保(bao)羅·狄(di)拉(la)(la)克(ke),1902年8月8日出生在(zai)英格蘭西(xi)南部的(de)(de)布(bu)里(li)(li)斯(si)(si)(si)(si)托,成長在(zai)畢曉(xiao)普斯(si)(si)(si)(si)頓區的(de)(de)城市。他(ta)的(de)(de)父親(qin)(qin),查爾(er)斯(si)(si)(si)(si)·埃卓恩·拉(la)(la)迪斯(si)(si)(si)(si)拉(la)(la)斯(si)(si)(si)(si)·狄(di)拉(la)(la)克(ke),是(shi)一(yi)個曾(ceng)在(zai)布(bu)里(li)(li)斯(si)(si)(si)(si)托教書(shu)的(de)(de)法(fa)文老師,從瑞士瓦萊州(zhou)的(de)(de)圣莫里(li)(li)斯(si)(si)(si)(si)移民(min)到英國。他(ta)的(de)(de)母(mu)(mu)親(qin)(qin),佛羅倫斯(si)(si)(si)(si)·漢娜·狄(di)拉(la)(la)克(ke)原姓霍爾(er)滕是(shi)一(yi)位船長的(de)(de)女兒,曾(ceng)在(zai)布(bu)里(li)(li)斯(si)(si)(si)(si)托中(zhong)央圖(tu)(tu)書(shu)館擔任(ren)圖(tu)(tu)書(shu)管理員。保(bao)羅有一(yi)個妹(mei)妹(mei),叫阿特(te)麗斯(si)(si)(si)(si)·伊莎(sha)貝(bei)爾(er)·瑪格麗特(te),大(da)(da)家稱她為貝(bei)蒂,還有一(yi)個哥(ge)(ge)哥(ge)(ge),雷(lei)金(jin)納德·查爾(er)斯(si)(si)(si)(si)·費(fei)(fei)利克(ke)斯(si)(si)(si)(si),大(da)(da)家叫他(ta)費(fei)(fei)利克(ke)斯(si)(si)(si)(si)。費(fei)(fei)利克(ke)斯(si)(si)(si)(si)在(zai)1925年3月自殺。狄(di)拉(la)(la)克(ke)后來回憶說:“我(wo)的(de)(de)父母(mu)(mu)非常痛心。我(wo)不知道他(ta)們這(zhe)么在(zai)乎...我(wo)從來不知道父母(mu)(mu)應該照顧自己的(de)(de)孩子,但自從這(zhe)件事后,我(wo)了解這(zhe)件事。”
查爾斯(si)和他(ta)(ta)的(de)(de)(de)孩(hai)子們注冊(ce)的(de)(de)(de)是瑞士(shi)國籍(ji),直到1919年10月22日才歸化為英國籍(ji)。狄(di)(di)拉克的(de)(de)(de)父親(qin)(qin)雖然他(ta)(ta)不(bu)贊成(cheng)體罰,但卻是一(yi)個嚴格和專制的(de)(de)(de)人。狄(di)(di)拉克與他(ta)(ta)的(de)(de)(de)父親(qin)(qin)的(de)(de)(de)關系很緊張(zhang),以至于在他(ta)(ta)父親(qin)(qin)死后,他(ta)(ta)寫道:“我(wo)覺(jue)得我(wo)更自(zi)由(you)了,我(wo)要做我(wo)自(zi)己。”查爾斯(si)為了使他(ta)(ta)的(de)(de)(de)孩(hai)子學習法語,強迫他(ta)(ta)們只(zhi)能說(shuo)(shuo)法語。但狄(di)(di)拉克發現,他(ta)(ta)無法用法語表達他(ta)(ta)想說(shuo)(shuo)的(de)(de)(de)話,所(suo)以他(ta)(ta)選擇保持沉默。
狄拉(la)克第一(yi)次受教育是在(zai)(zai)主教路小學(xue)(xue),然后(hou)(hou)在(zai)(zai)男子商人(ren)合(he)營技(ji)術學(xue)(xue)院(后(hou)(hou)來的考(kao)瑟姆學(xue)(xue)校)就讀。他(ta)(ta)的父親(qin)在(zai)(zai)那里是一(yi)位法語老師。這所學(xue)(xue)校是布里斯(si)托(tuo)大學(xue)(xue)內的附屬(shu)機構,他(ta)(ta)們共享場(chang)地和人(ren)員。這所大學(xue)(xue)強調技(ji)術課程,如瓦工、制鞋、金屬(shu)工作和現代語言。在(zai)(zai)當時仍然主要(yao)致力于經典文學(xue)(xue)的英國中等教育里,這是一(yi)個(ge)不尋常的安(an)排(pai)。后(hou)(hou)來狄拉(la)克曾對這些安(an)排(pai)表示感激(ji)。
之后狄拉克在布里斯托大學(xue)(xue)工程(cheng)學(xue)(xue)院(yuan)學(xue)(xue)習電(dian)機工程(cheng)。盡管最喜歡的(de)科(ke)目是(shi)數學(xue)(xue),狄拉克后來聲(sheng)稱工程(cheng)教育(yu)對他影(ying)響深遠:
