保(bao)羅·狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke),1902年(nian)8月(yue)8日(ri)出(chu)生在(zai)(zai)英格蘭西南部的(de)(de)布里(li)斯(si)(si)(si)托(tuo),成長在(zai)(zai)畢曉普(pu)斯(si)(si)(si)頓區的(de)(de)城市(shi)。他的(de)(de)父(fu)親,查爾(er)(er)(er)斯(si)(si)(si)·埃卓恩·拉(la)(la)迪斯(si)(si)(si)拉(la)(la)斯(si)(si)(si)·狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke),是(shi)一個(ge)(ge)曾(ceng)在(zai)(zai)布里(li)斯(si)(si)(si)托(tuo)教書的(de)(de)法文老師,從瑞士瓦萊(lai)州的(de)(de)圣(sheng)莫(mo)里(li)斯(si)(si)(si)移民到英國。他的(de)(de)母親,佛(fo)羅倫(lun)斯(si)(si)(si)·漢娜·狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)原姓霍爾(er)(er)(er)滕是(shi)一位船長的(de)(de)女兒,曾(ceng)在(zai)(zai)布里(li)斯(si)(si)(si)托(tuo)中央圖書館擔任圖書管理(li)員。保(bao)羅有一個(ge)(ge)妹妹,叫(jiao)阿特麗斯(si)(si)(si)·伊莎貝爾(er)(er)(er)·瑪格麗特,大家稱她為貝蒂,還有一個(ge)(ge)哥(ge)(ge)哥(ge)(ge),雷(lei)金納德·查爾(er)(er)(er)斯(si)(si)(si)·費(fei)利(li)克(ke)(ke)(ke)斯(si)(si)(si),大家叫(jiao)他費(fei)利(li)克(ke)(ke)(ke)斯(si)(si)(si)。費(fei)利(li)克(ke)(ke)(ke)斯(si)(si)(si)在(zai)(zai)1925年(nian)3月(yue)自殺。狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)后來回憶(yi)說:“我的(de)(de)父(fu)母非常痛心。我不知道(dao)他們這么在(zai)(zai)乎(hu)...我從來不知道(dao)父(fu)母應該照(zhao)顧自己的(de)(de)孩子,但(dan)自從這件事后,我了解這件事。”
查爾(er)斯和他(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)孩子(zi)們(men)(men)注冊的(de)是瑞士國籍(ji)(ji),直(zhi)到1919年10月22日(ri)才歸(gui)化為英國籍(ji)(ji)。狄(di)拉克的(de)父(fu)親(qin)雖然他(ta)(ta)(ta)(ta)不贊(zan)成(cheng)體罰,但(dan)卻是一(yi)個嚴格(ge)和專制(zhi)的(de)人。狄(di)拉克與(yu)他(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)父(fu)親(qin)的(de)關(guan)系很緊張(zhang),以(yi)至(zhi)于在他(ta)(ta)(ta)(ta)父(fu)親(qin)死(si)后,他(ta)(ta)(ta)(ta)寫道:“我(wo)(wo)覺得(de)我(wo)(wo)更自由了,我(wo)(wo)要做我(wo)(wo)自己。”查爾(er)斯為了使他(ta)(ta)(ta)(ta)的(de)孩子(zi)學習法(fa)語(yu),強迫(po)他(ta)(ta)(ta)(ta)們(men)(men)只能說(shuo)法(fa)語(yu)。但(dan)狄(di)拉克發(fa)現(xian),他(ta)(ta)(ta)(ta)無(wu)法(fa)用法(fa)語(yu)表達他(ta)(ta)(ta)(ta)想說(shuo)的(de)話,所以(yi)他(ta)(ta)(ta)(ta)選擇(ze)保持沉默。
狄拉(la)克第一(yi)次(ci)受教(jiao)育是在(zai)(zai)主(zhu)教(jiao)路小學(xue),然后在(zai)(zai)男子商人合營(ying)技術學(xue)院(后來的考瑟姆(mu)學(xue)校)就(jiu)讀。他的父(fu)親在(zai)(zai)那(nei)里是一(yi)位法語(yu)老師(shi)。這所(suo)學(xue)校是布里斯(si)托大學(xue)內的附屬機構,他們共享場地和人員。這所(suo)大學(xue)強調(diao)技術課程,如瓦工、制鞋、金屬工作和現代語(yu)言。在(zai)(zai)當時仍然主(zhu)要致力于(yu)經典文學(xue)的英國中等教(jiao)育里,這是一(yi)個(ge)不尋常(chang)的安(an)排。后來狄拉(la)克曾對這些安(an)排表示感激。
之后狄(di)拉(la)克(ke)在布里斯托大學工(gong)程學院學習(xi)電機工(gong)程。盡(jin)管(guan)最喜歡的科目是(shi)數學,狄(di)拉(la)克(ke)后來聲(sheng)稱工(gong)程教(jiao)育對(dui)他影(ying)響深遠:
“原先,我(wo)(wo)只(zhi)對完(wan)全正確(que)的方程(cheng)感興趣。然而我(wo)(wo)所接受(shou)的工(gong)程(cheng)訓(xun)(xun)練(lian)教導我(wo)(wo)要容許近似(si),有時候我(wo)(wo)能夠(gou)從這(zhe)些(xie)理論(lun)中發(fa)現驚人的美,即使它是以近似(si)為基礎(chu)...如果(guo)沒有這(zhe)些(xie)來(lai)(lai)自工(gong)程(cheng)學(xue)的訓(xun)(xun)練(lian),我(wo)(wo)或許無法(fa)在后來(lai)(lai)的研(yan)究作出任何成(cheng)果(guo)...我(wo)(wo)持續(xu)在之后的工(gong)作運用這(zhe)些(xie)不完(wan)全嚴謹的工(gong)程(cheng)數學(xue),我(wo)(wo)相信你們可以從我(wo)(wo)后來(lai)(lai)的文(wen)章中看(kan)出來(lai)(lai)...那些(xie)要求所有計算(suan)推導上完(wan)全精確(que)的數學(xue)家很難(nan)在物理上走得很遠。”
就在1921年獲得學(xue)(xue)(xue)位(wei)(wei)的(de)(de)前(qian)不久,他參(can)加了(le)劍橋(qiao)大學(xue)(xue)(xue)圣約翰學(xue)(xue)(xue)院(yuan)的(de)(de)入學(xue)(xue)(xue)測(ce)驗。他通過入學(xue)(xue)(xue)考試并獲得一(yi)筆70英鎊(bang)的(de)(de)獎學(xue)(xue)(xue)金,然而這不足以(yi)支付在劍橋(qiao)就讀及生活(huo)所需的(de)(de)龐(pang)大金額。盡管以(yi)第一(yi)級(ji)榮譽(yu)工程(cheng)學(xue)(xue)(xue)士的(de)(de)成績(ji)畢業,在當時英國(guo)戰后(hou)經濟衰退的(de)(de)環境下仍(reng)無法(fa)找到工程(cheng)師的(de)(de)工作。因此,他選擇接受(shou)免學(xue)(xue)(xue)費(fei)攻讀布里(li)斯托大學(xue)(xue)(xue)數學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)士學(xue)(xue)(xue)位(wei)(wei)的(de)(de)機會(hui)。由于已(yi)完成的(de)(de)工程(cheng)學(xue)(xue)(xue)位(wei)(wei),他被允許抵免第一(yi)年的(de)(de)課程(cheng)。
1923年狄拉(la)克再度以第一(yi)級榮(rong)譽(yu)的(de)成績畢業(ye)并獲得(de)140英鎊的(de)獎學金。加上來自約翰學院的(de)70英鎊,這筆錢足夠他(ta)在劍(jian)橋居住與(yu)求(qiu)學。
原先,狄拉克希望(wang)研究一(yi)直(zhi)以來感興趣的(de)相對(dui)論,然而(er)在拉爾夫·福勒的(de)指導(dao)下,狄拉克開始接(jie)觸原子理論。福勒將原子理論中最新的(de)概念(nian)如尼爾斯·玻爾等人(ren)的(de)理論介(jie)紹給(gei)了狄拉克,對(dui)此(ci)狄拉克曾回憶(yi)到(dao):
“還記(ji)得(de)我(wo)頭(tou)一(yi)回看到玻爾(er)的(de)(de)理(li)論,我(wo)相當(dang)驚訝...讓人驚奇的(de)(de)是在(zai)特定的(de)(de)條件(jian)下,我(wo)們居然能將(jiang)牛頓定律用(yong)在(zai)原子(zi)里的(de)(de)電(dian)子(zi)。第一(yi)個(ge)條件(jian)是忽略電(dian)子(zi)輻射,第二則是放入(ru)(ru)量子(zi)條件(jian)。我(wo)仍記(ji)得(de)很清楚,玻爾(er)的(de)(de)理(li)論當(dang)時(shi)給了我(wo)多大的(de)(de)震(zhen)撼。我(wo)相信在(zai)發展量子(zi)力學上,玻爾(er)引入(ru)(ru)的(de)(de)這個(ge)概念是最(zui)大的(de)(de)突破。”
之后狄(di)拉克(ke)也嘗試(shi)著將玻爾(er)的(de)(de)理(li)論(lun)作延伸。1925年維爾(er)納·海森堡(bao)提出了(le)著眼于可(ke)觀察(cha)的(de)(de)物理(li)量(liang)的(de)(de)理(li)論(lun),當(dang)中(zhong)(zhong)牽涉到矩(ju)陣相(xiang)乘的(de)(de)不(bu)可(ke)交換性。狄(di)拉克(ke)起(qi)初對此并不(bu)特別(bie)欣(xin)賞,然而約莫兩(liang)個星期之后,他(ta)意識(shi)到當(dang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)不(bu)可(ke)交換性帶有重要的(de)(de)意義,并且發現了(le)經典(dian)力(li)(li)學(xue)中(zhong)(zhong)泊松(song)括號與(yu)海森堡(bao)提出的(de)(de)矩(ju)陣力(li)(li)學(xue)規則的(de)(de)相(xiang)似之處。基(ji)于這(zhe)(zhe)項發現,他(ta)得出更明確的(de)(de)量(liang)子(zi)化(hua)規則(即正則量(liang)子(zi)化(hua))。這(zhe)(zhe)份名為《量(liang)子(zi)力(li)(li)學(xue)》的(de)(de)論(lun)文(wen)發表于1926年,狄(di)拉克(ke)也憑借這(zhe)(zhe)項工(gong)作獲(huo)得博(bo)士學(xue)位。
