保羅(luo)·狄拉克(ke)(ke)(ke),1902年(nian)8月8日出生在(zai)(zai)英(ying)格(ge)蘭西南部的(de)布里(li)斯(si)(si)托,成長在(zai)(zai)畢曉普斯(si)(si)頓區的(de)城市(shi)。他(ta)的(de)父親,查爾(er)斯(si)(si)·埃(ai)卓恩·拉迪斯(si)(si)拉斯(si)(si)·狄拉克(ke)(ke)(ke),是一(yi)(yi)個(ge)曾(ceng)在(zai)(zai)布里(li)斯(si)(si)托教書的(de)法文(wen)老師,從(cong)瑞士(shi)瓦萊州的(de)圣莫(mo)里(li)斯(si)(si)移(yi)民到英(ying)國。他(ta)的(de)母(mu)親,佛(fo)羅(luo)倫斯(si)(si)·漢娜·狄拉克(ke)(ke)(ke)原姓霍爾(er)滕(teng)是一(yi)(yi)位船長的(de)女兒,曾(ceng)在(zai)(zai)布里(li)斯(si)(si)托中央圖(tu)書館擔任(ren)圖(tu)書管理員。保羅(luo)有一(yi)(yi)個(ge)妹妹,叫阿特(te)麗(li)(li)斯(si)(si)·伊(yi)莎貝爾(er)·瑪格(ge)麗(li)(li)特(te),大(da)家(jia)稱她為貝蒂(di),還有一(yi)(yi)個(ge)哥哥,雷金納德(de)·查爾(er)斯(si)(si)·費(fei)利克(ke)(ke)(ke)斯(si)(si),大(da)家(jia)叫他(ta)費(fei)利克(ke)(ke)(ke)斯(si)(si)。費(fei)利克(ke)(ke)(ke)斯(si)(si)在(zai)(zai)1925年(nian)3月自(zi)殺。狄拉克(ke)(ke)(ke)后來回憶說(shuo):“我(wo)(wo)的(de)父母(mu)非常痛心。我(wo)(wo)不知(zhi)(zhi)道(dao)他(ta)們這(zhe)么在(zai)(zai)乎...我(wo)(wo)從(cong)來不知(zhi)(zhi)道(dao)父母(mu)應該(gai)照顧自(zi)己的(de)孩子,但自(zi)從(cong)這(zhe)件事后,我(wo)(wo)了解這(zhe)件事。”
查爾斯和(he)他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)(de)孩(hai)子們注(zhu)冊的(de)(de)是瑞(rui)士國籍,直到1919年(nian)10月22日才歸(gui)化為英國籍。狄拉克的(de)(de)父(fu)親雖然他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)不贊成體罰,但卻(que)是一個嚴格和(he)專(zhuan)制的(de)(de)人。狄拉克與他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)(de)父(fu)親的(de)(de)關系很緊張,以(yi)至(zhi)于在(zai)他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)父(fu)親死(si)后,他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)寫道:“我覺得我更自由了,我要做我自己。”查爾斯為了使(shi)他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)(de)孩(hai)子學習(xi)法語(yu)(yu),強迫他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)們只能說法語(yu)(yu)。但狄拉克發現,他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)無法用法語(yu)(yu)表達他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)想說的(de)(de)話,所以(yi)他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)選擇(ze)保持沉(chen)默。
狄拉克(ke)第一次受教育(yu)是(shi)(shi)在主教路小學(xue)(xue),然(ran)后在男子商人合(he)營技(ji)術學(xue)(xue)院(后來的(de)考瑟姆學(xue)(xue)校)就讀。他的(de)父親(qin)在那里(li)是(shi)(shi)一位法語(yu)老師(shi)。這(zhe)所(suo)學(xue)(xue)校是(shi)(shi)布里(li)斯(si)托大學(xue)(xue)內(nei)的(de)附屬機(ji)構,他們共享場地和人員。這(zhe)所(suo)大學(xue)(xue)強調技(ji)術課程,如瓦工、制(zhi)鞋(xie)、金屬工作和現代語(yu)言(yan)。在當時仍然(ran)主要(yao)致力(li)于經典文(wen)學(xue)(xue)的(de)英國(guo)中等教育(yu)里(li),這(zhe)是(shi)(shi)一個不尋(xun)常(chang)的(de)安排。后來狄拉克(ke)曾對(dui)這(zhe)些安排表示感激(ji)。
之(zhi)后狄拉克在布里斯托大學(xue)(xue)工程學(xue)(xue)院學(xue)(xue)習(xi)電(dian)機工程。盡管最喜歡的科目是(shi)數學(xue)(xue),狄拉克后來聲稱工程教育對(dui)他(ta)影響(xiang)深遠(yuan):
