保羅·狄拉(la)克,1902年(nian)8月8日出生在(zai)英格蘭(lan)西南部的(de)(de)布里斯(si)(si)(si)(si)(si)托,成長(chang)在(zai)畢曉普斯(si)(si)(si)(si)(si)頓(dun)區的(de)(de)城(cheng)市。他的(de)(de)父(fu)親(qin),查爾斯(si)(si)(si)(si)(si)·埃卓恩·拉(la)迪斯(si)(si)(si)(si)(si)拉(la)斯(si)(si)(si)(si)(si)·狄拉(la)克,是一(yi)個(ge)曾在(zai)布里斯(si)(si)(si)(si)(si)托教書的(de)(de)法文老師,從瑞(rui)士(shi)瓦萊(lai)州的(de)(de)圣莫(mo)里斯(si)(si)(si)(si)(si)移民到英國(guo)。他的(de)(de)母(mu)親(qin),佛羅倫斯(si)(si)(si)(si)(si)·漢娜·狄拉(la)克原(yuan)姓霍爾滕(teng)是一(yi)位船長(chang)的(de)(de)女兒,曾在(zai)布里斯(si)(si)(si)(si)(si)托中(zhong)央圖(tu)書館擔任圖(tu)書管理員。保羅有一(yi)個(ge)妹(mei)妹(mei),叫阿特麗斯(si)(si)(si)(si)(si)·伊莎(sha)貝爾·瑪格麗特,大(da)家(jia)稱她為貝蒂,還有一(yi)個(ge)哥哥,雷金納德(de)·查爾斯(si)(si)(si)(si)(si)·費利克斯(si)(si)(si)(si)(si),大(da)家(jia)叫他費利克斯(si)(si)(si)(si)(si)。費利克斯(si)(si)(si)(si)(si)在(zai)1925年(nian)3月自殺(sha)。狄拉(la)克后(hou)來回憶說:“我(wo)的(de)(de)父(fu)母(mu)非常痛心(xin)。我(wo)不知道他們這(zhe)么在(zai)乎...我(wo)從來不知道父(fu)母(mu)應該照(zhao)顧自己(ji)的(de)(de)孩(hai)子,但自從這(zhe)件事(shi)后(hou),我(wo)了解這(zhe)件事(shi)。”
查爾(er)(er)斯和他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)孩(hai)子們(men)注冊的(de)是(shi)瑞士國籍(ji),直到1919年10月22日(ri)才(cai)歸(gui)化為英國籍(ji)。狄拉克的(de)父親(qin)雖(sui)然(ran)他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)不贊成(cheng)體罰,但卻是(shi)一(yi)個(ge)嚴(yan)格和專制(zhi)的(de)人。狄拉克與他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)父親(qin)的(de)關系(xi)很緊(jin)張,以至于在他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)父親(qin)死后,他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)寫道:“我(wo)覺(jue)得(de)我(wo)更(geng)自(zi)由了,我(wo)要(yao)做我(wo)自(zi)己。”查爾(er)(er)斯為了使他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)孩(hai)子學習(xi)法語(yu),強迫(po)他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)們(men)只能說法語(yu)。但狄拉克發現,他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)無法用法語(yu)表(biao)達他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)想說的(de)話,所以他(ta)(ta)(ta)(ta)(ta)選擇保(bao)持(chi)沉默。
狄(di)拉克(ke)第一(yi)次受教(jiao)育是(shi)(shi)在(zai)(zai)主教(jiao)路小(xiao)學(xue)(xue),然后在(zai)(zai)男子商(shang)人合營(ying)技(ji)術學(xue)(xue)院(后來的考瑟姆學(xue)(xue)校)就(jiu)讀。他的父親在(zai)(zai)那里是(shi)(shi)一(yi)位法語老師。這所學(xue)(xue)校是(shi)(shi)布(bu)里斯托大(da)學(xue)(xue)內的附(fu)屬(shu)機構,他們共享場地(di)和(he)人員。這所大(da)學(xue)(xue)強調技(ji)術課(ke)程,如瓦(wa)工、制(zhi)鞋、金屬(shu)工作和(he)現代語言。在(zai)(zai)當時(shi)仍然主要致力于經典文學(xue)(xue)的英國中等教(jiao)育里,這是(shi)(shi)一(yi)個不尋常的安(an)排(pai)。后來狄(di)拉克(ke)曾對這些安(an)排(pai)表示感激。
之后狄(di)拉克(ke)在布(bu)里斯(si)托(tuo)大學(xue)(xue)工程學(xue)(xue)院學(xue)(xue)習電機工程。盡管最喜歡的科目是(shi)數學(xue)(xue),狄(di)拉克(ke)后來聲(sheng)稱工程教(jiao)育對(dui)他(ta)影響深遠:
“原先(xian),我(wo)只(zhi)對完(wan)全(quan)正確的(de)(de)方程(cheng)(cheng)感興趣(qu)。然(ran)而我(wo)所(suo)接受的(de)(de)工(gong)程(cheng)(cheng)訓練教導(dao)我(wo)要(yao)容許近似,有時候(hou)我(wo)能夠從這(zhe)(zhe)些理論中(zhong)發現驚(jing)人(ren)的(de)(de)美,即使它是以近似為基(ji)礎...如果(guo)沒有這(zhe)(zhe)些來自工(gong)程(cheng)(cheng)學的(de)(de)訓練,我(wo)或許無(wu)法在(zai)后來的(de)(de)研究作出任何成(cheng)果(guo)...我(wo)持續在(zai)之后的(de)(de)工(gong)作運用這(zhe)(zhe)些不完(wan)全(quan)嚴謹的(de)(de)工(gong)程(cheng)(cheng)數(shu)(shu)學,我(wo)相信你們(men)可(ke)以從我(wo)后來的(de)(de)文章(zhang)中(zhong)看(kan)出來...那(nei)些要(yao)求所(suo)有計算推導(dao)上(shang)完(wan)全(quan)精確的(de)(de)數(shu)(shu)學家很(hen)難在(zai)物(wu)理上(shang)走得很(hen)遠。”
就在(zai)1921年(nian)獲得學(xue)(xue)位的(de)(de)前不久,他(ta)參(can)加了(le)劍橋大(da)學(xue)(xue)圣約(yue)翰(han)學(xue)(xue)院的(de)(de)入學(xue)(xue)測驗。他(ta)通過(guo)入學(xue)(xue)考試并獲得一(yi)筆70英(ying)(ying)鎊(bang)的(de)(de)獎學(xue)(xue)金(jin),然而(er)這不足以(yi)支付在(zai)劍橋就讀及生活所(suo)需(xu)的(de)(de)龐大(da)金(jin)額。盡管以(yi)第(di)一(yi)級(ji)榮譽工程(cheng)(cheng)學(xue)(xue)士的(de)(de)成績畢業(ye),在(zai)當時英(ying)(ying)國戰后(hou)經濟(ji)衰退(tui)的(de)(de)環境下仍無法找到工程(cheng)(cheng)師的(de)(de)工作。因(yin)此,他(ta)選擇(ze)接受免學(xue)(xue)費攻讀布(bu)里斯(si)托(tuo)大(da)學(xue)(xue)數學(xue)(xue)學(xue)(xue)士學(xue)(xue)位的(de)(de)機會。由(you)于已(yi)完(wan)成的(de)(de)工程(cheng)(cheng)學(xue)(xue)位,他(ta)被允(yun)許(xu)抵免第(di)一(yi)年(nian)的(de)(de)課程(cheng)(cheng)。
1923年狄(di)拉克(ke)再度以第一級榮譽的(de)成績畢(bi)業并獲得(de)140英鎊的(de)獎學金。加上來自約翰(han)學院的(de)70英鎊,這筆錢足夠(gou)他(ta)在劍橋居住與求學。
原先(xian),狄拉(la)克希(xi)望(wang)研究一直以來感興趣(qu)的(de)相對論(lun),然而在拉(la)爾夫·福勒的(de)指(zhi)導下,狄拉(la)克開始接觸原子理論(lun)。福勒將原子理論(lun)中(zhong)最新的(de)概念如尼爾斯(si)·玻(bo)爾等人(ren)的(de)理論(lun)介紹給了(le)狄拉(la)克,對此狄拉(la)克曾回憶到:
“還記(ji)(ji)得(de)我(wo)(wo)頭一回看到玻爾的(de)理(li)論,我(wo)(wo)相當驚訝...讓(rang)人驚奇的(de)是在(zai)(zai)特定(ding)的(de)條件下,我(wo)(wo)們居然能(neng)將(jiang)牛頓定(ding)律用在(zai)(zai)原子(zi)里(li)的(de)電(dian)子(zi)。第(di)一個條件是忽略電(dian)子(zi)輻射,第(di)二則是放入(ru)量子(zi)條件。我(wo)(wo)仍記(ji)(ji)得(de)很清楚,玻爾的(de)理(li)論當時(shi)給了我(wo)(wo)多大的(de)震撼。我(wo)(wo)相信在(zai)(zai)發展量子(zi)力(li)學上,玻爾引入(ru)的(de)這個概念是最大的(de)突破。”
之后狄拉(la)克也嘗試著將玻(bo)爾的(de)(de)理(li)論作延伸。1925年維爾納·海(hai)(hai)森堡提出了著眼于(yu)(yu)可觀察(cha)的(de)(de)物理(li)量的(de)(de)理(li)論,當(dang)中(zhong)(zhong)牽涉到(dao)矩陣相乘的(de)(de)不可交換性(xing)。狄拉(la)克起初對此并(bing)不特別欣賞,然而約莫兩個星期之后,他意(yi)(yi)識(shi)到(dao)當(dang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)不可交換性(xing)帶有重要(yao)的(de)(de)意(yi)(yi)義(yi),并(bing)且發(fa)現(xian)了經(jing)典力學(xue)(xue)(xue)中(zhong)(zhong)泊松(song)括號(hao)與(yu)海(hai)(hai)森堡提出的(de)(de)矩陣力學(xue)(xue)(xue)規則的(de)(de)相似之處。基于(yu)(yu)這(zhe)項(xiang)發(fa)現(xian),他得(de)出更明確的(de)(de)量子(zi)化規則(即正則量子(zi)化)。這(zhe)份名為《量子(zi)力學(xue)(xue)(xue)》的(de)(de)論文發(fa)表(biao)于(yu)(yu)1926年,狄拉(la)克也憑借這(zhe)項(xiang)工作獲得(de)博(bo)士(shi)學(xue)(xue)(xue)位。
