Paul Dirac kimdir ve ne yapmıştır? Paul Dirac hayatı, fizik ve kuantum alanındaki çalışmaları, antimaddeyi keşfi, Dirac denkleminin keşfi hakkında bilgi.
Paul Dirac
Paul Dirac, tarihteki en büyük teorik fizikçilerden biriydi. Şaşırtıcı Dirac Denklemi ile kuantum mekaniğini tamamen yeniden şekillendirdi.
Dirac Denklemi elektronların davranışını açıkladı ve antimadde varlığını önceden gösterdi. Dirac, bir zamanlar boş alan olduğuna inandığımız şeyin aslında kısa ömürlü parçacık-antipartikül çiftleri ile çalkalandığını ortaya çıkaran vakum polarizasyonunun varlığını da çıkardı.
Dirac, atomlar içinde ışığın fotonlarının yaratılmasını ve yok edilmesini açıklayan kuantum elektrodinamiğini kurdu ve onun Lagrange kuantum mekaniği formülasyonu, Richard Feynman’ın yol integrallerine yol açtı.
Dirac, evrende bir yerde bir manyetik monopol varsa elektrik yükünün nicemlenmesinin doğal olarak gerçekleştiğini gösterdi. Ayrıca bir prototip sicim teorisi yarattı.
Hayatı
Paul Adrien Maurice Dirac, 8 Ağustos 1902’de İngiltere’nin Bristol kentinde doğdu.
Babası, İsviçre’den Birleşik Krallık’a göç etmiş bir okul öğretmeni ve özel öğretmen olan Charles Dirac’tı. Annesi eski bir kütüphaneci olan Florence Holten’di. İsmini, babasının tanıştığı ve hayran kaldığı Florence Nightingale‘den almıştır.
Mutsuz Aile
Paul’un mutsuz bir çocukluğu vardı. Ailesi birbirlerinden hoşlanmıyordu ve evlerinde sık sık gerilim vardı.
Paul, hayatının çok erken saatlerinde babasının sadece Fransızca konuşurken, annesinin sadece İngilizce konuştuğunu fark etti. Hiç kimse evlerini ziyaret etmedi ve bir süre Paul erkeklerin ve kadınların farklı dilleri konuştuğuna inanıyordu!
Paul babasının isteksiz yoldaşıydı. Babasının Paul’ün Fransızca konuşması konusundaki baskıları ve hatalarına olan tahammülsüzlüğü Paul için yemek saatlerini eziyete çevirmişti. Paul zalim babasını hor gördü ve daha sonraki yaşamında herhangi bir yerde Fransızca konuşmayı reddetti.
Eğitimi
Paul’ün ilk okulu Piskopos Yolu İlköğretim Okulu’ydu.
12 yaşında liseye başladı – Merchant Venturers ‘Teknik Koleji, babasının Fransızca öğrettiği.
Bristol Üniversitesi
Eylül 1918’de 16 yaşında olan Paul Dirac, Bristol Üniversitesi’nde elektrik mühendisliği alanında bir derece kursuna başladı. 1921’de birinci sınıf onur derecesi ile mezun oldu. Matematiksel yetenekleri olağanüstü idi.
Mühendislik derecesini tamamladıktan sonra Dirac, Cambridge Üniversitesi’nde matematik eğitimi almayı umuyordu, ancak kendisine sunulan burs yetersizdi.
Bunun yerine, Bristol Üniversitesi’nde ücretsiz olarak devam etti ve iki yıllık bir eğitimden sonra 21 yaşında matematik birinci sınıf onur derecesi ile mezun oldu.
Bristol’de aldığı derslerden biri projektif geometriydi. Sadece birkaç yıl sonra projektif geometri, onun en muhteşem sonuçlarından bazılarını kuantum mekaniğinde elde etmesine yardımcı oldu.
Cambridge Üniversitesi
21 yaşında, 1923 yılında Dirac, genel görelilik ve kuantum mekaniğini araştırdığı Cambridge’de yüksek lisans okulu için evini terk etti.
Matematiksel fizikçi doktora danışmanı Ralph Fowler, Dirac’ı Niels Bohr’un yeni atom modeline tanıttı. Bohr’un modelinde, elektronlar çekirdeğin etrafındaki tanımlanmış dairesel yörüngelerle sınırlıydı. Bir elektronun herhangi bir enerjisi olamazdı. Sadece işgal ettiği yörünge tarafından tanımlanan özgül enerjiye sahip olabilirdi.