“原先(xian),我(wo)只對完全(quan)(quan)正(zheng)確的(de)方(fang)程感興趣。然(ran)而我(wo)所接受的(de)工(gong)程訓練教導我(wo)要容許近似,有(you)時候(hou)我(wo)能夠從這(zhe)些(xie)理論中發(fa)現驚(jing)人的(de)美,即(ji)使它是以近似為基礎...如(ru)果沒有(you)這(zhe)些(xie)來自工(gong)程學(xue)的(de)訓練,我(wo)或許無法在后(hou)來的(de)研究作(zuo)出(chu)任(ren)何(he)成果...我(wo)持續在之后(hou)的(de)工(gong)作(zuo)運(yun)用(yong)這(zhe)些(xie)不完全(quan)(quan)嚴謹的(de)工(gong)程數學(xue),我(wo)相信你(ni)們可以從我(wo)后(hou)來的(de)文章中看出(chu)來...那些(xie)要求(qiu)所有(you)計(ji)算推(tui)導上完全(quan)(quan)精確的(de)數學(xue)家(jia)很(hen)難在物理上走得很(hen)遠(yuan)。”
就(jiu)(jiu)在1921年獲得(de)學(xue)(xue)(xue)位的(de)(de)(de)前不(bu)(bu)久,他(ta)參加了劍橋(qiao)大學(xue)(xue)(xue)圣約翰學(xue)(xue)(xue)院的(de)(de)(de)入(ru)學(xue)(xue)(xue)測驗。他(ta)通過(guo)入(ru)學(xue)(xue)(xue)考試并獲得(de)一(yi)筆(bi)70英(ying)鎊的(de)(de)(de)獎(jiang)學(xue)(xue)(xue)金(jin),然而(er)這不(bu)(bu)足以支付在劍橋(qiao)就(jiu)(jiu)讀及生(sheng)活所需的(de)(de)(de)龐大金(jin)額。盡管以第一(yi)級榮譽工(gong)程(cheng)學(xue)(xue)(xue)士的(de)(de)(de)成績畢業,在當(dang)時英(ying)國戰后經濟(ji)衰退的(de)(de)(de)環境下仍無法找到工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)(de)(de)工(gong)作。因(yin)此,他(ta)選擇接(jie)受免學(xue)(xue)(xue)費攻讀布(bu)里斯托大學(xue)(xue)(xue)數學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)士學(xue)(xue)(xue)位的(de)(de)(de)機會。由(you)于(yu)已完(wan)成的(de)(de)(de)工(gong)程(cheng)學(xue)(xue)(xue)位,他(ta)被允許抵免第一(yi)年的(de)(de)(de)課(ke)程(cheng)。
1923年(nian)狄拉克再度以第一(yi)級(ji)榮譽的成績畢(bi)業并(bing)獲(huo)得(de)140英鎊(bang)的獎學(xue)(xue)(xue)金(jin)。加上來自約翰(han)學(xue)(xue)(xue)院的70英鎊(bang),這筆(bi)錢足夠(gou)他在劍(jian)橋居住與(yu)求學(xue)(xue)(xue)。
原(yuan)先(xian),狄(di)拉克(ke)希望研究一直以來感興趣的相對論(lun),然而(er)在拉爾夫·福(fu)勒的指導下,狄(di)拉克(ke)開始(shi)接觸(chu)原(yuan)子(zi)理(li)(li)論(lun)。福(fu)勒將(jiang)原(yuan)子(zi)理(li)(li)論(lun)中最新的概念如尼爾斯·玻爾等人的理(li)(li)論(lun)介紹給了狄(di)拉克(ke),對此狄(di)拉克(ke)曾回憶到:
“還記得我(wo)(wo)頭一回看(kan)到玻(bo)爾的理論,我(wo)(wo)相(xiang)(xiang)當(dang)驚訝...讓人驚奇(qi)的是(shi)(shi)在特定的條(tiao)件下,我(wo)(wo)們居(ju)然能(neng)將牛(niu)頓定律用(yong)在原子(zi)里的電(dian)子(zi)。第一個(ge)條(tiao)件是(shi)(shi)忽略電(dian)子(zi)輻射,第二則是(shi)(shi)放(fang)入量子(zi)條(tiao)件。我(wo)(wo)仍記得很清楚,玻(bo)爾的理論當(dang)時給了(le)我(wo)(wo)多大(da)的震撼。我(wo)(wo)相(xiang)(xiang)信在發(fa)展量子(zi)力(li)學上,玻(bo)爾引入的這(zhe)個(ge)概念是(shi)(shi)最大(da)的突破。”
之(zhi)后狄(di)拉(la)(la)(la)克也嘗試(shi)著(zhu)(zhu)將玻(bo)爾的理論(lun)作(zuo)延伸。1925年維爾納·海森(sen)堡提(ti)出(chu)(chu)了(le)著(zhu)(zhu)眼于可觀察(cha)的物理量(liang)的理論(lun),當中(zhong)牽涉到矩(ju)陣相乘的不可交(jiao)換(huan)性。狄(di)拉(la)(la)(la)克起初對此(ci)并不特(te)別欣賞,然而約莫兩(liang)個星期之(zhi)后,他(ta)意識到當中(zhong)的不可交(jiao)換(huan)性帶有(you)重要的意義,并且發現(xian)了(le)經典力(li)學(xue)中(zhong)泊松括號與海森(sen)堡提(ti)出(chu)(chu)的矩(ju)陣力(li)學(xue)規則的相似(si)之(zhi)處(chu)。基(ji)于這項發現(xian),他(ta)得出(chu)(chu)更明確(que)的量(liang)子化規則(即正則量(liang)子化)。這份名為《量(liang)子力(li)學(xue)》的論(lun)文發表于1926年,狄(di)拉(la)(la)(la)克也憑借這項工作(zuo)獲(huo)得博(bo)士學(xue)位。