“原先,我只對完(wan)全(quan)正確(que)的(de)(de)方程(cheng)感興趣。然而我所接受的(de)(de)工(gong)程(cheng)訓練教導我要容許近(jin)似,有(you)時候(hou)我能夠從(cong)這些(xie)理論中(zhong)發(fa)現驚人的(de)(de)美(mei),即使它是以近(jin)似為基礎...如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)這些(xie)來(lai)自(zi)工(gong)程(cheng)學的(de)(de)訓練,我或許無法在后(hou)來(lai)的(de)(de)研究作出任(ren)何成果(guo)...我持續在之后(hou)的(de)(de)工(gong)作運用這些(xie)不完(wan)全(quan)嚴謹(jin)的(de)(de)工(gong)程(cheng)數學,我相信(xin)你們(men)可以從(cong)我后(hou)來(lai)的(de)(de)文章中(zhong)看出來(lai)...那些(xie)要求所有(you)計算(suan)推導上(shang)(shang)完(wan)全(quan)精確(que)的(de)(de)數學家很難在物理上(shang)(shang)走得很遠。”
就(jiu)在1921年獲(huo)得(de)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)位(wei)的(de)(de)(de)前不久,他(ta)參加(jia)了劍(jian)(jian)橋大學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)圣約翰學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院的(de)(de)(de)入學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)測驗。他(ta)通過(guo)入學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)考試并獲(huo)得(de)一筆70英(ying)鎊的(de)(de)(de)獎(jiang)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)金,然而這不足以支付在劍(jian)(jian)橋就(jiu)讀及生(sheng)活所需的(de)(de)(de)龐大金額。盡管以第(di)一級榮譽工程(cheng)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)士(shi)的(de)(de)(de)成績畢業,在當時英(ying)國戰后經(jing)濟衰退的(de)(de)(de)環境下(xia)仍(reng)無法(fa)找到工程(cheng)師(shi)的(de)(de)(de)工作。因(yin)此,他(ta)選擇接受免學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)費攻讀布(bu)里斯(si)托(tuo)大學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)數學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)士(shi)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)位(wei)的(de)(de)(de)機會。由于已完成的(de)(de)(de)工程(cheng)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)位(wei),他(ta)被(bei)允許抵免第(di)一年的(de)(de)(de)課程(cheng)。
1923年狄拉(la)克再度以(yi)第一級榮譽的成績畢業并獲得140英鎊的獎(jiang)學(xue)金。加上來自約翰學(xue)院的70英鎊,這筆錢(qian)足夠他在劍橋(qiao)居住(zhu)與求(qiu)學(xue)。
原先,狄(di)拉(la)克希(xi)望研究一直以來感興趣的相對(dui)論,然而在拉(la)爾夫·福(fu)勒(le)的指(zhi)導下,狄(di)拉(la)克開始接觸(chu)原子理(li)論。福(fu)勒(le)將原子理(li)論中最新(xin)的概念如尼爾斯·玻爾等人的理(li)論介紹(shao)給了狄(di)拉(la)克,對(dui)此狄(di)拉(la)克曾回憶到:
“還(huan)記得我(wo)(wo)頭一回看到玻(bo)爾的(de)理論,我(wo)(wo)相(xiang)當(dang)驚訝...讓人驚奇(qi)的(de)是在(zai)特定的(de)條件(jian)(jian)下,我(wo)(wo)們居然能(neng)將牛頓定律用在(zai)原子(zi)(zi)里的(de)電子(zi)(zi)。第一個(ge)條件(jian)(jian)是忽略(lve)電子(zi)(zi)輻射,第二(er)則是放(fang)入(ru)量子(zi)(zi)條件(jian)(jian)。我(wo)(wo)仍記得很清楚,玻(bo)爾的(de)理論當(dang)時給了我(wo)(wo)多(duo)大的(de)震撼。我(wo)(wo)相(xiang)信在(zai)發展量子(zi)(zi)力(li)學上,玻(bo)爾引入(ru)的(de)這個(ge)概念是最大的(de)突破。”