同時(shi)埃(ai)爾溫(wen)·薛定諤(e)以(yi)物質波的波方(fang)程提出了(le)自己的量子理論。狄拉克(ke)很快(kuai)地發現到海森堡與(yu)薛定諤(e)兩人(ren)的理論是彼此互補的,并開(kai)始(shi)研究起薛定諤(e)的波動力學。
1926年(nian)9月,在(zai)(zai)福(fu)勒的(de)(de)(de)(de)建議之下,狄拉(la)克(ke)前往位于哥本哈(ha)根的(de)(de)(de)(de)尼爾斯(si)·玻爾研(yan)(yan)究(jiu)所作(zuo)了(le)一段時間(jian)的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)。在(zai)(zai)哥本哈(ha)根的(de)(de)(de)(de)這(zhe)(zhe)段期間(jian),狄拉(la)克(ke)持續量(liang)(liang)子力(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu),發展出了(le)涵蓋波(bo)動(dong)力(li)學(xue)與(yu)矩陣力(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)廣義理論。這(zhe)(zhe)個方法(fa)與(yu)經典哈(ha)密(mi)頓力(li)學(xue)理正則變(bian)換相類似,允許(xu)使用不同組的(de)(de)(de)(de)變(bian)量(liang)(liang)基底。此(ci)外,為了(le)處理連續的(de)(de)(de)(de)變(bian)量(liang)(liang),狄拉(la)克(ke)引入了(le)新的(de)(de)(de)(de)數學(xue)工具—狄拉(la)克(ke)δ函數。
狄拉(la)克也(ye)開始研究(jiu)輻(fu)射(she)理論(lun)。在(zai)他的(de)文章(zhang)“吸收和放出輻(fu)射(she)的(de)量子理論(lun)”中,他運用二(er)次量子化(hua)的(de)技巧(qiao)將波函數量子化(hua),進一步將光子輻(fu)射(she)與玻(bo)色-愛因斯坦統計連結(jie)起來(lai)(lai)。在(zai)這(zhe)個(ge)方法中,粒(li)子集合的(de)量子態(tai)是(shi)(shi)以其(qi)粒(li)子在(zai)各(ge)能態(tai)中的(de)分布來(lai)(lai)表(biao)示,并以粒(li)子的(de)創造與消(xiao)滅來(lai)(lai)對量子態(tai)作(zuo)改變。狄拉(la)克展示了兩種方法是(shi)(shi)等價(jia)的(de),將電(dian)磁場以光子處理或將場作(zuo)量子化(hua)。事實上,這(zhe)個(ge)工作(zuo)引發了新的(de)物(wu)理課題—量子場論(lun),而二(er)次量子化(hua)則成(cheng)為后來(lai)(lai)量子電(dian)動力學(xue)的(de)基礎。
1927年2月(yue)狄拉克來到哥廷根(gen),在(zai)此(ci)他待了幾(ji)個(ge)月(yue)并結識(shi)了赫(he)爾曼·外(wai)爾、馬(ma)克斯·玻恩、羅伯(bo)特·奧本海(hai)默等(deng)人。
二次大戰開(kai)戰之后,由于缺乏足(zu)夠的教職人(ren)員,狄拉(la)(la)克在教學上的負擔加重。另外,他還必須指導許多研究生(sheng)(sheng)。在之前(qian),狄拉(la)(la)克一向(xiang)試圖避免這類的責任,而更傾向(xiang)獨(du)自一人(ren)作研究。 其中(zhong)的例外是(shi)在1930到1931年接手指導了福勒(le)的學生(sheng)(sheng)錢德(de)拉(la)(la)塞卡(ka),以及1935到1936年因為馬克斯·玻恩離開(kai)劍(jian)橋去(qu)了愛丁堡而收了兩個原先(xian)玻恩指導的學生(sheng)(sheng)。一生(sheng)(sheng)之中(zhong),狄拉(la)(la)克所指導的學生(sheng)(sheng)不到十(shi)二人(ren)(大部分在1940、50年代)。
戰爭期間,狄拉克投(tou)入研(yan)發同位素分(fen)離(li)法(fa)以(yi)取得鈾235。這在原子能的應用上(shang)是極關鍵的技(ji)術。他與彼(bi)得·卡(ka)皮(pi)查(cha)嘗試開發用離(li)心機將氣體(ti)混合物分(fen)離(li)的方法(fa),但其實(shi)驗后來(lai)因卡(ka)皮(pi)查(cha)受困俄(e)國而停(ting)擺。
1941年(nian),狄拉克與牛津大學法蘭(lan)西(xi)斯·西(xi)蒙的(de)團隊展開合作,提(ti)供了許多對于統計(ji)方(fang)法的(de)實(shi)用意(yi)見(jian)。這些方(fang)法在今日人們依然在使用。
此外,他還是伯明翰團隊(dui)在計算臨(lin)界質量上(shang)的(de)非正式(shi)顧問。