同時埃爾(er)溫·薛(xue)定(ding)諤(e)(e)以物質(zhi)波的(de)波方程提(ti)出了自己的(de)量(liang)子理(li)論。狄(di)拉(la)克很(hen)快地發現到海森堡與薛(xue)定(ding)諤(e)(e)兩人的(de)理(li)論是彼此互補的(de),并開始研究起薛(xue)定(ding)諤(e)(e)的(de)波動力學(xue)。
1926年9月(yue),在福勒的(de)(de)(de)(de)建議之下(xia),狄拉克(ke)前往位于哥本(ben)哈(ha)根的(de)(de)(de)(de)尼爾(er)斯·玻爾(er)研(yan)(yan)究(jiu)所作(zuo)了(le)一(yi)段(duan)時(shi)間的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)。在哥本(ben)哈(ha)根的(de)(de)(de)(de)這段(duan)期間,狄拉克(ke)持(chi)續(xu)量子力學的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu),發展出了(le)涵(han)蓋波(bo)動力學與(yu)矩陣力學的(de)(de)(de)(de)廣(guang)義理(li)(li)論。這個(ge)方法(fa)與(yu)經(jing)典哈(ha)密頓力學理(li)(li)正(zheng)則變(bian)換相(xiang)類似(si),允許使用不(bu)同組的(de)(de)(de)(de)變(bian)量基底。此外,為了(le)處理(li)(li)連續(xu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)量,狄拉克(ke)引入了(le)新的(de)(de)(de)(de)數(shu)學工具(ju)—狄拉克(ke)δ函(han)數(shu)。
狄(di)拉克也開始研究(jiu)輻(fu)射理(li)論。在(zai)他(ta)的(de)文章“吸收和放(fang)出輻(fu)射的(de)量(liang)子(zi)理(li)論”中(zhong),他(ta)運用二(er)次量(liang)子(zi)化(hua)(hua)的(de)技巧(qiao)將(jiang)波函(han)數量(liang)子(zi)化(hua)(hua),進一步將(jiang)光子(zi)輻(fu)射與玻色-愛因斯坦統(tong)計連結起來。在(zai)這(zhe)個方法中(zhong),粒(li)子(zi)集合的(de)量(liang)子(zi)態是(shi)以其粒(li)子(zi)在(zai)各能態中(zhong)的(de)分布(bu)來表示,并以粒(li)子(zi)的(de)創造與消滅來對量(liang)子(zi)態作改(gai)變(bian)。狄(di)拉克展示了兩種方法是(shi)等(deng)價(jia)的(de),將(jiang)電磁(ci)場(chang)以光子(zi)處理(li)或將(jiang)場(chang)作量(liang)子(zi)化(hua)(hua)。事實上,這(zhe)個工作引(yin)發了新的(de)物理(li)課題—量(liang)子(zi)場(chang)論,而二(er)次量(liang)子(zi)化(hua)(hua)則成為后來量(liang)子(zi)電動力學的(de)基礎。
1927年2月狄拉(la)克來到(dao)哥(ge)廷根,在此他待了(le)幾個月并結識了(le)赫爾曼·外爾、馬(ma)克斯·玻恩、羅伯特·奧本海默等人。
二(er)次大(da)戰開(kai)(kai)戰之(zhi)(zhi)后,由(you)于缺乏足夠的(de)教(jiao)職人員,狄(di)(di)拉(la)克(ke)在(zai)教(jiao)學上的(de)負擔(dan)加重。另外(wai),他還必須指導許多研究生。在(zai)之(zhi)(zhi)前,狄(di)(di)拉(la)克(ke)一(yi)向試圖避(bi)免這類的(de)責任(ren),而更傾(qing)向獨自一(yi)人作研究。 其(qi)中的(de)例外(wai)是在(zai)1930到(dao)(dao)1931年(nian)接手指導了(le)福(fu)勒(le)的(de)學生錢德拉(la)塞卡,以及1935到(dao)(dao)1936年(nian)因為馬克(ke)斯·玻恩離開(kai)(kai)劍橋去了(le)愛丁(ding)堡而收(shou)了(le)兩個原先玻恩指導的(de)學生。一(yi)生之(zhi)(zhi)中,狄(di)(di)拉(la)克(ke)所指導的(de)學生不到(dao)(dao)十二(er)人(大(da)部分在(zai)1940、50年(nian)代)。
戰爭期間,狄拉克投(tou)入研發同位素(su)分離法(fa)以取得鈾235。這在原(yuan)子能的應用(yong)上是極關鍵的技術。他與彼(bi)得·卡(ka)皮查嘗試開發用(yong)離心機將(jiang)氣體(ti)混合物分離的方法(fa),但(dan)其(qi)實驗后來因卡(ka)皮查受(shou)困俄國而停擺。