之(zhi)(zhi)后狄拉(la)(la)克也嘗試著(zhu)將玻爾(er)的(de)(de)(de)理(li)論作延伸(shen)。1925年維(wei)爾(er)納·海森(sen)堡提出了著(zhu)眼于(yu)可(ke)觀察(cha)的(de)(de)(de)物理(li)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)理(li)論,當(dang)中牽涉到矩(ju)陣(zhen)相乘的(de)(de)(de)不可(ke)交換性(xing)。狄拉(la)(la)克起初對此(ci)并不特別(bie)欣賞,然(ran)而(er)約莫兩個星(xing)期之(zhi)(zhi)后,他意識到當(dang)中的(de)(de)(de)不可(ke)交換性(xing)帶有(you)重(zhong)要的(de)(de)(de)意義,并且發(fa)現了經典力(li)學(xue)中泊松括(kuo)號(hao)與海森(sen)堡提出的(de)(de)(de)矩(ju)陣(zhen)力(li)學(xue)規則(ze)的(de)(de)(de)相似之(zhi)(zhi)處(chu)。基(ji)于(yu)這項(xiang)發(fa)現,他得出更(geng)明確的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)化(hua)規則(ze)(即正則(ze)量(liang)(liang)子(zi)化(hua))。這份名為《量(liang)(liang)子(zi)力(li)學(xue)》的(de)(de)(de)論文發(fa)表于(yu)1926年,狄拉(la)(la)克也憑借(jie)這項(xiang)工作獲(huo)得博士學(xue)位(wei)。
同時(shi)埃爾(er)溫·薛定諤(e)(e)以物(wu)質波的波方程提(ti)出了自己的量(liang)子理論。狄拉克很快地發現到海森堡(bao)與薛定諤(e)(e)兩(liang)人的理論是彼此互補(bu)的,并開始研究(jiu)起薛定諤(e)(e)的波動力學。
1926年9月,在(zai)福勒的(de)(de)(de)建議之下,狄(di)拉(la)(la)克(ke)前(qian)往(wang)位于哥本(ben)哈(ha)根的(de)(de)(de)尼爾(er)斯·玻爾(er)研究所作了一(yi)段時間的(de)(de)(de)研究。在(zai)哥本(ben)哈(ha)根的(de)(de)(de)這段期間,狄(di)拉(la)(la)克(ke)持續(xu)量(liang)子力(li)學的(de)(de)(de)研究,發(fa)展出了涵蓋波動力(li)學與矩陣力(li)學的(de)(de)(de)廣義理(li)(li)論(lun)。這個方法與經典(dian)哈(ha)密(mi)頓力(li)學理(li)(li)正(zheng)則變(bian)換相類(lei)似,允許使用不同組的(de)(de)(de)變(bian)量(liang)基底(di)。此外,為(wei)了處理(li)(li)連(lian)續(xu)的(de)(de)(de)變(bian)量(liang),狄(di)拉(la)(la)克(ke)引(yin)入了新的(de)(de)(de)數學工具—狄(di)拉(la)(la)克(ke)δ函數。
狄拉克也開始研究輻(fu)(fu)射(she)(she)理(li)論。在他的(de)(de)文章“吸收和放出(chu)輻(fu)(fu)射(she)(she)的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)理(li)論”中(zhong)(zhong),他運用二次(ci)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)技(ji)巧(qiao)將(jiang)波函(han)數量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化,進一步將(jiang)光子(zi)(zi)(zi)輻(fu)(fu)射(she)(she)與玻色(se)-愛因斯坦統計連結起來(lai)。在這個方法中(zhong)(zhong),粒(li)子(zi)(zi)(zi)集合的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)態是以其(qi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)在各能態中(zhong)(zhong)的(de)(de)分布來(lai)表示,并以粒(li)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)創造與消滅(mie)來(lai)對(dui)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)態作改變。狄拉克展示了兩種方法是等價的(de)(de),將(jiang)電磁場以光子(zi)(zi)(zi)處理(li)或將(jiang)場作量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化。事(shi)實上,這個工(gong)作引(yin)發了新的(de)(de)物理(li)課題—量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)場論,而二次(ci)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化則成(cheng)為后來(lai)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電動力(li)學的(de)(de)基礎。