1984年,狄(di)拉(la)克(ke)在(zai)佛(fo)羅里達州塔(ta)拉(la)哈西過世,并(bing)埋葬于當地(di)的(de)羅斯(si)蘭(lan)公墓(mu)。狄(di)拉(la)克(ke)童年在(zai)布里斯(si)托所居(ju)住的(de)房子掛(gua)上了(le)藍色牌匾,房子所在(zai)的(de)道路(lu)也被命名(ming)為狄(di)拉(la)克(ke)路(lu)以彰顯他(ta)與這個地(di)區的(de)聯結。當地(di)主教路(lu)小學的(de)墻上掛(gua)上了(le)一塊牌子,秀(xiu)出了(le)狄(di)拉(la)克(ke)最著名(ming)的(de)狄(di)拉(la)克(ke)方程(cheng)。
1991年8月1日(ri)(ri),狄(di)拉(la)克(ke)父(fu)親(qin)家鄉的圣莫里(li)斯花(hua)園立起了紀念石。1995年11月13日(ri)(ri),一(yi)塊以(yi)伯靈頓(dun)綠(lv)色板(ban)巖作為原料并(bing)刻上了狄(di)拉(la)克(ke)方程的紀念石板(ban)在西敏寺首次亮相。牧(mu)師(shi)團長愛(ai)德華(hua)·卡(ka)彭特曾因狄(di)拉(la)克(ke)是無神論者而反對(dui)此事,其意見被置(zhi)之不理。
1975年,狄(di)拉(la)(la)克(ke)在(zai)新(xin)(xin)南威爾士大學給了(le)一系列(lie)五個演講。這(zhe)系列(lie)演講后來(lai)集結出版(ban)成了(le)《物理(li)學的方(fang)向》(1978年)一書(shu)。他將這(zhe)本(ben)書(shu)的版(ban)稅捐給新(xin)(xin)南威爾士大學設立了(le)狄(di)拉(la)(la)克(ke)系列(lie)講座(zuo)。狄(di)拉(la)(la)克(ke)銀質獎章(zhang)便是在(zai)這(zhe)個場合下由校(xiao)方(fang)所頒發的獎項(xiang)。
在(zai)狄(di)(di)拉克(ke)(ke)(ke)去世之后,立即有兩個研究機構(gou)設(she)了年(nian)度獎項來(lai)紀(ji)念狄(di)(di)拉克(ke)(ke)(ke):英(ying)(ying)國(guo)物理(li)(li)(li)學(xue)會頒發(fa)狄(di)(di)拉克(ke)(ke)(ke)獎章和獎金以表揚“在(zai)理(li)(li)(li)論(lun)(包含數學(xue)和計算方(fang)法)物理(li)(li)(li)上的(de)杰出(chu)貢獻”。最初的(de)三(san)個獲獎人分別為(wei)史蒂(di)芬·霍金(1987年(nian))、約翰·斯圖爾(er)(er)特·貝爾(er)(er)(1988年(nian))和羅杰·彭羅斯(1989年(nian));國(guo)際理(li)(li)(li)論(lun)物理(li)(li)(li)中(zhong)心(International Centre for Theoretical Physics,簡稱:ICTP)在(zai)每年(nian)8月8日(ri)(狄(di)(di)拉克(ke)(ke)(ke)的(de)生日(ri))頒發(fa)ICTP狄(di)(di)拉克(ke)(ke)(ke)獎章。另(ling)外,英(ying)(ying)國(guo)物理(li)(li)(li)學(xue)會在(zai)布里斯托的(de)出(chu)版總部取名作狄(di)(di)拉克(ke)(ke)(ke)樓。
佛羅(luo)里達州立大學的狄拉克-赫爾(er)曼(man)獎(jiang)是由(you)布魯(lu)斯·赫爾(er)曼(man)博(bo)士(狄拉克最后一個博(bo)士學生)于1997年所設立以(yi)獎(jiang)勵該校(xiao)理論(lun)物理研究人員的杰(jie)出表現。
位于(yu)佛羅(luo)里達(da)州(zhou)立大學的(de)(de)(de)保羅(luo)·狄(di)拉(la)克科學圖書館(guan),1989年(nian)由曼琪(qi)所成立。狄(di)拉(la)克生前的(de)(de)(de)論文都收(shou)藏(zang)于(yu)此(ci),館(guan)外則設有其銅像。佛羅(luo)里達(da)州(zhou)塔拉(la)哈(ha)西國家強磁實驗室所在(zai)的(de)(de)(de)那條(tiao)(tiao)路被命名(ming)為(wei)“Paul Dirac Drive”。而在(zai)他(ta)的(de)(de)(de)家鄉布里斯(si)托,迪高特(te)鎮上的(de)(de)(de)一(yi)(yi)條(tiao)(tiao)路被命名(ming)為(wei)“Dirac Way”。英國廣播(bo)公司將其開(kai)發的(de)(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)影(ying)像壓縮格式以狄(di)拉(la)克命名(ming)。
狄拉克因(yin)創立有(you)效的(de)、新(xin)型式的(de)原子理(li)論(lun)而獲得(de)1933年(nian)的(de)諾貝爾物理(li)學獎(jiang)。
狄拉(la)克發展了量(liang)子力(li)學,提出(chu)了著(zhu)名的狄拉(la)克方程,并且(qie)從理論上預言了正電(dian)子的存在。
狄(di)拉(la)(la)克(ke)原(yuan)來從事(shi)相對(dui)論動力學的(de)(de)研究,自從1925年海(hai)森伯訪問劍(jian)橋大學以后,狄(di)拉(la)(la)克(ke)深受影(ying)響(xiang),把精(jing)力轉向量子力學的(de)(de)研究。