1941年,狄拉克(ke)與(yu)牛津大學(xue)法(fa)蘭(lan)西(xi)斯(si)·西(xi)蒙的(de)團隊展開合作,提供了許多對(dui)于統計方(fang)法(fa)的(de)實用意見。這些方(fang)法(fa)在今(jin)日人(ren)們依然在使用。
此外,他還是(shi)伯明翰團隊在計算臨界(jie)質(zhi)量(liang)上的非正式(shi)顧問。
1984年,狄拉克在佛羅里達州塔(ta)拉哈西過世,并埋葬于當地(di)的(de)羅斯(si)蘭公墓。狄拉克童年在布(bu)里斯(si)托所(suo)居住的(de)房子(zi)掛(gua)上(shang)了(le)藍色牌匾,房子(zi)所(suo)在的(de)道(dao)路也(ye)被命名為(wei)狄拉克路以彰顯(xian)他與(yu)這個地(di)區的(de)聯結(jie)。當地(di)主教路小學的(de)墻上(shang)掛(gua)上(shang)了(le)一塊牌子(zi),秀(xiu)出(chu)了(le)狄拉克最(zui)著名的(de)狄拉克方程。
1991年8月(yue)1日(ri),狄(di)拉克(ke)父親家鄉的(de)圣莫里斯花園立起了紀(ji)念石。1995年11月(yue)13日(ri),一塊(kuai)以(yi)伯靈頓綠色板巖作為原(yuan)料并刻上了狄(di)拉克(ke)方(fang)程的(de)紀(ji)念石板在西敏寺首次(ci)亮相。牧師團長(chang)愛德華·卡彭特(te)曾因狄(di)拉克(ke)是無神論(lun)者而反對此事,其(qi)意(yi)見被置之不理。
1975年,狄拉克(ke)在(zai)新(xin)南威爾士(shi)大學給了一系(xi)列五(wu)個演(yan)(yan)講(jiang)。這(zhe)系(xi)列演(yan)(yan)講(jiang)后來集結出(chu)版(ban)成了《物理學的方(fang)向》(1978年)一書(shu)。他將這(zhe)本書(shu)的版(ban)稅捐給新(xin)南威爾士(shi)大學設(she)立(li)了狄拉克(ke)系(xi)列講(jiang)座。狄拉克(ke)銀(yin)質獎章(zhang)便是(shi)在(zai)這(zhe)個場合下由校方(fang)所頒發(fa)的獎項。
在狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)去世之后,立即有兩(liang)個研究機構設了(le)年(nian)度獎(jiang)項(xiang)來(lai)紀(ji)念狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke):英國(guo)物理學會頒發(fa)狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)獎(jiang)章和獎(jiang)金以表揚“在理論(包含數學和計算方法)物理上(shang)的(de)杰(jie)出貢(gong)獻”。最(zui)初的(de)三個獲獎(jiang)人分別為史蒂(di)芬·霍金(1987年(nian))、約(yue)翰·斯圖爾(er)特·貝爾(er)(1988年(nian))和羅(luo)杰(jie)·彭羅(luo)斯(1989年(nian));國(guo)際理論物理中心(International Centre for Theoretical Physics,簡稱:ICTP)在每年(nian)8月8日(狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)的(de)生日)頒發(fa)ICTP狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)獎(jiang)章。另外(wai),英國(guo)物理學會在布(bu)里斯托的(de)出版總部(bu)取名作(zuo)狄(di)拉(la)克(ke)(ke)(ke)樓。
佛(fo)羅里達州立大學(xue)的狄(di)拉(la)克-赫爾曼獎是由布魯斯·赫爾曼博士(狄(di)拉(la)克最后一(yi)個博士學(xue)生)于(yu)1997年所設立以獎勵(li)該校(xiao)理論(lun)物理研究人員的杰(jie)出表(biao)現。
位于佛(fo)羅里達州立(li)大學的(de)(de)保羅·狄(di)拉(la)克(ke)科學圖書館(guan),1989年由(you)曼琪(qi)所成立(li)。狄(di)拉(la)克(ke)生前(qian)的(de)(de)論文(wen)都收藏于此(ci),館(guan)外則設(she)有其銅像(xiang)。佛(fo)羅里達州塔拉(la)哈西國家(jia)強(qiang)磁(ci)實驗室所在的(de)(de)那條路(lu)被(bei)命(ming)(ming)名為“Paul Dirac Drive”。而在他的(de)(de)家(jia)鄉布里斯托,迪高特鎮(zhen)上(shang)的(de)(de)一(yi)(yi)條路(lu)被(bei)命(ming)(ming)名為“Dirac Way”。英國廣播公司將其開發的(de)(de)一(yi)(yi)種影(ying)像(xiang)壓縮格式以(yi)狄(di)拉(la)克(ke)命(ming)(ming)名。