Bir elektron yüksek bir enerji yörüngesinden daha düşük bir yörüngeye düşerse, enerjiyi ışık olarak serbest bırakır. Benzer şekilde, gelen ışık bir elektronun daha yüksek bir enerji yörüngesine atlamasına neden olduğunda, bu ışık atom tarafından emilir.
Bir elektron, daha yüksek bir enerji yörüngesinden daha düşük bir enerji yörüngesine düşünce, enerji, ışığın fotonu olarak açığa çıkar.
Dirac daha sonra Bohr’un teorisinden daha iyi deneylerle aynı fikirde olan Arnold Sommerfeld’in çalışmalarını öğrendi. Johannes Kepler tarzında Sommerfeld dairesel elektron yörüngelerini eliptik yörüngelerle değiştirmişti.
1924’ün sonunda Dirac, kuantum teorisine tamamen hakim olmuştu, ancak estetiğinden memnun değildi. Einstein’ın ona matematiksel olarak güzel olan genel görelilik teorisini incelemişti ve Bohr’un teorisinin yerine eşit derecede güzel bir şeye ihtiyaç duyulduğuna inanıyordu.
Heisenberg’den Tuhaf Bir Kağıt
Eylül 1925’te Fowler, Dirac’tan Werner Heisenberg adında genç bir fizikçiden aldığı yayınlanmamış bir kağıt hakkındaki görüşünü istedi.
Heisenberg bir çizgide ileri geri hareket etmekle sınırlı bir elektron hayal etmişti. Elektronun daha yüksek bir enerji seviyesine atlama olasılığı bir sayı ile değil, bir sayı dizisiyle – bir matrisle temsil edildi.
Heisenberg’in matrislerinin hesaplayamayacağı bir mülkü vardı: çarpılma sırasını değiştirdiyseniz, farklı bir sonuç elde edersiniz. Biraz 5 x 4’ün 4 x 5’ten farklı olduğunu bulmak gibi. Matematiksel jargonda Heisenberg, sayı dizilerinin değişmediğini buldu.
Ayrıca Bohr’un elektron yörüngelerinin zihinsel bir resmini elde etmek kolay olduğu yerde, Heisenberg’in teorisi tamamen matematikseldi; görselleştirme ihtimali yoktu.
Değişmeyen, görselleştirilemeyen yönler rahatsız edici olsa da, Heisenberg’in heyecan verici keşfi, matrislerinin gözlemlenen deneysel rakamlardan atom teorisi geliştirmenin bir yolunu sunmasıydı.
Bir yıldız doğuyor
Heisenberg, bu ifadelere aşina değildi. Bununla birlikte Dirac, Heisenberg’den daha fazla matematiksel yöntemler biliyordu.
Heisenberg’in makalesini okuduktan yaklaşık bir ay sonra, Dirac AB ≠ BA sorusunu kuantum mekaniğinde araştırıyordu. Kendisine AB eksi BA miktarını sordu. Poisson köşeli ayraç olarak adlandırılan bir şeyi hatırladı. Heisenberg’in çalışmalarından daha derin bir anlam çıkarmanın anahtarı buydu.
Kasım ayı başlarında neredeyse 24 saat çalışan Dirac, Kuantum Mekaniğinin Temel Denklemleri adlı bir makale yazmıştı.
Heisenberg’lere tamamen farklı bir yaklaşım benimseyen Dirac, kuantum mekaniğini Isaac Newton’un klasik mekaniği ile bağlantılarını netleştirecek şekilde sundu. Nezaketle, makalesinin bir kopyasını Werner Heisenberg’e gönderdi.
Dirac’ın makalesinin Kraliyet Cemiyeti tarafından yayınlanması sadece üç hafta sürdü.
Heisenberg ve Dirac ömür boyu arkadaş oldular.
Dirac artık büyük bir oyuncu olarak tanındı. Doktorasını tamamlamamıştı, ancak şimdi diğer Cambridge öğrencilerine ve profesörlerine kuantum mekaniğindeki son gelişmeler hakkında dersler veriyordu.
Kendi başına çalışarak Almanya’daki Göttingen’de ve Danimarka’daki Niels Bohr’un Enstitüsü’nde parlak bilim adamları ekipleriyle yarıştı.
Çirkin Bir Uyuşmazlık ve Doktora
Ve sonra Erwin Schrödinger, kuantum mekaniğinin alternatif bir görünümü olan dalga mekaniği ile sahneye girdi. Sonuçları sadece deneylerle eşleşmekle kalmadı, aynı zamanda Bohr’un eski kuramı tarafından önerilenden daha az olsa da, bilim adamlarının bir dereceye kadar görselleştirme elde etmelerine izin verdi.