1927年(nian)2月狄(di)拉克(ke)(ke)來到(dao)哥廷根,在此他待了幾個月并結(jie)識(shi)了赫爾曼·外爾、馬克(ke)(ke)斯·玻恩、羅伯特·奧本海默等人。
二(er)次大(da)(da)戰開戰之后,由于(yu)缺乏足夠的教職人(ren)員(yuan),狄拉克在教學上的負擔加重。另外(wai),他還必須指導(dao)許多研究生。在之前(qian),狄拉克一向試圖避免這類的責任,而更傾向獨自一人(ren)作研究。 其中(zhong)(zhong)的例外(wai)是在1930到1931年接手(shou)指導(dao)了(le)福(fu)勒的學生錢德拉塞卡(ka),以及(ji)1935到1936年因為馬克斯·玻恩(en)離開劍橋(qiao)去了(le)愛丁(ding)堡而收了(le)兩個原先玻恩(en)指導(dao)的學生。一生之中(zhong)(zhong),狄拉克所(suo)指導(dao)的學生不到十二(er)人(ren)(大(da)(da)部分(fen)在1940、50年代)。
戰(zhan)爭(zheng)期間,狄(di)拉克投(tou)入研發(fa)(fa)同位素分離法以取得鈾(you)235。這在原(yuan)子能的應用上(shang)是(shi)極(ji)關鍵的技(ji)術。他(ta)與(yu)彼得·卡(ka)皮查(cha)嘗試開(kai)發(fa)(fa)用離心機將氣體混合物分離的方(fang)法,但其實(shi)驗后(hou)來因(yin)卡(ka)皮查(cha)受(shou)困(kun)俄國而停擺。
1941年,狄(di)拉克(ke)與牛津大學法(fa)蘭西斯·西蒙的團隊(dui)展開合作,提供了許多對于統計方法(fa)的實用意見(jian)。這些(xie)方法(fa)在今日人們依然在使用。
此外,他(ta)還是伯(bo)明翰團隊在計算臨界質量上的非正(zheng)式顧問。
1984年,狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)在(zai)佛羅(luo)里(li)達州塔拉(la)(la)(la)哈西(xi)過(guo)世,并埋葬(zang)于當地的(de)羅(luo)斯(si)(si)蘭公墓。狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)童(tong)年在(zai)布里(li)斯(si)(si)托所居住的(de)房子(zi)掛上了(le)藍色牌匾,房子(zi)所在(zai)的(de)道路也(ye)被命(ming)名為狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)路以彰顯(xian)他與這個地區的(de)聯結(jie)。當地主教路小學的(de)墻上掛上了(le)一(yi)塊牌子(zi),秀出(chu)了(le)狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)最(zui)著名的(de)狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)(ke)方程。
1991年8月1日,狄(di)拉克父親家鄉的圣(sheng)莫里斯(si)花園立起(qi)了紀念(nian)石。1995年11月13日,一塊(kuai)以(yi)伯靈頓綠色板巖作為原料(liao)并刻上了狄(di)拉克方程(cheng)的紀念(nian)石板在(zai)西敏寺(si)首(shou)次(ci)亮相。牧師團(tuan)長愛德華·卡彭特曾因(yin)狄(di)拉克是(shi)無神論者而(er)反對(dui)此(ci)事(shi),其意見被置之(zhi)不理。
1975年,狄拉克(ke)在(zai)新南威爾士(shi)大(da)學給了(le)一系列五個演(yan)(yan)講。這系列演(yan)(yan)講后來集結(jie)出版成(cheng)了(le)《物理學的方向》(1978年)一書。他將這本書的版稅捐給新南威爾士(shi)大(da)學設立了(le)狄拉克(ke)系列講座。狄拉克(ke)銀質獎章便是(shi)在(zai)這個場合下由校方所頒發的獎項(xiang)。
在(zai)狄(di)拉(la)(la)克去世之(zhi)后,立(li)即有兩個研究機構設了年(nian)度獎(jiang)(jiang)項來紀念狄(di)拉(la)(la)克:英國物理(li)(li)學會頒發(fa)狄(di)拉(la)(la)克獎(jiang)(jiang)章(zhang)和獎(jiang)(jiang)金以表揚“在(zai)理(li)(li)論(lun)(包(bao)含數學和計算方法)物理(li)(li)上(shang)的(de)(de)杰(jie)出(chu)貢獻(xian)”。最(zui)初的(de)(de)三個獲獎(jiang)(jiang)人分(fen)別為史蒂芬·霍(huo)金(1987年(nian))、約(yue)翰(han)·斯圖爾特(te)·貝爾(1988年(nian))和羅杰(jie)·彭羅斯(1989年(nian));國際理(li)(li)論(lun)物理(li)(li)中心(International Centre for Theoretical Physics,簡(jian)稱:ICTP)在(zai)每年(nian)8月(yue)8日(ri)(狄(di)拉(la)(la)克的(de)(de)生(sheng)日(ri))頒發(fa)ICTP狄(di)拉(la)(la)克獎(jiang)(jiang)章(zhang)。另外,英國物理(li)(li)學會在(zai)布里斯托的(de)(de)出(chu)版總部(bu)取名(ming)作狄(di)拉(la)(la)克樓。