1928年他把相(xiang)對論(lun)(lun)(lun)引(yin)進了(le)(le)(le)量子(zi)(zi)力學,建立了(le)(le)(le)相(xiang)對論(lun)(lun)(lun)形式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)薛定諤方(fang)程,也就(jiu)是(shi)著名(ming)的(de)(de)(de)(de)(de)狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)(ke)方(fang)程。這一(yi)(yi)(yi)(yi)方(fang)程具(ju)有(you)兩個(ge)(ge)(ge)特點:一(yi)(yi)(yi)(yi)是(shi)滿足(zu)相(xiang)對論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)所(suo)有(you)要求,適(shi)用于運動速度無論(lun)(lun)(lun)多(duo)快(kuai)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi);二是(shi)它能(neng)自(zi)動地導出(chu)(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)有(you)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)(de)結論(lun)(lun)(lun)。這一(yi)(yi)(yi)(yi)方(fang)程的(de)(de)(de)(de)(de)解很(hen)特別(bie),既包括正(zheng)(zheng)能(neng)態,也包括負(fu)能(neng)態。狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)(ke)由此(ci)做出(chu)(chu)(chu)了(le)(le)(le)存在(zai)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)預言,認為正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)是(shi)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)鏡像,它們具(ju)有(you)嚴格相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量,但是(shi)電(dian)(dian)(dian)荷符(fu)號相(xiang)反(fan)(fan)。狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)(ke)根(gen)據(ju)這個(ge)(ge)(ge)圖象,還預料存在(zai)著一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)和(he)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)互相(xiang)湮滅(mie)(mie)放出(chu)(chu)(chu)光(guang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)過程;相(xiang)反(fan)(fan),這個(ge)(ge)(ge)過程的(de)(de)(de)(de)(de)逆(ni)過程,就(jiu)是(shi)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)光(guang)子(zi)(zi)湮滅(mie)(mie)產生出(chu)(chu)(chu)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)和(he)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)過程也是(shi)可能(neng)存在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)。1932年,美國(guo)物理(li)學家(jia)安(an)德森(sen)(1923-)在(zai)研究(jiu)宇宙射(she)線(xian)簇射(she)中(zhong)(zhong)高能(neng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)徑跡的(de)(de)(de)(de)(de)時候,奇怪地發現強磁場中(zhong)(zhong)有(you)一(yi)(yi)(yi)(yi)半電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)向(xiang)(xiang)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)方(fang)向(xiang)(xiang)偏(pian)轉,另一(yi)(yi)(yi)(yi)半向(xiang)(xiang)相(xiang)反(fan)(fan)方(fang)向(xiang)(xiang)偏(pian)轉,經過仔細(xi)辨認,這就(jiu)是(shi)狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)(ke)預言的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)。