同時埃爾溫·薛(xue)定(ding)(ding)諤(e)(e)以(yi)物(wu)質波的波方程提(ti)出(chu)了自己的量子理論。狄拉克很快地(di)發現(xian)到海森堡與薛(xue)定(ding)(ding)諤(e)(e)兩人(ren)的理論是彼此(ci)互補的,并開始研究(jiu)起(qi)薛(xue)定(ding)(ding)諤(e)(e)的波動力學。
1926年9月(yue),在(zai)福(fu)勒的(de)(de)建(jian)議(yi)之下(xia),狄(di)拉克(ke)前往(wang)位于哥本哈(ha)根(gen)的(de)(de)尼爾(er)斯·玻爾(er)研(yan)究(jiu)(jiu)所作了一段(duan)時間(jian)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)。在(zai)哥本哈(ha)根(gen)的(de)(de)這段(duan)期間(jian),狄(di)拉克(ke)持續(xu)量(liang)子力學(xue)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu),發展(zhan)出了涵蓋(gai)波動力學(xue)與矩(ju)陣力學(xue)的(de)(de)廣義(yi)理論(lun)。這個(ge)方法與經典哈(ha)密頓力學(xue)理正則變換(huan)相類似,允許(xu)使用不(bu)同(tong)組的(de)(de)變量(liang)基(ji)底。此(ci)外,為(wei)了處理連續(xu)的(de)(de)變量(liang),狄(di)拉克(ke)引入了新的(de)(de)數(shu)學(xue)工(gong)具—狄(di)拉克(ke)δ函數(shu)。
狄拉克也(ye)開始研(yan)究輻射(she)(she)理(li)(li)論(lun)。在(zai)他的文(wen)章“吸收和放出輻射(she)(she)的量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)理(li)(li)論(lun)”中(zhong),他運用二(er)次(ci)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)(hua)的技巧將(jiang)波(bo)函數量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)(hua),進(jin)一步(bu)將(jiang)光子(zi)(zi)(zi)輻射(she)(she)與(yu)玻色-愛因斯坦統計連結起(qi)來(lai)。在(zai)這個(ge)方(fang)法中(zhong),粒子(zi)(zi)(zi)集合(he)的量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)態是(shi)以(yi)其粒子(zi)(zi)(zi)在(zai)各能(neng)態中(zhong)的分布來(lai)表示(shi),并以(yi)粒子(zi)(zi)(zi)的創造(zao)與(yu)消滅(mie)來(lai)對量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)態作(zuo)改變(bian)。狄拉克展(zhan)示(shi)了(le)兩(liang)種方(fang)法是(shi)等價(jia)的,將(jiang)電磁場以(yi)光子(zi)(zi)(zi)處理(li)(li)或將(jiang)場作(zuo)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)(hua)。事實(shi)上(shang),這個(ge)工作(zuo)引發(fa)了(le)新的物理(li)(li)課題(ti)—量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)場論(lun),而二(er)次(ci)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)(hua)則成為后(hou)來(lai)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)電動力(li)學(xue)的基礎。
1927年2月(yue)(yue)狄拉克(ke)來到哥廷根,在此他待了幾個(ge)月(yue)(yue)并結識(shi)了赫(he)爾曼(man)·外(wai)爾、馬克(ke)斯(si)·玻恩、羅伯特(te)·奧(ao)本海默(mo)等(deng)人(ren)。