佛羅里達州(zhou)立大學的(de)(de)狄拉克(ke)(ke)-赫爾曼獎是由布(bu)魯斯(si)·赫爾曼博士(狄拉克(ke)(ke)最后一個(ge)博士學生)于(yu)1997年所設立以獎勵(li)該校理論(lun)物理研究人員的(de)(de)杰出表現。
位于(yu)佛羅(luo)里達州(zhou)立大學(xue)的(de)保羅(luo)·狄拉克(ke)科(ke)學(xue)圖書館,1989年(nian)由曼琪所成(cheng)立。狄拉克(ke)生前的(de)論文都收(shou)藏于(yu)此,館外(wai)則設有其(qi)銅(tong)像。佛羅(luo)里達州(zhou)塔拉哈西(xi)國家強磁實驗室所在的(de)那條路被命(ming)名(ming)為“Paul Dirac Drive”。而在他的(de)家鄉布(bu)里斯托,迪高特鎮上的(de)一條路被命(ming)名(ming)為“Dirac Way”。英國廣播(bo)公司(si)將(jiang)其(qi)開發的(de)一種影像壓(ya)縮格式以狄拉克(ke)命(ming)名(ming)。
狄拉克因(yin)創立有(you)效(xiao)的(de)、新型式的(de)原子理(li)論而獲得1933年的(de)諾貝爾物理(li)學獎。
狄拉克(ke)(ke)發展了量子力(li)學,提(ti)出(chu)了著名(ming)的狄拉克(ke)(ke)方程,并(bing)且從(cong)理論上預言了正電子的存在(zai)。
狄拉克原來從事相對論(lun)動力學的(de)研(yan)(yan)究,自從1925年海森伯(bo)訪問(wen)劍橋大學以后,狄拉克深受影響,把精力轉向量子(zi)力學的(de)研(yan)(yan)究。
1928年(nian)他把(ba)相對(dui)論(lun)引進(jin)了(le)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力學,建立了(le)相對(dui)論(lun)形式的(de)(de)(de)(de)(de)薛定諤方程,也就是(shi)著名的(de)(de)(de)(de)(de)狄(di)拉克方程。這一(yi)(yi)(yi)(yi)方程具有(you)兩個(ge)(ge)(ge)(ge)特點(dian):一(yi)(yi)(yi)(yi)是(shi)滿足相對(dui)論(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)所有(you)要(yao)求(qiu),適用于運動速度(du)無(wu)論(lun)多快電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi);二是(shi)它能(neng)自(zi)動地(di)導出(chu)(chu)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)有(you)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)(de)結論(lun)。這一(yi)(yi)(yi)(yi)方程的(de)(de)(de)(de)(de)解很特別,既(ji)包括正(zheng)能(neng)態,也包括負能(neng)態。狄(di)拉克由(you)此(ci)做(zuo)出(chu)(chu)了(le)存在(zai)正(zheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)預(yu)言,認(ren)為(wei)正(zheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)是(shi)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)鏡像,它們具有(you)嚴格相同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang),但是(shi)電(dian)(dian)荷符號相反(fan)(fan)(fan)。狄(di)拉克根據這個(ge)(ge)(ge)(ge)圖象,還預(yu)料存在(zai)著一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和(he)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)正(zheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)互相湮滅放出(chu)(chu)光子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程;相反(fan)(fan)(fan),這個(ge)(ge)(ge)(ge)過(guo)程的(de)(de)(de)(de)(de)逆過(guo)程,就是(shi)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)光子(zi)(zi)(zi)湮滅產生(sheng)出(chu)(chu)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和(he)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)正(zheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程也是(shi)可能(neng)存在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)。