Paul Dirac

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Paul Dirac 1933

Paul Adrien Maurice Dirac(*8. August1902inBristol;†20. Oktober1984inTallahassee) war ein britischerPhysiker.

Dirac war ein Mitbegründer derQuantenmechanik.1933 wurde er mit demNobelpreis für Physikausgezeichnet. Eine seiner wichtigsten Entdeckungen ist in derDirac-Gleichungvon 1928 beschrieben, in der EinsteinsSpezielle Relativitätstheorieund die Quantenmechanik erstmals zusammengebracht werden konnten. Damit legte er auch die Grundlagen für den späteren Nachweis vonAntimaterie.

Leben

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Dirac wurde inBristol,Gloucestershire,Englandgeboren. Sein Vater Charles Dirac war Schweizer mit Wurzeln im französischsprachigenSaint-MauriceimWallis;er unterrichtete in Bristol an Diracs Schule das Fach Französisch. Seine Mutter, Florence Holten, war die Tochter eines Seemanns ausCornwall.Seine Kindheit war infolge des strengen und autoritären Verhaltens des Vaters unglücklich – sein Bruder Felix nahm sich im März 1925 das Leben.[1]

Dirac studierte zunächst 1921ElektrotechnikinBristol,wechselte dann zur Mathematik und bekam 1923 ein Stipendium für dieUniversität Cambridge,wo er beiRalph Howard Fowlerstudierte. 1926 schloss er das Studium mit einer Dissertation zurQuantenmechanikab.

Paul Dirac mit seiner Frau Margit
Juli 1963 in Kopenhagen

Von 1932 bis 1969 war Dirac Professor desLucasischen Lehrstuhls für Mathematikan derUniversität Cambridge.1934 war er am neu gegründetenInstitute for Advanced Study(in Princeton, New Jersey, aber getrennt von der Universität) als Gastprofessor tätig. 1937 heiratete er Margit Wigner (1904–2002), die Schwester des PhysikersEugene Wigner.Margit Wigner brachte dabei aus einer früheren Ehe einen Sohn mit und somit wurde der MathematikerGabriel Andrew DiracDiracs Stiefsohn. Während desZweiten Weltkriegsarbeitete Dirac anGaszentrifugenzur Urananreicherung. Ab 1970 war er an derFlorida State UniversityinTallahasseein Florida tätig.

Leistungen

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1925 fand Paul Dirac in seiner Dissertation die klassische Entsprechung der neuen quantenmechanischenKommutatorenvonHeisenberg,BornundJordanin Form derPoisson-Klammernder klassischen Mechanik. 1926 entwickelte er eine abstrakte Fassung derQuantenmechanik(„Transformationstheorie “), die dieMatrizenmechanikHeisenbergs und dieWellenmechanikSchrödingersals Spezialfälle enthielt. Somit konnte er unabhängig von Schrödinger die Äquivalenz beider Theorien zeigen. Die klassischeMechanikergibt sich in seiner Theorie als Spezialfall der Quantenmechanik. Von Dirac stammt auch die Einführung desWechselwirkungsbilds,das für die Berechnung der zeitlichen Entwicklung zwischen dem Schrödinger- und dem Heisenberg-Bild liegt.

Paul Dirac an der Tafel

1928 stellte er auf Grundlage der Arbeit vonWolfgang Pauliüber dasAusschließungsprinzipdie nach ihm benannteDirac-Gleichungauf,[2]bei der es sich um eine relativistische, also auf derspeziellen RelativitätstheorieberuhendeWellengleichung1. Ordnung zur Beschreibung desElektronshandelt. Dirac fand sie, indem er von der relativistischen Wellengleichung 2. Ordnung vonCharles Galton Darwinausging (einer Weiterentwicklung derKlein-Gordon-Gleichung) und ein wenig mit „Gleichungen herumspielte “, das heißt, er suchte einen Ansatz für eine entsprechende Gleichung 1. Ordnung, die sich nur mit dem Einführen vonSpinorenund Dirac-Matrizen gewinnen ließ und deren „Quadrat “wieder die relativistische Wellengleichung ergibt. Sie lieferte z. B. eine theoretische Erklärung für den anomalenZeeman-Effektund dieFeinstrukturin der Atomspektroskopie und erklärte denSpin,der bis dahin in der Quantenmechanik als grundlegendes, aber unverstandenes Phänomen bekannt war, als natürliche Folge seiner relativistischen Wellengleichung.