二次大戰開(kai)戰之(zhi)后,由于(yu)缺(que)乏足(zu)夠的(de)教職人員,狄(di)拉克在教學上的(de)負擔加重。另外(wai),他還必(bi)須指(zhi)導(dao)許多研究(jiu)生(sheng)(sheng)。在之(zhi)前,狄(di)拉克一(yi)向試圖(tu)避免(mian)這類的(de)責任(ren),而(er)更(geng)傾向獨(du)自一(yi)人作研究(jiu)。 其中(zhong)的(de)例外(wai)是(shi)在1930到1931年(nian)(nian)接(jie)手指(zhi)導(dao)了(le)福勒的(de)學生(sheng)(sheng)錢德拉塞卡,以及1935到1936年(nian)(nian)因(yin)為馬克斯·玻(bo)恩離開(kai)劍橋去了(le)愛丁堡而(er)收(shou)了(le)兩個原先玻(bo)恩指(zhi)導(dao)的(de)學生(sheng)(sheng)。一(yi)生(sheng)(sheng)之(zhi)中(zhong),狄(di)拉克所指(zhi)導(dao)的(de)學生(sheng)(sheng)不到十(shi)二人(大部分在1940、50年(nian)(nian)代)。
戰(zhan)爭期間,狄(di)拉(la)克投入(ru)研發(fa)(fa)同位素分(fen)(fen)離法以取得(de)鈾235。這在原(yuan)子能的應用上是極關鍵的技(ji)術。他與彼得(de)·卡皮查嘗試開發(fa)(fa)用離心(xin)機將氣體混合物(wu)分(fen)(fen)離的方法,但其實驗后來因(yin)卡皮查受困俄(e)國而停擺。
1941年,狄拉克與牛津大學法蘭西斯·西蒙的(de)團隊展(zhan)開合作,提供了許多對于(yu)統計方法的(de)實用意見。這些方法在今日人們(men)依(yi)然在使用。
此(ci)外(wai),他還是伯(bo)明翰團(tuan)隊在計算臨界質量上(shang)的非(fei)正式顧問。
1984年,狄(di)拉克(ke)在佛羅(luo)里達州(zhou)塔拉哈西過世,并(bing)埋葬于當(dang)地的羅(luo)斯(si)蘭(lan)公墓。狄(di)拉克(ke)童年在布里斯(si)托(tuo)所(suo)(suo)居住的房(fang)子(zi)掛(gua)上了藍色牌(pai)匾,房(fang)子(zi)所(suo)(suo)在的道路(lu)也(ye)被(bei)命名為(wei)狄(di)拉克(ke)路(lu)以彰顯他與(yu)這(zhe)個地區的聯結。當(dang)地主教路(lu)小學(xue)的墻(qiang)上掛(gua)上了一(yi)塊(kuai)牌(pai)子(zi),秀(xiu)出(chu)了狄(di)拉克(ke)最(zui)著名的狄(di)拉克(ke)方程。
1991年8月1日,狄拉克父親家鄉的(de)圣(sheng)莫(mo)里斯(si)花(hua)園(yuan)立起了紀念(nian)石。1995年11月13日,一塊以伯靈(ling)頓綠色板(ban)巖作(zuo)為原料并(bing)刻上了狄拉克方程的(de)紀念(nian)石板(ban)在西(xi)敏寺首次亮相。牧師團長愛德華·卡彭特曾因(yin)狄拉克是無神論者而(er)反(fan)對此事,其意見被置之不(bu)理。
1975年,狄拉(la)克在(zai)(zai)新(xin)南威爾(er)士大學(xue)給了一系(xi)列五個(ge)演講。這(zhe)(zhe)系(xi)列演講后來(lai)集結出版成了《物理學(xue)的(de)方向》(1978年)一書。他(ta)將這(zhe)(zhe)本(ben)書的(de)版稅捐給新(xin)南威爾(er)士大學(xue)設立了狄拉(la)克系(xi)列講座(zuo)。狄拉(la)克銀質獎(jiang)章便是在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)個(ge)場(chang)合下由校方所頒發的(de)獎(jiang)項。
在(zai)狄拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)去(qu)世之后,立即(ji)有兩個(ge)研究(jiu)機構(gou)設了年(nian)度獎(jiang)項(xiang)來紀念狄拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke):英(ying)國(guo)物(wu)(wu)理學會頒(ban)發狄拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)獎(jiang)章和(he)獎(jiang)金以表(biao)揚“在(zai)理論(包含數學和(he)計算方(fang)法)物(wu)(wu)理上的(de)杰出(chu)貢(gong)獻”。最初的(de)三個(ge)獲(huo)獎(jiang)人分別為史蒂芬·霍(huo)金(1987年(nian))、約翰·斯圖(tu)爾(er)特·貝爾(er)(1988年(nian))和(he)羅杰·彭(peng)羅斯(1989年(nian));國(guo)際理論物(wu)(wu)理中心(xin)(International Centre for Theoretical Physics,簡稱:ICTP)在(zai)每(mei)年(nian)8月8日(ri)(狄拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)的(de)生日(ri))頒(ban)發ICTP狄拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)獎(jiang)章。另外,英(ying)國(guo)物(wu)(wu)理學會在(zai)布里斯托的(de)出(chu)版總部取名(ming)作狄拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)樓。