狄拉(la)克(ke)因創(chuang)立(li)有效(xiao)的、新型式的原子(zi)理(li)論而獲得(de)1933年(nian)的諾貝爾物理(li)學獎。
狄(di)拉(la)克(ke)發展了量子(zi)力學,提出(chu)了著(zhu)名的狄(di)拉(la)克(ke)方程,并且(qie)從(cong)理論上預言了正電(dian)子(zi)的存在(zai)。
狄(di)拉克原來從(cong)(cong)事相對論(lun)動(dong)力學的(de)研究(jiu),自(zi)從(cong)(cong)1925年海(hai)森伯訪問劍橋大(da)學以后,狄(di)拉克深受(shou)影(ying)響,把精力轉向量子力學的(de)研究(jiu)。
1928年他把相(xiang)(xiang)對論(lun)引進了(le)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力學(xue),建立了(le)相(xiang)(xiang)對論(lun)形式的(de)(de)(de)薛定諤(e)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng),也就(jiu)(jiu)是著名的(de)(de)(de)狄(di)(di)(di)拉(la)克方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)。這(zhe)一(yi)(yi)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)具(ju)有(you)兩個(ge)(ge)特點(dian):一(yi)(yi)是滿足(zu)相(xiang)(xiang)對論(lun)的(de)(de)(de)所有(you)要求,適用于運動速度(du)無論(lun)多(duo)快電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi);二是它能(neng)自動地導出電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)有(you)自旋(xuan)的(de)(de)(de)結論(lun)。這(zhe)一(yi)(yi)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)解(jie)很特別(bie),既包括正(zheng)(zheng)能(neng)態,也包括負能(neng)態。狄(di)(di)(di)拉(la)克由此做出了(le)存在正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)預(yu)(yu)言,認為正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)是電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)(ge)鏡像,它們具(ju)有(you)嚴格相(xiang)(xiang)同的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang),但(dan)是電(dian)(dian)(dian)荷符號相(xiang)(xiang)反。狄(di)(di)(di)拉(la)克根(gen)據(ju)這(zhe)個(ge)(ge)圖象,還(huan)預(yu)(yu)料存在著一(yi)(yi)個(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和(he)一(yi)(yi)個(ge)(ge)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)互相(xiang)(xiang)湮滅放出光子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng);相(xiang)(xiang)反,這(zhe)個(ge)(ge)過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)逆過(guo)程(cheng)(cheng),就(jiu)(jiu)是一(yi)(yi)個(ge)(ge)光子(zi)(zi)(zi)湮滅產(chan)生(sheng)出一(yi)(yi)個(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和(he)一(yi)(yi)個(ge)(ge)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng)也是可能(neng)存在的(de)(de)(de)。