Seine Gleichung erlaubte es Dirac auch, dieLöchertheoriezu formulieren und die Existenz desPositrons,desAntiteilchensdes Elektrons, vorherzusagen (er scheute aber zunächst vor der öffentlichen Postulierung eines neuen Teilchens zurück und identifizierte das negative Antiteilchen des Elektrons mit dem Proton).[3]Das Positron wurde darauf1932vonCarl David Andersonals neues Teilchen inkosmischer Strahlungnachgewiesen. ImDirac-Bildder Quantenfeldtheorie besteht das Vakuum in Analogie zur Festkörperphysik aus einem bis zurFermigrenzegefülltenDirac-Seevon Elektronen. Paarerzeugung im Vakuum ist die Anregung eines Elektrons aus diesem Dirac-See über die Fermigrenze hinaus – das hinterlassene „Loch “in dem Diracsee ist das Positron.

Sein 1930 veröffentlichtes BuchThe Principles of Quantum Mechanics(deutschDie Prinzipien der Quantenmechanik,1930) war wegbereitend für den Gebrauch vonlinearen Operatorenals Verallgemeinerung der Theorien von Heisenberg und Schrödinger („Transformationstheorie “). Mit ihr wurde auch dasDeltafunktional(eine spezielleDistribution,auch Diracfunktion oder Deltafunktion genannt) sowie dieBra-Ket-Notationverwendet, in dereinen Zustandsvektor imHilbertraumeines Systems bezeichnet undden zu ihm dualen Vektor. Das oben genannte Lehrbuch blieb bis heute ein Standardwerk und war in Diracs Augen so perfekt, dass er in seinen Vorlesungen einfach daraus vorlas.

Dirac schuf den Begriff desBosonsin Anerkennung der Verdienste vonSatyendra Nath Boseum dieQuantenstatistik.Er entdeckte unabhängig vonEnrico Fermidie Statistik der Fermionen (Fermi-Dirac-Statistik), erkannte aber die Priorität Fermis an.

1931 postulierte er als erster die Existenz einesmagnetischen Monopols,[4]also eines Teilchens mit magnetischer Ladung, ähnlich der elektrischen Ladung z. B. beim Elektron. Die Existenz eines solchen Teilchens, das bisher nicht beobachtet wurde, würde die Quantisierung der elektrischen Ladung erklären. Dahinter stecken letztlich topologische Ideen, die hier erstmals in der Quantenmechanik auftauchen.

In seiner „Large number hypothesis“versucht Dirac – plausibler als ähnliche VersucheEddingtons– einen Zusammenhang zwischen der Größe der Fundamentalkonstanten und der gegenwärtigen Ausdehnung des Universums zu geben.[5]Daraus ergeben sich Spekulationen über die zeitliche Variation der Naturkonstanten, denen bis heute experimentell nachgegangen wird. Diracs großer Konkurrent auf dem Gebiet quantenmechanischer Formalismen,Pascual Jordan,griff diese Ideen in einer eigenen Theorie der Gravitation mit variabler Gravitationskonstante auf.

In seiner Untersuchung der klassischen Theorie strahlender Elektronen von 1938 tauchten neben „runaway solutions “auch erstmals Renormierungsideen auf.[6]Das Auftreten divergenter Ausdrücke in der üblichen Renormierungstheorie der Quantenelektrodynamik, die dann in die Definition der „nackten “Ladung und Masse zum Verschwinden gebracht werden, lehnte er aber zeitlebens ab.