佛(fo)羅里達州(zhou)立大學的狄(di)拉克-赫爾(er)曼獎(jiang)是由布魯(lu)斯·赫爾(er)曼博士(狄(di)拉克最(zui)后一(yi)個博士學生)于1997年所設立以獎(jiang)勵該校(xiao)理論物理研究人(ren)員的杰出(chu)表(biao)現。
位于佛羅(luo)里(li)達州(zhou)立大(da)學的(de)保羅(luo)·狄拉(la)克科學圖書館,1989年由曼琪所成立。狄拉(la)克生前的(de)論文(wen)都收(shou)藏于此,館外則(ze)設有其銅(tong)像。佛羅(luo)里(li)達州(zhou)塔拉(la)哈(ha)西(xi)國家(jia)強磁實(shi)驗室所在(zai)的(de)那條路被命名為“Paul Dirac Drive”。而在(zai)他的(de)家(jia)鄉(xiang)布里(li)斯托(tuo),迪高特鎮(zhen)上的(de)一(yi)條路被命名為“Dirac Way”。英國廣播公司將其開發的(de)一(yi)種影像壓縮格式以(yi)狄拉(la)克命名。
狄拉克因創立(li)有效的(de)、新型式的(de)原(yuan)子理論而(er)獲得1933年的(de)諾貝爾物(wu)理學獎(jiang)。
狄拉(la)克(ke)發展(zhan)了量子力學(xue),提出了著(zhu)名的(de)狄拉(la)克(ke)方(fang)程,并且從理(li)論(lun)上預言了正電(dian)子的(de)存在(zai)。
狄(di)(di)拉(la)克原來從(cong)事相對論動力學的(de)研究,自從(cong)1925年海森伯(bo)訪問劍橋(qiao)大學以后,狄(di)(di)拉(la)克深受影響,把精力轉向(xiang)量子(zi)力學的(de)研究。
1928年他把(ba)相對(dui)(dui)論引(yin)進了(le)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)力學,建(jian)立了(le)相對(dui)(dui)論形式(shi)的(de)(de)薛定諤方(fang)程(cheng)(cheng),也(ye)就是(shi)著名(ming)的(de)(de)狄(di)(di)拉克(ke)(ke)方(fang)程(cheng)(cheng)。這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)方(fang)程(cheng)(cheng)具有(you)兩個(ge)(ge)(ge)(ge)特點:一(yi)(yi)是(shi)滿足相對(dui)(dui)論的(de)(de)所有(you)要求,適用于(yu)運動(dong)速度無論多快電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi);二(er)是(shi)它(ta)能自動(dong)地導出電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)有(you)自旋的(de)(de)結論。這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)方(fang)程(cheng)(cheng)的(de)(de)解很特別(bie),既包括(kuo)正(zheng)(zheng)(zheng)能態,也(ye)包括(kuo)負能態。狄(di)(di)拉克(ke)(ke)由此做出了(le)存在正(zheng)(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)預(yu)言(yan),認為(wei)正(zheng)(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)鏡像,它(ta)們具有(you)嚴格相同的(de)(de)質量,但是(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷符號相反(fan)。狄(di)(di)拉克(ke)(ke)根據這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)(ge)圖(tu)象,還預(yu)料存在著一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)正(zheng)(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)互相湮(yin)滅放出光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng);相反(fan),這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)(ge)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)逆(ni)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng),就是(shi)一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)湮(yin)滅產生出一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)正(zheng)(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)也(ye)是(shi)可能存在的(de)(de)。