1932年,美(mei)國物理(li)學(xue)家安德森(1923-)在研(yan)究宇(yu)宙射(she)線(xian)簇射(she)中(zhong)高能(neng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)徑跡的(de)(de)(de)時(shi)候,奇怪地發現強磁場中(zhong)有(you)一(yi)(yi)半電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)向(xiang)(xiang)(xiang)一(yi)(yi)個(ge)(ge)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)偏(pian)轉(zhuan),另一(yi)(yi)半向(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)(xiang)反方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)偏(pian)轉(zhuan),經過(guo)仔細辨認,這(zhe)就(jiu)(jiu)是狄(di)(di)(di)拉(la)克預(yu)(yu)言的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)。后來很快又(you)發現了(le)γ射(she)線(xian)產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)對,正(zheng)(zheng)、負電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)碰撞“湮滅”成(cheng)光子(zi)(zi)(zi)等現象,全面印(yin)證(zheng)了(le)狄(di)(di)(di)拉(la)克預(yu)(yu)言的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)確性(xing)。狄(di)(di)(di)拉(la)克的(de)(de)(de)工作(zuo),開創了(le)反粒子(zi)(zi)(zi)和(he)反物質(zhi)的(de)(de)(de)理(li)論(lun)和(he)實驗研(yan)究。
狄拉克(ke)是量子輻射理論的(de)(de)創(chuang)始(shi)人,曾經(jing)和費米各(ge)自獨立發現了費米-狄拉克(ke)統計法。狄拉克(ke)還在(zai)(zai)美國佛(fo)羅里達州立大學(xue)(xue)發表過大量有(you)(you)關宇宙學(xue)(xue)方面的(de)(de)論文(wen),推(tui)動宇宙學(xue)(xue)研究的(de)(de)發展。特(te)別值(zhi)得一提的(de)(de)是,狄拉克(ke)早在(zai)(zai)本世(shi)紀三(san)十年代(dai),就從理論上(shang)提出可(ke)能存在(zai)(zai)磁單極(ji)(ji)的(de)(de)預言。近代(dai)物(wu)理學(xue)(xue)來有(you)(you)關磁單極(ji)(ji)的(de)(de)理論研究和實驗探(tan)測取得了迅速發展。1982年國外已(yi)有(you)(you)報道,宣稱(cheng)有(you)(you)人發現了磁單極(ji)(ji)存在(zai)(zai)的(de)(de)證(zheng)據(ju)。當然,假(jia)如真能從實驗上(shang)證(zheng)實磁單極(ji)(ji)存在(zai)(zai),一定會引起物(wu)理理論的(de)(de)深刻(ke)變化。
總結(jie)起來,狄拉克對物理學的(de)(de)主要(yao)貢獻是:給出(chu)描述相對論性(xing)(xing)費米粒子(zi)的(de)(de)量子(zi)力(li)學方程(狄拉克方程),給出(chu)反粒子(zi)解;預言磁單極(ji);費米—狄拉克統計。另外(wai)在量子(zi)場(chang)論尤其是量子(zi)電動力(li)學方面(mian)也作出(chu)了奠基性(xing)(xing)的(de)(de)工作。在引力(li)論和引力(li)量子(zi)化(hua)方面(mian)也有杰出(chu)的(de)(de)工作。
到了1927年(nian)(nian),由于許多(duo)開創(chuang)性的(de)工作,狄(di)拉克已(yi)成了科學(xue)(xue)界中知名的(de)人物(wu)(wu)。證據就是他受到邀請參(can)加了第五屆索爾維會議(電子(zi)與光子(zi))。同年(nian)(nian),狄(di)拉克被選(xuan)為(wei)圣(sheng)約(yue)翰學(xue)(xue)院(yuan)院(yuan)士(shi),并在1929年(nian)(nian)被任命為(wei)數學(xue)(xue)物(wu)(wu)理(li)的(de)高級講師(shi)。 此時,狄(di)拉克正著手電子(zi)的(de)相對論(lun)性量(liang)子(zi)理(li)論(lun)。當(dang)時雖然已(yi)經(jing)有了克萊因(yin)-戈爾登方(fang)程,但狄(di)拉克認為(wei)問題并未被解(jie)決(jue)。這(zhe)個方(fang)程可能給出負值的(de)概率(lv),量(liang)子(zi)力(li)學(xue)(xue)對概率(lv)的(de)詮釋無法(fa)解(jie)釋這(zhe)個問題。