Paul Dirac, Wolfgang Pauli undRudolf Peierls,1953 in Birmingham

Dirac ist auch der Erfinder vieler weiterer Formalismen der theoretischen Physik. Beispielsweise stammt von ihm die ursprüngliche Idee zuPfadintegralen,[7]die als alternativer Zugang zur Quantenmechanik aber erst durchRichard Feynman„ernst genommen “und ausgebaut wurden. In einer Arbeit aus dem Jahre 1949 erfand er die „light cone quantization “(Lichtfrontformalismus) der Quantenfeldtheorie,[8]die in der Hochenergiephysik viel verwendet wird. In den 1950er Jahren versuchte Dirac dann, den von ihm postuliertenDirac-Seeals universellenÄtherauszulegen.[9][10][11]

Er untersuchte auch ganz allgemein hamiltonsche Systeme mit „constraints “(Zwangsbedingungen), speziell um einen Zugang zur Quantisierung der Gravitation zu finden. Diese Arbeiten gingen später in derBRST-Formulierung auf. Seine Untersuchung ausgedehnter Systeme in der Quantenfeldtheorie 1962[12]ist ein Vorläufer der p-branes und bag-Modelle späterer Jahre.

Persönlichkeit

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Dirac war von zurückhaltender Natur. Es machte ihm nichts aus, in Gesellschaft zu schweigen und auf Fragen nur sehr wortkarge, einer strikten Wahrheitsliebe verpflichtete Antworten zu geben, wovon zahlreiche Anekdoten verbreitet waren.

Dirac war überzeugterAtheist.Auf die Frage nach seiner Meinung zu Diracs Ansichten bemerkteWolfgang Pauliin Anspielung auf das islamische Gottesbekenntnis:

„Wenn ich Dirac richtig verstehe, meint er Folgendes: Es gibt keinen Gott und Dirac ist sein Prophet. “

Ehrungen

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Grabstätte von Paul Dirac und seiner Frau Margit auf demRoselawn Cemetery,Tallahassee,Florida
Gedenkplatte aus grünem Schiefer in derWestminster Abbey

Im Jahr 1933 erhielt Dirac zusammen mitErwin SchrödingerdenNobelpreis für Physik„für die Entdeckung einer neuen, nützlichen Form derAtomtheorie“.1930 wurde er als Mitglied („Fellow“) in dieRoyal Societygewählt, die ihm 1939 dieRoyal Medalund 1952 dieCopley-Medailleverlieh. 1931 wurde er in dieAkademie der Wissenschaften der UdSSR,1938 in dieAmerican Philosophical Society,1946 in dieRoyal Society of Edinburgh,1949 in dieNational Academy of Sciencesund 1950 in dieAmerican Academy of Arts and Sciencesgewählt. 1952 wurde er mit derMax-Planck-Medailleausgezeichnet. 1958 wurde er in dieAccademia Nazionale dei Linceiin Rom aufgenommen; im gleichen Jahr erfolgte auch die Wahl zum Mitglied derLeopoldina.1963 wurde er Mitglied (associé étranger) derAcadémie des sciences.Außerdem verlieh ihm die britische Krone denOrder of Merit.

Ihm zu Ehren wird dieDirac-Medaille (ICTP)an Wissenschaftler für herausragende Leistungen verliehen und ebenso dieDirac Medal (UNSW)und dieDirac-Medaille (IOP).Nach Paul Dirac ist auch derAsteroid(5997) Diracbenannt.[13]

Er liegt in Tallahassee begraben, es erinnert aber seit November 1995 ein Stein im Fußboden der Westminster Abbey nahe Newtons Grab an ihn, auf dem auch die Dirac-Gleichung eingemeißelt ist.[14]Der Dean von Westminster Abbey Michael Mayne hatte sich dem lange widersetzt, da Dirac bekennender Atheist war.[15]

Siehe auch

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Werke

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  • The Principles of Quantum Mechanics,Oxford: Oxford University Press, 1958,ISBN 0-19-852011-5(zuerst 1930, ab 3. Auflage 1947 bra-ket Notation, 4. Aufl.1957)
  • Lectures on quantum mechanics1966
  • General Theory of Relativity,Princeton: Landmarks in Physics, 1996,ISBN 0-691-01146-X(zuerst 1975)
  • Directions in physics,1978 (Vorlesungen Australien 1975)
  • Dalitz (Hrsg.)Collected Works of P.A.M.Dirac (1924–1938),Cambridge 1996

Einige Aufsätze:

  • The fundamental equations of quantum mechanics,Proceedings Royal Society, Band 109, 1925, S. 642.doi:10.1098/rspa.1925.0150(Zusammenhang klassischer Poisson-Brackett mit quantenmechanischer Kommutator)
  • Physical interpretation of quantum dynamics,Proceedings of the Royal Society,Band 113, 1927, S. 621 (Transformationstheorie, seine allgemeine Formulierung der Quantenmechanik)
  • On the theory of quantum mechanics,Proceedings of the Royal Society Band 112, 1926, 661 (Fermi-Dirac und Bose-Statistik)
  • Quantum theory of emission and absorption of radiation(zweite Quantisierung, Grundlagen Quantenfeldtheorie)
  • The quantum theory of the electron(PDF; 685 kB) Proceedings or the Royal Society Band 117, 1928, S. 610–624, Band 118, S. 351 (Diracgleichung, spin)
  • A theory of electrons and positrons,Proceedings of the Royal Society, Band 126, 1930, 360 (Löchertheorie)
  • Quantized singularities of the electromagnetic field(Mementovom 19. Februar 2008 imInternet Archive), Proc.Roy.Soc. Band 133, 1931, S. 60 (magnetisches Monopol, Vorhersage Positron)
  • Proceedings Cambridge Philosophical Society, Band 35, 1939, S. 416 (erstmals bra-ket Notation)
  • Proceedings Cambridge Philosophical Society, Band 25, 1929, S. 62 (Dichtematrix, weniger abstrakt als beiJohn von Neumann)

Literatur

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Commons:Paul Dirac– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wikiquote: Paul Dirac– Zitate

Schriften

Video

Audio

Einzelnachweise

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  1. ↑Graham Farmelo:Der seltsamste Mensch – Das verborgene Leben des Quantengenies Paul Dirac.2. Auflage. Springer, Heidelberg 2009,ISBN 978-3-662-56578-0,S.79,doi:10.1007/978-3-662-56579-7(englisch:The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Quantum Genius.Übersetzt von Reimara Rössler).
  2. ↑P.A.M. Dirac:The quantum theory of the electron.In:Proceedings or the Royal Society,Band 117, 1928, S. 610, Band 118, S. 351
  3. ↑Dirac. In:Proc. Roy. Soc.,A, 126, 1929, S. 360.Nature,Band 126, 1930, S. 605. Dirac meinte später, damals ging man allgemein davon aus, Elektron und Proton wären die einzigen Elementarteilchen.Robert Oppenheimer,Igor TammundHermann Weylkritisierten die Identifikation schon 1930 und auch Dirac wandte sich 1931 davon ab und postulierte ein neues Teilchen (Proc. Roy. Soc. A 133, 1931, S. 60). Der Name Positron taucht zuerst 1933 in einer Arbeit von Carl Anderson auf (Physical Review, Band 43, S. 491). Abraham PaisPaul Dirac. Aspects of his life and work,S. 15f, in Pais u. a.Paul Dirac,Cambridge University Press 1998
  4. ↑Proceedings or the Royal Society,A, Band 133, S. 60.Physical Review,Band 74, 1948, S. 817
  5. ↑Nature,Band 139, 1937, S. 323
  6. ↑Proceedings Roal Society,Band 167, 1938, S. 148
  7. ↑Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion,Band 3, 1933, S. 64
  8. ↑Reviews of modern physics
  9. ↑P.A.M. Dirac:Is there an Aether?In:Nature,Band 168, 1951, S. 906–907.
  10. ↑P.A.M. Dirac:The Stellung des Aethers in the Physik.In:Naturwissenschaftliche Rundschau,6, 1953, S. 441–446
  11. ↑P.A.M. Dirac:Quantum mechanics and the aether.In:The Scientific Monthly,78, 1954, S. 142–146
  12. ↑Proceedings Royal Society,A, Band 268, S. 57
  13. ↑5997 Dirac (1983 TH9)JPL Small-Body Database Browser
  14. ↑Westminster Abbey, Dirac
  15. ↑Blog des Dirac-Biographen Graham Farmelo
Personendaten
NAME Dirac, Paul
ALTERNATIVNAMEN Dirac, Paul Adrien Maurice (vollständiger Name)
KURZBESCHREIBUNG britischer Physiker, Nobelpreisträger und Mitbegründer der Quantenphysik
GEBURTSDATUM 8. August 1902
GEBURTSORT Bristol
STERBEDATUM 20. Oktober 1984
STERBEORT Tallahassee,Florida, USA
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