1932年,美國物(wu)理(li)學家安德(de)森(sen)(1923-)在研究宇宙射線(xian)簇射中(zhong)高能電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)徑跡(ji)的(de)(de)時候,奇怪地發現強磁場中(zhong)有(you)一(yi)(yi)半(ban)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)向一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)方(fang)向偏(pian)轉,另一(yi)(yi)半(ban)向相反(fan)方(fang)向偏(pian)轉,經(jing)過(guo)(guo)仔細辨認,這(zhe)(zhe)就是(shi)狄(di)(di)拉克(ke)(ke)預(yu)言(yan)的(de)(de)正(zheng)(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。后來很快又(you)發現了(le)γ射線(xian)產生電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui),正(zheng)(zheng)(zheng)、負電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)碰撞“湮(yin)滅”成光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)等(deng)現象,全面印證了(le)狄(di)(di)拉克(ke)(ke)預(yu)言(yan)的(de)(de)正(zheng)(zheng)(zheng)確性。狄(di)(di)拉克(ke)(ke)的(de)(de)工作,開創了(le)反(fan)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和反(fan)物(wu)質的(de)(de)理(li)論和實驗研究。
狄拉(la)(la)克(ke)是量子(zi)輻射理論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)創(chuang)始(shi)人,曾經和(he)費(fei)米(mi)各自獨(du)立發現了費(fei)米(mi)-狄拉(la)(la)克(ke)統計法。狄拉(la)(la)克(ke)還在(zai)(zai)美(mei)國(guo)佛羅里達州(zhou)立大學發表(biao)過大量有關宇宙學方面(mian)的(de)(de)(de)論(lun)(lun)(lun)文,推動宇宙學研究的(de)(de)(de)發展(zhan)。特別值得(de)一(yi)提的(de)(de)(de)是,狄拉(la)(la)克(ke)早在(zai)(zai)本(ben)世紀三十(shi)年(nian)代,就(jiu)從理論(lun)(lun)(lun)上(shang)提出可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)(zai)磁單極的(de)(de)(de)預言(yan)。近(jin)代物(wu)理學來有關磁單極的(de)(de)(de)理論(lun)(lun)(lun)研究和(he)實驗探測取(qu)得(de)了迅速發展(zhan)。1982年(nian)國(guo)外已(yi)有報道,宣稱有人發現了磁單極存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)證(zheng)據。當然,假如真能(neng)從實驗上(shang)證(zheng)實磁單極存(cun)在(zai)(zai),一(yi)定會引起物(wu)理理論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)深刻變化。
總(zong)結起來,狄拉克對物理學的(de)(de)主要貢獻(xian)是:給(gei)出描(miao)述相對論(lun)性費米粒(li)(li)子的(de)(de)量子力(li)學方(fang)程(狄拉克方(fang)程),給(gei)出反粒(li)(li)子解;預(yu)言磁單極;費米—狄拉克統計。另外在量子場論(lun)尤其是量子電動力(li)學方(fang)面也作出了奠基性的(de)(de)工作。在引(yin)力(li)論(lun)和引(yin)力(li)量子化方(fang)面也有杰出的(de)(de)工作。
到了(le)1927年(nian),由于許(xu)多開創性的(de)工作,狄拉(la)克(ke)已成了(le)科學(xue)界中知名的(de)人物(wu)。證據就(jiu)是他受到邀請參加(jia)了(le)第五屆索爾(er)維會議(電子(zi)與(yu)光(guang)子(zi))。同年(nian),狄拉(la)克(ke)被選為(wei)圣約翰學(xue)院院士,并(bing)在1929年(nian)被任命為(wei)數(shu)學(xue)物(wu)理的(de)高級(ji)講(jiang)師。 此時(shi),狄拉(la)克(ke)正著手(shou)電子(zi)的(de)相對(dui)論性量子(zi)理論。當時(shi)雖然已經(jing)有了(le)克(ke)萊因(yin)-戈爾(er)登方(fang)程,但狄拉(la)克(ke)認為(wei)問(wen)題并(bing)未被解(jie)決(jue)。這個方(fang)程可能給出負值的(de)概率(lv),量子(zi)力學(xue)對(dui)概率(lv)的(de)詮釋(shi)(shi)無法(fa)解(jie)釋(shi)(shi)這個問(wen)題。