就在(zai)1928年狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)提出了(le)描(miao)述電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)相(xiang)對論性方(fang)程(cheng)——狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)方(fang)程(cheng),并(bing)獨立于沃(wo)爾(er)夫岡·泡利的(de)(de)工作發(fa)現(xian)了(le)描(miao)述自旋(xuan)(xuan)的(de)(de)2x2矩(ju)陣。亞伯拉(la)(la)罕·派斯(si)曾引述狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)如此(ci)說道:“我(wo)相(xiang)信(xin)我(wo)獨立得(de)到了(le)它(自旋(xuan)(xuan)矩(ju)陣),泡利也許也是獨立于我(wo)得(de)到這個結(jie)果(guo)。” 然而(er)狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)方(fang)程(cheng)與克(ke)(ke)萊因-戈登方(fang)程(cheng)有相(xiang)同(tong)的(de)(de)問題,存在(zai)無法解釋的(de)(de)負(fu)能量解。這促使狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)預測電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)反(fan)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)——正電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)存在(zai)。他詮(quan)釋正電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)來自于填(tian)滿電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)之海。正電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)于1932年由卡(ka)爾(er)·安德(de)森在(zai)宇(yu)宙射線中觀察到而(er)證實。狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)方(fang)程(cheng)同(tong)時能夠解釋自旋(xuan)(xuan)是作為一(yi)種(zhong)相(xiang)對論性的(de)(de)現(xian)象。
由于恩里科·費米在(zai)(zai)1934年(nian)的(de)β衰變理(li)論(lun)(lun)(lun)牽涉到粒子(zi)的(de)毀滅與創(chuang)造,使狄拉(la)克(ke)(ke)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)詮(quan)釋作(zuo)(zuo)任意自旋?/2之點粒子(zi)的(de)場方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng),其(qi)中(zhong)場量子(zi)化的(de)過程(cheng)(cheng)包含了反交換律。因(yin)此在(zai)(zai)1934年(nian),海森堡將(jiang)狄拉(la)克(ke)(ke)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)重新詮(quan)釋作(zuo)(zuo)所有基(ji)本粒子(zi)(夸克(ke)(ke)與輕子(zi))的(de)場方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)——狄拉(la)克(ke)(ke)場方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)。在(zai)(zai)理(li)論(lun)(lun)(lun)物理(li)中(zhong),這個(ge)(ge)(ge)場方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)處于與麥(mai)克(ke)(ke)斯韋方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)、楊-米爾斯規(gui)范(fan)理(li)論(lun)(lun)(lun)、愛因(yin)斯坦場方(fang)(fang)(fang)程(cheng)(cheng)同等核心的(de)地位。狄拉(la)克(ke)(ke)被視作(zuo)(zuo)量子(zi)電(dian)動(dong)力學的(de)奠基(ji)者,也是第一個(ge)(ge)(ge)使用量子(zi)電(dian)動(dong)力學這個(ge)(ge)(ge)名詞的(de)人。
另外在(zai)1930年代早期,他也提出(chu)了(le)真空極化(hua)的(de)概(gai)念。對于下一(yi)個世代的(de)理論學者(zhe)施(shi)溫格、費曼、朝永振(zhen)一(yi)郎(lang)、戴森(sen)等人而言,這個工(gong)作是量子電動力(li)學發展的(de)關鍵。