后來很(hen)快(kuai)又(you)發現了(le)(le)(le)γ射(she)線(xian)產生電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)對,正(zheng)(zheng)、負(fu)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)碰撞“湮滅(mie)(mie)”成光(guang)子(zi)(zi)等現象,全面印(yin)證了(le)(le)(le)狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)(ke)預言的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)確性。狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)(ke)(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)工作,開創了(le)(le)(le)反(fan)(fan)粒子(zi)(zi)和(he)反(fan)(fan)物質(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)論(lun)(lun)(lun)和(he)實驗研究(jiu)。
狄拉(la)克(ke)是量(liang)子輻射理(li)(li)論的創始人,曾經和費米各自(zi)獨立(li)發(fa)(fa)(fa)現了費米-狄拉(la)克(ke)統計(ji)法。狄拉(la)克(ke)還在(zai)美國佛羅里達州(zhou)立(li)大學(xue)發(fa)(fa)(fa)表過(guo)大量(liang)有(you)(you)關(guan)(guan)宇(yu)(yu)宙學(xue)方(fang)面的論文,推動宇(yu)(yu)宙學(xue)研(yan)究(jiu)的發(fa)(fa)(fa)展(zhan)。特別(bie)值(zhi)得(de)一(yi)(yi)提的是,狄拉(la)克(ke)早在(zai)本(ben)世紀三十年代,就從理(li)(li)論上提出可(ke)能存在(zai)磁單(dan)極(ji)的預言。近代物(wu)(wu)理(li)(li)學(xue)來有(you)(you)關(guan)(guan)磁單(dan)極(ji)的理(li)(li)論研(yan)究(jiu)和實(shi)驗探(tan)測取得(de)了迅速發(fa)(fa)(fa)展(zhan)。1982年國外已有(you)(you)報道,宣稱有(you)(you)人發(fa)(fa)(fa)現了磁單(dan)極(ji)存在(zai)的證(zheng)據。當然(ran),假如真能從實(shi)驗上證(zheng)實(shi)磁單(dan)極(ji)存在(zai),一(yi)(yi)定會引起物(wu)(wu)理(li)(li)理(li)(li)論的深刻(ke)變(bian)化。
總結起來,狄(di)拉(la)克對物理學的(de)主要貢獻是:給出描述相(xiang)對論性費(fei)(fei)米粒(li)子的(de)量子力學方(fang)程(狄(di)拉(la)克方(fang)程),給出反(fan)粒(li)子解;預言(yan)磁單極;費(fei)(fei)米—狄(di)拉(la)克統計(ji)。另外在(zai)量子場(chang)論尤其是量子電動(dong)力學方(fang)面也作出了奠(dian)基(ji)性的(de)工作。在(zai)引力論和引力量子化方(fang)面也有杰出的(de)工作。
到了1927年,由于許多(duo)開(kai)創性的(de)(de)工作,狄(di)拉克(ke)(ke)已(yi)成(cheng)了科學(xue)(xue)界中(zhong)知名的(de)(de)人物。證據就(jiu)是他受(shou)到邀請參加了第五屆索爾維會(hui)議(電子(zi)與光子(zi))。同年,狄(di)拉克(ke)(ke)被選為(wei)圣(sheng)約翰(han)學(xue)(xue)院院士,并在1929年被任命為(wei)數學(xue)(xue)物理的(de)(de)高級講師。 此時,狄(di)拉克(ke)(ke)正(zheng)著(zhu)手電子(zi)的(de)(de)相對(dui)論(lun)性量子(zi)理論(lun)。當(dang)時雖然(ran)已(yi)經有了克(ke)(ke)萊(lai)因-戈爾登方程(cheng),但狄(di)拉克(ke)(ke)認為(wei)問題(ti)并未被解決。這個方程(cheng)可能給出負值的(de)(de)概率,量子(zi)力學(xue)(xue)對(dui)概率的(de)(de)詮釋無法解釋這個問題(ti)。