就在1928年(nian)狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)提(ti)出了描述(shu)電子(zi)(zi)(zi)的相(xiang)對(dui)論性方(fang)程(cheng)——狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)方(fang)程(cheng),并獨(du)(du)立于沃爾(er)夫(fu)岡·泡利的工作發(fa)現了描述(shu)自(zi)旋(xuan)的2x2矩陣(zhen)。亞伯拉(la)(la)罕·派(pai)斯曾引述(shu)狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)如(ru)此說(shuo)道:“我(wo)相(xiang)信我(wo)獨(du)(du)立得到了它(自(zi)旋(xuan)矩陣(zhen)),泡利也(ye)許(xu)也(ye)是獨(du)(du)立于我(wo)得到這個結果。” 然(ran)而(er)(er)狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)方(fang)程(cheng)與(yu)克(ke)(ke)萊(lai)因(yin)-戈登方(fang)程(cheng)有相(xiang)同(tong)的問題,存(cun)在無法解(jie)釋的負(fu)能量解(jie)。這促使狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)預測(ce)電子(zi)(zi)(zi)的反(fan)粒子(zi)(zi)(zi)——正(zheng)電子(zi)(zi)(zi)的存(cun)在。他詮釋正(zheng)電子(zi)(zi)(zi)來自(zi)于填滿(man)電子(zi)(zi)(zi)的狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)之(zhi)海。正(zheng)電子(zi)(zi)(zi)于1932年(nian)由卡爾(er)·安德森在宇(yu)宙射線中(zhong)觀察到而(er)(er)證實。狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)方(fang)程(cheng)同(tong)時能夠解(jie)釋自(zi)旋(xuan)是作為一種(zhong)相(xiang)對(dui)論性的現象。
由于恩(en)里(li)科(ke)·費米在1934年(nian)的(de)(de)β衰變理(li)論(lun)牽涉到粒子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)毀(hui)滅與創造,使(shi)狄拉克(ke)(ke)方程詮釋(shi)作任(ren)意自旋?/2之點粒子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)場(chang)方程,其中場(chang)量(liang)子(zi)(zi)(zi)化的(de)(de)過(guo)程包(bao)含了(le)反(fan)交換律(lv)。因此(ci)在1934年(nian),海森堡將狄拉克(ke)(ke)方程重(zhong)新詮釋(shi)作所有基(ji)本粒子(zi)(zi)(zi)(夸克(ke)(ke)與輕(qing)子(zi)(zi)(zi))的(de)(de)場(chang)方程——狄拉克(ke)(ke)場(chang)方程。在理(li)論(lun)物理(li)中,這(zhe)(zhe)個(ge)場(chang)方程處(chu)于與麥克(ke)(ke)斯韋方程、楊-米爾斯規范理(li)論(lun)、愛(ai)因斯坦場(chang)方程同(tong)等核心的(de)(de)地(di)位(wei)。狄拉克(ke)(ke)被(bei)視作量(liang)子(zi)(zi)(zi)電動力(li)學的(de)(de)奠基(ji)者(zhe),也是第(di)一(yi)個(ge)使(shi)用量(liang)子(zi)(zi)(zi)電動力(li)學這(zhe)(zhe)個(ge)名詞的(de)(de)人。
另外(wai)在1930年代(dai)早期,他也(ye)提出了真空極化的(de)概(gai)念(nian)。對于下一個世(shi)代(dai)的(de)理論學者施(shi)溫格、費(fei)曼、朝(chao)永(yong)振一郎、戴森等人(ren)而言,這個工作是量子電動力學發展的(de)關鍵(jian)。