1932年(nian),美國物理(li)學家(jia)安德(de)森(sen)(1923-)在(zai)研(yan)(yan)究宇宙射線簇射中(zhong)高能(neng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)徑跡的(de)(de)(de)(de)(de)時候,奇怪(guai)地(di)發現強磁場(chang)中(zhong)有(you)一(yi)(yi)(yi)(yi)半電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)向一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)方向偏轉(zhuan),另一(yi)(yi)(yi)(yi)半向相反(fan)(fan)(fan)方向偏轉(zhuan),經過(guo)仔(zi)細辨認(ren),這就是(shi)狄(di)拉克預(yu)言的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)。后來很快又發現了(le)γ射線產生(sheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)對(dui),正(zheng)、負電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)碰撞“湮滅”成光子(zi)(zi)(zi)等(deng)現象,全面印(yin)證了(le)狄(di)拉克預(yu)言的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)確性(xing)。狄(di)拉克的(de)(de)(de)(de)(de)工作,開創(chuang)了(le)反(fan)(fan)(fan)粒子(zi)(zi)(zi)和(he)反(fan)(fan)(fan)物質的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)論(lun)和(he)實驗研(yan)(yan)究。
狄拉克(ke)是量(liang)子輻射理(li)(li)(li)論的(de)(de)創(chuang)始人,曾經和費米各(ge)自獨立發(fa)(fa)現了費米-狄拉克(ke)統(tong)計法。狄拉克(ke)還在美國(guo)佛羅(luo)里(li)達(da)州立大學(xue)發(fa)(fa)表過(guo)大量(liang)有關宇宙學(xue)方面(mian)的(de)(de)論文,推(tui)動宇宙學(xue)研究的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)。特別值得一提(ti)(ti)的(de)(de)是,狄拉克(ke)早在本(ben)世紀三十年(nian)(nian)代,就從(cong)(cong)理(li)(li)(li)論上(shang)(shang)提(ti)(ti)出可能存在磁(ci)單(dan)(dan)極(ji)的(de)(de)預言。近代物理(li)(li)(li)學(xue)來有關磁(ci)單(dan)(dan)極(ji)的(de)(de)理(li)(li)(li)論研究和實驗(yan)探測取得了迅(xun)速發(fa)(fa)展(zhan)。1982年(nian)(nian)國(guo)外已有報道,宣稱有人發(fa)(fa)現了磁(ci)單(dan)(dan)極(ji)存在的(de)(de)證據。當然,假如(ru)真能從(cong)(cong)實驗(yan)上(shang)(shang)證實磁(ci)單(dan)(dan)極(ji)存在,一定會引起(qi)物理(li)(li)(li)理(li)(li)(li)論的(de)(de)深刻變化。
總(zong)結起來,狄(di)拉克對物理學(xue)的(de)主要貢獻是:給出(chu)(chu)描述(shu)相對論(lun)性費(fei)米(mi)(mi)粒子(zi)的(de)量(liang)子(zi)力(li)(li)學(xue)方程(狄(di)拉克方程),給出(chu)(chu)反粒子(zi)解(jie);預言磁單極;費(fei)米(mi)(mi)—狄(di)拉克統計。另外在(zai)量(liang)子(zi)場論(lun)尤(you)其(qi)是量(liang)子(zi)電動力(li)(li)學(xue)方面也作出(chu)(chu)了奠基性的(de)工作。在(zai)引(yin)力(li)(li)論(lun)和引(yin)力(li)(li)量(liang)子(zi)化方面也有杰(jie)出(chu)(chu)的(de)工作。
到了1927年,由于許多開創性(xing)的(de)(de)工作,狄拉克已(yi)成(cheng)了科學界中(zhong)知名的(de)(de)人物(wu)。證(zheng)據就是他(ta)受(shou)到邀(yao)請參(can)加了第五屆(jie)索爾維會議(電子(zi)(zi)(zi)與光子(zi)(zi)(zi))。同年,狄拉克被(bei)選為(wei)圣約翰學院(yuan)院(yuan)士,并(bing)在1929年被(bei)任命為(wei)數學物(wu)理(li)的(de)(de)高(gao)級講(jiang)師。 此時(shi),狄拉克正著手電子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)相對(dui)論性(xing)量子(zi)(zi)(zi)理(li)論。當時(shi)雖然已(yi)經有了克萊因(yin)-戈爾登方(fang)程,但狄拉克認(ren)為(wei)問(wen)題并(bing)未被(bei)解決。這(zhe)個方(fang)程可能(neng)給出(chu)負值的(de)(de)概(gai)率,量子(zi)(zi)(zi)力學對(dui)概(gai)率的(de)(de)詮釋(shi)無法解釋(shi)這(zhe)個問(wen)題。