1930年(nian)狄拉(la)克(ke)出版(ban)了他的(de)量(liang)子(zi)(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)著作著作《量(liang)子(zi)(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)原理》,這(zhe)是(shi)物理史上重要的(de)里程碑(bei),至今(jin)仍是(shi)量(liang)子(zi)(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)的(de)經典教(jiao)材。在(zai)這(zhe)本書(shu)中(zhong),狄拉(la)克(ke)將海森堡在(zai)矩陣力(li)(li)學(xue)(xue)以及薛(xue)定諤在(zai)波動(dong)力(li)(li)學(xue)(xue)的(de)工作整合成一個數學(xue)(xue)體系(xi),當中(zhong)連結了可觀測量(liang)與希爾伯(bo)特空間(jian)中(zhong)作用子(zi)(zi)的(de)關系(xi)。書(shu)中(zhong)也介(jie)紹了量(liang)子(zi)(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)中(zhong)廣泛應用的(de)狄拉(la)克(ke)δ函數。延(yan)續(xu)狄拉(la)克(ke)在(zai)1939年(nian)的(de)文章,1939年(nian)他在(zai)此書(shu)第三版(ban)中(zhong)加入了他的(de)數學(xue)(xue)符號系(xi)統(tong)——狄拉(la)克(ke)符號。直到(dao)今(jin)天(tian),狄拉(la)克(ke)符號仍然是(shi)最廣泛使用的(de)一套(tao)量(liang)子(zi)(zi)力(li)(li)學(xue)(xue)符號系(xi)統(tong)。
1932年(nian)狄(di)拉克(ke)接替約瑟夫·拉莫爾擔任劍橋大學盧(lu)卡斯數學教授。1933年(nian)狄(di)拉克(ke)與薛定諤(e)共(gong)同(tong)獲得諾(nuo)貝爾物理獎。他卻對盧(lu)瑟福(fu)說,他不想出(chu)名,他想拒絕這(zhe)個榮(rong)譽(yu)。盧(lu)瑟福(fu)對他說:“如(ru)果你這(zhe)樣(yang)做,你會(hui)更(geng)(geng)出(chu)名,人家(jia)更(geng)(geng)要來麻煩你。” 1933年(nian)12月12日,狄(di)拉克(ke)在斯德哥爾摩發表了諾(nuo)貝爾獎得獎演說,題目為“電子(zi)(zi)與正(zheng)電子(zi)(zi)的理論”。
1931年(nian)在(zai)一篇“量(liang)子化電磁(ci)(ci)場中(zhong)的(de)(de)奇(qi)點”的(de)(de)文章中(zhong),狄(di)拉克探討了磁(ci)(ci)單(dan)(dan)極(ji)這個想(xiang)法。1933年(nian),延續了其1931年(nian)的(de)(de)論文,狄(di)拉克證明了單(dan)(dan)一磁(ci)(ci)單(dan)(dan)極(ji)的(de)(de)存(cun)(cun)在(zai)就足以解釋(shi)(shi)電荷的(de)(de)量(liang)子化。在(zai)1975年(nian)、1982年(nian)以及(ji)2009年(nian)都(dou)有研(yan)究結果(guo)指出磁(ci)(ci)單(dan)(dan)極(ji)可能存(cun)(cun)在(zai)。但到目前(qian)為(wei)止,仍沒(mei)有磁(ci)(ci)單(dan)(dan)極(ji)存(cun)(cun)在(zai)的(de)(de)直接證據。即使如此,某(mou)些大統一理(li)論仍包含磁(ci)(ci)單(dan)(dan)極(ji),用(yong)于解釋(shi)(shi)宇宙結構的(de)(de)形成。狄(di)拉克的(de)(de)磁(ci)(ci)單(dan)(dan)極(ji)是(shi)第(di)一次將拓樸學(xue)的(de)(de)概念用(yong)于處理(li)物理(li)問題(ti)。
在(zai)(zai)1937年,狄(di)拉(la)克提出了(le)(le)大(da)數(shu)假(jia)說。他比(bi)較了(le)(le)兩個不帶量(liang)綱的量(liang)值:基(ji)本(ben)作(zuo)用力(li)(li)(li)(在(zai)(zai)此為(wei)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)與電磁力(li)(li)(li))的比(bi)值與宇宙年齡的尺度,發(fa)現(xian)兩者(zhe)皆落在(zai)(zai)約39個數(shu)量(liang)級。狄(di)拉(la)克猜測這(zhe)可能(neng)并(bing)非巧合,兩者(zhe)或許(xu)存在(zai)(zai)某種關聯性(xing)。參考了(le)(le)愛(ai)德華·亞瑟(se)·米爾(er)恩的理(li)論,允(yun)許(xu)引(yin)(yin)力(li)(li)(li)常數(shu)隨時(shi)間改變。基(ji)于這(zhe)些假(jia)設,他設計(ji)了(le)(le)一(yi)個自己的宇宙學的模型。