1930年(nian)(nian)狄(di)(di)(di)拉(la)(la)克(ke)出(chu)版了他(ta)的(de)(de)(de)量子(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)(xue)著(zhu)作(zuo)著(zhu)作(zuo)《量子(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)(xue)原理》,這是物理史上(shang)重要(yao)的(de)(de)(de)里程碑,至今仍(reng)是量子(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)經典教材(cai)。在(zai)這本書(shu)中,狄(di)(di)(di)拉(la)(la)克(ke)將海森堡在(zai)矩陣(zhen)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)(xue)以及薛定諤在(zai)波動力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)工作(zuo)整合(he)成一個數(shu)(shu)學(xue)(xue)(xue)(xue)體(ti)系,當中連(lian)結了可觀測量與希爾伯特空間中作(zuo)用子(zi)的(de)(de)(de)關(guan)系。書(shu)中也介紹了量子(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)(xue)中廣泛應用的(de)(de)(de)狄(di)(di)(di)拉(la)(la)克(ke)δ函數(shu)(shu)。延續狄(di)(di)(di)拉(la)(la)克(ke)在(zai)1939年(nian)(nian)的(de)(de)(de)文(wen)章(zhang),1939年(nian)(nian)他(ta)在(zai)此書(shu)第三版中加入(ru)了他(ta)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)學(xue)(xue)(xue)(xue)符號(hao)系統——狄(di)(di)(di)拉(la)(la)克(ke)符號(hao)。直(zhi)到今天,狄(di)(di)(di)拉(la)(la)克(ke)符號(hao)仍(reng)然(ran)是最廣泛使(shi)用的(de)(de)(de)一套量子(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)(xue)符號(hao)系統。
1932年狄拉克(ke)接替約瑟夫·拉莫爾(er)擔任(ren)劍橋大學盧卡斯數(shu)學教授。1933年狄拉克(ke)與薛定(ding)諤(e)共(gong)同獲得諾(nuo)(nuo)貝爾(er)物理獎。他卻對(dui)盧瑟福說(shuo),他不想出名,他想拒絕(jue)這個榮譽。盧瑟福對(dui)他說(shuo):“如果你這樣做(zuo),你會更(geng)出名,人家更(geng)要來(lai)麻(ma)煩你。” 1933年12月12日(ri),狄拉克(ke)在(zai)斯德哥爾(er)摩(mo)發表了諾(nuo)(nuo)貝爾(er)獎得獎演說(shuo),題目為“電子與正(zheng)電子的理論”。
1931年(nian)在(zai)(zai)(zai)一篇“量(liang)子化(hua)電(dian)磁(ci)(ci)場中的(de)奇點”的(de)文章中,狄(di)拉克(ke)探(tan)討了(le)磁(ci)(ci)單(dan)(dan)(dan)極(ji)(ji)這個想法。1933年(nian),延(yan)續了(le)其(qi)1931年(nian)的(de)論文,狄(di)拉克(ke)證明了(le)單(dan)(dan)(dan)一磁(ci)(ci)單(dan)(dan)(dan)極(ji)(ji)的(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)就(jiu)足(zu)以(yi)解釋電(dian)荷(he)的(de)量(liang)子化(hua)。在(zai)(zai)(zai)1975年(nian)、1982年(nian)以(yi)及(ji)2009年(nian)都(dou)有研(yan)究結(jie)果(guo)指出磁(ci)(ci)單(dan)(dan)(dan)極(ji)(ji)可能存(cun)在(zai)(zai)(zai)。但到目前為止,仍沒有磁(ci)(ci)單(dan)(dan)(dan)極(ji)(ji)存(cun)在(zai)(zai)(zai)的(de)直接證據。即使如此,某些大統一理(li)論仍包含磁(ci)(ci)單(dan)(dan)(dan)極(ji)(ji),用(yong)(yong)于解釋宇宙結(jie)構的(de)形成。狄(di)拉克(ke)的(de)磁(ci)(ci)單(dan)(dan)(dan)極(ji)(ji)是第一次將拓(tuo)樸學的(de)概(gai)念用(yong)(yong)于處理(li)物理(li)問題。
在(zai)(zai)(zai)1937年(nian),狄拉(la)克提(ti)出(chu)了(le)大(da)數假說。他比(bi)較(jiao)了(le)兩個不帶量綱(gang)的量值:基本作(zuo)用力(li)(li)(在(zai)(zai)(zai)此為(wei)引力(li)(li)與(yu)電磁力(li)(li))的比(bi)值與(yu)宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)年(nian)齡的尺度,發(fa)現(xian)兩者皆(jie)落(luo)在(zai)(zai)(zai)約39個數量級。狄拉(la)克猜(cai)測這(zhe)可(ke)能(neng)并非(fei)巧合,兩者或許存在(zai)(zai)(zai)某種關聯性。參考了(le)愛德華·亞瑟·米(mi)爾恩的理論,允(yun)許引力(li)(li)常數隨(sui)時間改(gai)變。基于這(zhe)些假設,他設計(ji)了(le)一個自己的宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)學的模(mo)型。