört die eine Hälfte der Sterne zu einem Typ, die andere zu einem anderen. Diese beiden Arten von Sternen sollten die gleichen Spektren haben, und es wäre unmöglich, sie mit den Methoden der modernen Astronomie zu unterscheiden." 1937 heiratete Dirac Margit Wigner, die Schwester des Physikers Eugen P. Wigner. Sie hatten zwei Töchter. Es ist allgemein anerkannt, dass Dirac ein schweigsamer und nicht sehr geselliger Mensch ist. So war es. Er zog es vor, alleine zu arbeiten, und er hatte nur wenige direkte Schüler, aber gleichzeitig hatte er die Fähigkeit zu aufrichtiger und tiefer Freundschaft. Dirac fand zwei seiner engsten Freunde in der Sowjetunion. Sie waren Pyotr Kapitsa und Igor Tamm. Die Erinnerungen von Tamms Tochter Irina über Dirac sind kurios: „Zwei Jahre hintereinander blieb P. A. M. Dirac, der nach Moskau kam, bei uns, mit dem Vater sich 28 auf dem Ehrenfest in Leiden getroffen und angefreundet hatte. Ich erinnere mich, wie auf meinem Beim zweiten Besuch am Abend tritt ein strahlender Dirac ein und erklärt mit erhobenem Finger feierlich: „Tamm, du hast grandiose Veränderungen.“ Als Reaktion auf die Verwunderung aller erklärte er: „Jetzt brennt das Licht in der Toilette.“ Im Herbst 1934 wurde Kapitsa die Rückkehr nach England in das von ihm geleitete Labor verweigert und er musste zunächst ohne Möglichkeit wissenschaftlicher Arbeit in der UdSSR bleiben. Dirac wollte in die Sowjetunion kommen, um zu versuchen, Kapitsa zu helfen. Dieses Problem wurde in der Korrespondenz zwischen ihm und Kapitsas Frau, Anna Alekseevna, die sich damals in Cambridge aufhielt, ausführlich erörtert. Dirac hielt in jenem Jahr Vorlesungen in den Vereinigten Staaten. Um Kapitsa zu retten, sammelte er sogar Unterschriften unter einem Sammelbrief amerikanischer Physiker an die Regierung der UdSSR und besuchte zusammen mit R. Milliken die sowjetische Botschaft. Freunde und Bekannte von Paul Dirac waren oft erstaunt über seine unerwartete und manchmal "seltsame" Reaktion auf die Themen, die im Gespräch auftauchen. Richtig, dann wurde es offensichtlich, dass seine Bemerkungen eine natürliche und logische Reaktion waren und dass es nur die rein automatischen und gedankenlosen Assoziationen aller anderen waren, die uns zwangen, etwas anderes von ihm zu erwarten. Die gleiche Eigenschaft manifestierte sich in seiner Physik. Die Ähnlichkeit ist so deutlich, dass viele der berühmten Geschichten über den Wissenschaftler direkt mit einigen seiner Artikel in Verbindung gebracht werden können. Hier ist zum Beispiel die Geschichte von Pillen in einer Flasche, erzählt von H. R. Ulm. Ulm entschuldigte sich für das Geräusch in seiner Tasche und erklärte, dass die Flasche nicht mehr voll sei und daher Geräusche mache. Dirac bemerkte: "Ich denke, es macht den meisten Lärm, wenn es halb voll ist." Er hat verstanden, dass die Flasche kein Geräusch macht, nicht nur wenn sie leer ist, was offensichtlich ist, sondern auch wenn sie ganz voll ist. Dieser Gedanke ähnelt der Idee, die seiner „Lochtheorie“ zugrunde liegt. In einer anderen Folge drehte sich das Gespräch beim Tee um die Tatsache, dass unter den kürzlich geborenen Kindern von Physikern in Cambridge ein überraschend hoher Anteil Mädchen war. Als jemand leichtfertig bemerkte: "Da muss etwas in der Luft liegen!" - Dirac fügte nach einer Pause hinzu: "Oder vielleicht im Wasser." Er nahm den Ausdruck "in der Luft" nicht im herkömmlichen Sinne, sondern wörtlich, da er eine mögliche Anwendung sah. Dieser Trend spiegelt sich in vielen seiner Werke wider. Vielleicht erschien es zuerst in der Art und Weise, wie er Heisenbergs Beobachtung verwendete, dass Quantenvariablen nicht pendeln. Heisenberg selbst erschien dies als ein hässliches Merkmal des Formalismus. Dirac hingegen zeigte, dass dieser Umstand einen sehr wichtigen Platz in der neuen Theorie einnimmt. Ein weiteres charakteristisches Merkmal von Dirac tauchte in der Geschichte auf, die in Kopenhagen stattfand. Freunden ist aufgefallen, dass der berühmte Physiker Pauli zu schnell zunimmt. Dann wurde Dirac gebeten, dafür zu sorgen, dass er nicht zu viel aß. Pauli nahm an diesem Spiel teil und fragte Dirac, wie viele Würfel Zucker er in seinen Kaffee tun könne. "Ich denke, einer wird dir reichen", sagte Dirac und fügte wenig später hinzu: "Ich denke, einer reicht für alle." Nach einigem Nachdenken: "Ich finde die Teile so gemacht, dass einer für alle reicht." Ein solcher Glaube an die Ordnung der Welt spiegelt sich oft in seinen Schriften und vor allem in einer Bemerkung in einem Artikel wider, der zeigt, dass der magnetische Monopol den bekannten Gesetzen der Quantenmechanik nicht widerspricht: „Es wäre überraschend, wenn die Natur dies nicht tun würde benutze es." Als Dirac über seine Arbeit sprach, schien es dem Publikum, dass er die bestehende Welt nicht so sehr erklärte, sondern wie ein Schöpfer seine eigene, schöne, mathematisch strenge erschuf. Erst am Ende kehrt er in die Realität zurück. Beim Vergleich seiner Welt mit der realen Welt stieß Dirac manchmal auf Überraschungen, die andere als einen vernichtenden Schlag gegen die Theorie ansehen würden. Aber genau das hatte Dirac nicht. Das entscheidende Wahrheitskriterium war für ihn die logische Isolation. Daher konnte er sich nie mit der modernen Theorie relativistischer Quantenfelder auf der Grundlage der Renormierungsmethode anfreunden. Nach Abschluss seiner Arbeiten zur relativistischen Quantenmechanik reiste Dirac viel und besuchte Universitäten in Japan, der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten. Von 1932 bis zu seiner Emeritierung 1968 war er Professor für Physik in Cambridge. Nachdem Dirac Cambridge verlassen hatte, wurde er an die University of Florida berufen, wo er bis zu seinem Lebensende Professor blieb. 1973 wurde Dirac mit dem British Order of Merit ausgezeichnet. Er wurde zum ausländischen Mitglied der American National Academy of Sciences (1949) und zum Mitglied der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften (1961) gewählt. Dirac starb am 20. Oktober 1984 in Tallahassee. Autor: Samin D. K.
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