就在(zai)1928年狄拉(la)克(ke)(ke)(ke)提出了描述(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)相對論(lun)性方(fang)程(cheng)——狄拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)程(cheng),并獨立于(yu)沃爾夫岡·泡利的(de)(de)工作發現了描述(shu)自旋(xuan)的(de)(de)2x2矩陣。亞伯拉(la)罕(han)·派斯曾引述(shu)狄拉(la)克(ke)(ke)(ke)如此說道:“我(wo)相信我(wo)獨立得(de)到(dao)(dao)了它(自旋(xuan)矩陣),泡利也許(xu)也是獨立于(yu)我(wo)得(de)到(dao)(dao)這個結(jie)果。” 然而(er)狄拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)程(cheng)與(yu)克(ke)(ke)(ke)萊因-戈登方(fang)程(cheng)有相同(tong)的(de)(de)問(wen)題,存在(zai)無法解釋的(de)(de)負能量解。這促使狄拉(la)克(ke)(ke)(ke)預測電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)反粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)——正電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)存在(zai)。他詮(quan)釋正電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)來自于(yu)填滿電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)狄拉(la)克(ke)(ke)(ke)之(zhi)海。正電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)于(yu)1932年由(you)卡爾·安德森(sen)在(zai)宇(yu)宙射線中觀察(cha)到(dao)(dao)而(er)證(zheng)實(shi)。狄拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)程(cheng)同(tong)時(shi)能夠解釋自旋(xuan)是作為一(yi)種相對論(lun)性的(de)(de)現象(xiang)。
由于恩里科(ke)·費米在1934年(nian)的(de)(de)β衰變理論(lun)(lun)牽涉到粒(li)子的(de)(de)毀滅與(yu)創造,使(shi)狄(di)拉克方(fang)程(cheng)詮釋作(zuo)任意自旋?/2之點(dian)粒(li)子的(de)(de)場(chang)(chang)(chang)方(fang)程(cheng),其(qi)中場(chang)(chang)(chang)量(liang)(liang)子化的(de)(de)過程(cheng)包含了(le)反交換(huan)律(lv)。因此(ci)在1934年(nian),海森堡(bao)將(jiang)狄(di)拉克方(fang)程(cheng)重新詮釋作(zuo)所有基本粒(li)子(夸克與(yu)輕子)的(de)(de)場(chang)(chang)(chang)方(fang)程(cheng)——狄(di)拉克場(chang)(chang)(chang)方(fang)程(cheng)。在理論(lun)(lun)物理中,這個場(chang)(chang)(chang)方(fang)程(cheng)處于與(yu)麥克斯(si)韋方(fang)程(cheng)、楊-米爾斯(si)規范(fan)理論(lun)(lun)、愛因斯(si)坦(tan)場(chang)(chang)(chang)方(fang)程(cheng)同等核心的(de)(de)地位(wei)。狄(di)拉克被視作(zuo)量(liang)(liang)子電動力(li)(li)學(xue)的(de)(de)奠基者,也是第一個使(shi)用量(liang)(liang)子電動力(li)(li)學(xue)這個名詞(ci)的(de)(de)人。
另外(wai)在1930年(nian)代早期,他(ta)也(ye)提(ti)出了(le)真空極化(hua)的概念。對于下一個世(shi)代的理論(lun)學(xue)者施溫(wen)格、費曼、朝永(yong)振(zhen)一郎(lang)、戴森(sen)等人而言,這個工作(zuo)是(shi)量子電(dian)動力學(xue)發(fa)展的關(guan)鍵。