就在1928年狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)提(ti)出(chu)了(le)描(miao)述(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)相對(dui)論性方(fang)程——狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)程,并獨立于(yu)(yu)沃爾夫岡(gang)·泡利的(de)工作發現了(le)描(miao)述(shu)自旋(xuan)(xuan)的(de)2x2矩陣。亞伯拉(la)罕·派斯曾引(yin)述(shu)狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)如此說(shuo)道:“我(wo)相信(xin)我(wo)獨立得到了(le)它(自旋(xuan)(xuan)矩陣),泡利也(ye)許也(ye)是獨立于(yu)(yu)我(wo)得到這個結(jie)果(guo)。” 然(ran)而(er)狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)程與克(ke)(ke)(ke)萊因-戈登(deng)方(fang)程有相同(tong)的(de)問(wen)題,存(cun)在無法解(jie)釋(shi)的(de)負能(neng)量(liang)解(jie)。這促使狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)預(yu)測電(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)反粒子——正(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)存(cun)在。他詮(quan)釋(shi)正(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子來自于(yu)(yu)填滿電(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)之(zhi)海(hai)。正(zheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子于(yu)(yu)1932年由卡爾·安德森在宇宙射線中觀察到而(er)證實。狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)方(fang)程同(tong)時能(neng)夠(gou)解(jie)釋(shi)自旋(xuan)(xuan)是作為(wei)一種相對(dui)論性的(de)現象。
由于(yu)(yu)恩里(li)科(ke)·費米在(zai)1934年的(de)(de)β衰變理(li)(li)論(lun)牽涉到粒子(zi)的(de)(de)毀(hui)滅與(yu)(yu)創造,使(shi)狄(di)拉克方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)詮(quan)釋作(zuo)任(ren)意(yi)自旋?/2之(zhi)點粒子(zi)的(de)(de)場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng),其(qi)中場(chang)(chang)量(liang)子(zi)化的(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng)包(bao)含了反交換律。因此在(zai)1934年,海森堡將(jiang)狄(di)拉克方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)重新詮(quan)釋作(zuo)所有基(ji)本粒子(zi)(夸克與(yu)(yu)輕(qing)子(zi))的(de)(de)場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)——狄(di)拉克場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)。在(zai)理(li)(li)論(lun)物(wu)理(li)(li)中,這個(ge)(ge)(ge)場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)處于(yu)(yu)與(yu)(yu)麥克斯(si)韋方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)、楊-米爾斯(si)規范理(li)(li)論(lun)、愛(ai)因斯(si)坦場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)同等核心的(de)(de)地位。狄(di)拉克被(bei)視作(zuo)量(liang)子(zi)電動(dong)力學(xue)的(de)(de)奠(dian)基(ji)者,也是第(di)一個(ge)(ge)(ge)使(shi)用量(liang)子(zi)電動(dong)力學(xue)這個(ge)(ge)(ge)名詞的(de)(de)人。
另外在1930年代早期,他也提出了(le)真(zhen)空極化的概念(nian)。對于下一個世代的理論學(xue)者(zhe)施溫格、費曼(man)、朝永振一郎、戴森(sen)等人(ren)而言,這個工作是(shi)量子(zi)電動力學(xue)發展的關鍵。
1930年狄(di)(di)拉(la)克出版了(le)他的(de)(de)量(liang)(liang)子力(li)學(xue)(xue)(xue)著作(zuo)(zuo)著作(zuo)(zuo)《量(liang)(liang)子力(li)學(xue)(xue)(xue)原理(li)(li)》,這是(shi)物(wu)理(li)(li)史上重要的(de)(de)里(li)程碑,至今仍是(shi)量(liang)(liang)子力(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)經典教材。在(zai)這本書中(zhong),狄(di)(di)拉(la)克將(jiang)海(hai)森(sen)堡(bao)在(zai)矩陣力(li)學(xue)(xue)(xue)以及薛定(ding)諤在(zai)波動力(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)工作(zuo)(zuo)整合(he)成一個數(shu)(shu)學(xue)(xue)(xue)體系,當中(zhong)連結了(le)可(ke)觀(guan)測量(liang)(liang)與(yu)希爾伯特空(kong)間中(zhong)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)子的(de)(de)關系。書中(zhong)也介(jie)紹了(le)量(liang)(liang)子力(li)學(xue)(xue)(xue)中(zhong)廣泛(fan)應(ying)用(yong)(yong)的(de)(de)狄(di)(di)拉(la)克δ函數(shu)(shu)。延續狄(di)(di)拉(la)克在(zai)1939年的(de)(de)文章,1939年他在(zai)此書第三(san)版中(zhong)加(jia)入了(le)他的(de)(de)數(shu)(shu)學(xue)(xue)(xue)符號系統(tong)——狄(di)(di)拉(la)克符號。直到(dao)今天,狄(di)(di)拉(la)克符號仍然是(shi)最廣泛(fan)使用(yong)(yong)的(de)(de)一套量(liang)(liang)子力(li)學(xue)(xue)(xue)符號系統(tong)。
1932年(nian)狄(di)拉(la)克接(jie)替約瑟夫(fu)·拉(la)莫(mo)爾擔(dan)任(ren)劍(jian)橋(qiao)大學盧卡斯(si)數學教授。1933年(nian)狄(di)拉(la)克與薛(xue)定諤共同獲得諾貝(bei)爾物(wu)理獎(jiang)。他(ta)(ta)卻對盧瑟福說(shuo),他(ta)(ta)不想出(chu)名(ming),他(ta)(ta)想拒絕這(zhe)個榮(rong)譽。盧瑟福對他(ta)(ta)說(shuo):“如果你(ni)這(zhe)樣做,你(ni)會(hui)更(geng)(geng)出(chu)名(ming),人家更(geng)(geng)要來麻煩你(ni)。” 1933年(nian)12月12日,狄(di)拉(la)克在斯(si)德哥爾摩發表了諾貝(bei)爾獎(jiang)得獎(jiang)演說(shuo),題目為“電子與正電子的理論”。
1931年(nian)(nian)在一(yi)篇(pian)“量子(zi)(zi)化(hua)電(dian)磁(ci)場中的(de)(de)奇點”的(de)(de)文章(zhang)中,狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)探(tan)討了(le)磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)這個想法。1933年(nian)(nian),延(yan)續了(le)其(qi)1931年(nian)(nian)的(de)(de)論(lun)文,狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)證明(ming)了(le)單(dan)一(yi)磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)的(de)(de)存在就足(zu)以解釋電(dian)荷的(de)(de)量子(zi)(zi)化(hua)。在1975年(nian)(nian)、1982年(nian)(nian)以及2009年(nian)(nian)都有研究結(jie)果指出磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)可能存在。但到目前為止,仍沒有磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)存在的(de)(de)直接證據。即使如此(ci),某些大統一(yi)理(li)論(lun)仍包含磁(ci)單(dan)極(ji)(ji),用于解釋宇宙結(jie)構的(de)(de)形成(cheng)。狄(di)(di)拉(la)克(ke)(ke)的(de)(de)磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)是第(di)一(yi)次將(jiang)拓(tuo)樸學的(de)(de)概念(nian)用于處理(li)物理(li)問(wen)題。
在1937年,狄拉克提出了大數(shu)(shu)假(jia)說(shuo)。他(ta)比較了兩個不帶量(liang)綱(gang)的(de)量(liang)值:基本作用力(在此為(wei)引力與(yu)電磁力)的(de)比值與(yu)宇宙(zhou)年齡(ling)的(de)尺度,發現兩者皆落在約39個數(shu)(shu)量(liang)級。狄拉克猜測(ce)這可(ke)能并非(fei)巧合,兩者或許存在某種關聯(lian)性。參考(kao)了愛(ai)德華·亞瑟(se)·米爾恩的(de)理論,允(yun)許引力常數(shu)(shu)隨時間改變。基于(yu)這些假(jia)設,他(ta)設計了一個自己的(de)宇宙(zhou)學(xue)的(de)模型。