1930年(nian)(nian)狄(di)(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)出(chu)版了(le)他(ta)的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)(xue)著作著作《量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)(xue)原理》,這(zhe)是(shi)物理史上重(zhong)要的(de)(de)里(li)程碑,至今仍是(shi)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)(xue)的(de)(de)經典(dian)教材(cai)。在(zai)這(zhe)本書中(zhong)(zhong),狄(di)(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)將海森堡在(zai)矩(ju)陣力(li)學(xue)(xue)以及薛定諤在(zai)波動力(li)學(xue)(xue)的(de)(de)工作整合成一個數(shu)學(xue)(xue)體(ti)系,當中(zhong)(zhong)連結了(le)可(ke)觀測量(liang)與(yu)希(xi)爾伯(bo)特空(kong)間中(zhong)(zhong)作用子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)關系。書中(zhong)(zhong)也介紹了(le)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)(xue)中(zhong)(zhong)廣泛(fan)應(ying)用的(de)(de)狄(di)(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)δ函數(shu)。延(yan)續狄(di)(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)在(zai)1939年(nian)(nian)的(de)(de)文章,1939年(nian)(nian)他(ta)在(zai)此書第三版中(zhong)(zhong)加入(ru)了(le)他(ta)的(de)(de)數(shu)學(xue)(xue)符號系統——狄(di)(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)符號。直到今天,狄(di)(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)符號仍然是(shi)最廣泛(fan)使用的(de)(de)一套量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue)(xue)符號系統。
1932年(nian)(nian)(nian)狄(di)拉克接替(ti)約瑟(se)(se)夫(fu)·拉莫爾(er)擔任劍橋(qiao)大學盧(lu)卡斯數(shu)學教授(shou)。1933年(nian)(nian)(nian)狄(di)拉克與薛定諤共同獲得諾貝(bei)爾(er)物(wu)理(li)(li)獎。他卻對盧(lu)瑟(se)(se)福(fu)說,他不(bu)想出(chu)名,他想拒(ju)絕這(zhe)個榮譽。盧(lu)瑟(se)(se)福(fu)對他說:“如(ru)果你(ni)這(zhe)樣做,你(ni)會更出(chu)名,人家更要來麻煩你(ni)。” 1933年(nian)(nian)(nian)12月12日,狄(di)拉克在斯德哥爾(er)摩發(fa)表了(le)諾貝(bei)爾(er)獎得獎演(yan)說,題目為“電子與正電子的理(li)(li)論”。
1931年(nian)在(zai)一(yi)(yi)篇“量子化(hua)電(dian)磁(ci)場(chang)中的(de)奇點”的(de)文(wen)(wen)章(zhang)中,狄(di)(di)拉(la)克探討了磁(ci)單極(ji)(ji)(ji)這個想法。1933年(nian),延續了其(qi)1931年(nian)的(de)論文(wen)(wen),狄(di)(di)拉(la)克證(zheng)明了單一(yi)(yi)磁(ci)單極(ji)(ji)(ji)的(de)存在(zai)就足以解(jie)釋電(dian)荷的(de)量子化(hua)。在(zai)1975年(nian)、1982年(nian)以及2009年(nian)都有(you)研究結果指出(chu)磁(ci)單極(ji)(ji)(ji)可能存在(zai)。但到目(mu)前為止,仍沒(mei)有(you)磁(ci)單極(ji)(ji)(ji)存在(zai)的(de)直接證(zheng)據(ju)。即使如此(ci),某(mou)些(xie)大統一(yi)(yi)理論仍包含磁(ci)單極(ji)(ji)(ji),用于(yu)解(jie)釋宇宙(zhou)結構的(de)形成。狄(di)(di)拉(la)克的(de)磁(ci)單極(ji)(ji)(ji)是第一(yi)(yi)次將拓樸學的(de)概念用于(yu)處(chu)理物理問題。
在(zai)1937年(nian),狄(di)拉克提出了(le)大數(shu)假(jia)說。他(ta)(ta)比(bi)較了(le)兩個(ge)不帶量綱的(de)量值(zhi):基(ji)本(ben)作(zuo)用力(在(zai)此(ci)為引(yin)(yin)力與(yu)電磁力)的(de)比(bi)值(zhi)與(yu)宇宙年(nian)齡的(de)尺度(du),發(fa)現兩者皆落(luo)在(zai)約39個(ge)數(shu)量級。狄(di)拉克猜測(ce)這可能并非巧(qiao)合(he),兩者或(huo)許存(cun)在(zai)某(mou)種關聯性。參考了(le)愛德(de)華·亞瑟·米爾(er)恩的(de)理論,允許引(yin)(yin)力常數(shu)隨時(shi)間改變。基(ji)于(yu)這些假(jia)設,他(ta)(ta)設計(ji)了(le)一個(ge)自己的(de)宇宙學的(de)模型(xing)。