Heisenberg, Schrödinger’in görselleştirmesinin estetik olarak “iğrenç” olduğunu düşünüyordu. Schrödinger, Heisenberg’in görselleştirilemez teorisine saygısızdı.
Dirac tezini yazdı ve doktorasını aldı. Haziran 1926’da 23 yaşındaydı.
Doğru Dil
Dirac, kuantum mekaniğinin dilinin İngilizce olmadığına inanıyordu. Kuantum mekaniğini açıklayabilen tek dil matematikti. Kuantum davranışının kelime açıklamaları başarısızlığa uğramış veya en iyi ihtimalle zayıf yaklaşımlardı.
Kopenhag ve Göttingen
Doktora çalışmasıyla Dirac, dünyanın kuantum mekaniği merkezlerinde (Kopenhag ve Göttingen) çalışmak için 1927 başında Cambridge’den ayrıldı.
Dirac ve Kuantum Elektrodinamiği
Genellikle QED olarak kısaltılan kuantum elektrodinamiği, ışığın ve maddenin kuantum etkileşimini tanımlar.
Dirac, 1927 tarihli QED’i Radyasyon Emisyonu ve Emilimi Kuantum Teorisi ile başlattı. Yeni teorisi, daha önce ışık dalgasının ve ışık kuantumunun ayrı fenomenlerini birleştirdi.
Bir atom bir fotonu emdiğinde, ışığın evrenden kaybolması gerçeğini başarıyla ele alan ilk teoridir; ve bir atom ışığı serbest bıraktığında, evrende bir foton görünür. Daha önce hiçbir teori fotonlar gibi kuantum nesnelerin yaratılmasını ve yok edilmesini açıklamamıştı. Dirac, atomların kendilerine enerji verilirse, gerçek fotonlar olarak serbest bırakılabilecek sonsuz bir sıfır enerjili foton kaynağı içeren bir evreni resmetmiştir.
Dirac Denklemi
Ekim 1927’de Cambridge’e dönen Dirac, elektron davranışına çok odaklandı. Heisenberg ve Schrödinger kuantum mekaniği, yavaş hareket eden elektronlar için mükemmel bir şekilde çalıştı, ancak ışık hızının önemli kısımlarında seyahat eden elektronlar için başarısız oldu.
Dirac şimdi, her şeyi kapsayan bir elektron teorisi oluşturmak için kuantum mekaniğini Einstein’ın özel görelilik teorisi ile birleştirmeye çalıştı.
Schrödinger’ın dalga denklemi ile başladı. Haftalarca denklemler, matrisler ve görelilikle oynadı, zamanı kuantum değişkeni olarak ele aldı. Yavaş yavaş, bulanık, puslu kuantum dünyasını elektronun matematiksel bir tanımını ortaya çıkarmak için kandırdı.
Aralık ayının başında Dirac, harika güzellikte ve büyük güç denklemi yarattı – elektronun göreli teorisinin temel dalga denklemi – Dirac Denklemi.
Dirac denkleminin matematiksel sembolleri elektronu yarattı. Elektronun spin ve manyetik alanı doğal olarak denklemden ortaya çıktı.
Şubat 1928’in başlarında Dirac’ın Elektron Kuantum Teorisi makalesi Kraliyet Cemiyeti tarafından yayınlandı. Tüm dünyadaki fizikçiler şaşkınlık ve hayranlık içinde baktılar.
Dirac’ın Elektronun Kuantum Teorisi yaygın olarak yazılan en büyük fizik makalelerinden biri olarak kabul edilmektedir.
Dirac Denklemi Karşımaddeyi Tahmin Ediyor
Dirac ve diğerleri, yeni denkleminin bir yönüyle şaşkına döndü – beklenen elektron durumlarının iki katını üretti. İlk başta, Dirac saçma görünen bu sonucu reddetti: Mayıs 1931’de, diğer seçenekler tükendiğinde, Dirac antimaddenin varlığını önceden haber verdi. Makalesi Eylül 1931’de yayınlandı.
Ve böylece ilk olarak Dirac denkleminin matematiksel sembollerinde görülen tuhaf bir parçacık, gerçek bir parçacık olarak – ortaya çıktı ki, günümüzde hastanelerde pozitron emisyon tomografisi ile kanserleri tespit etmek için kullanılan bir parçacık ortaya çıktı.
1932’de California Teknoloji Enstitüsü’nden Carl Anderson, bulut odası deneylerinde Dirac’ın pozitif yüklü elektronunu keşfetti.
Dirac’ın anti-elektronu şimdi pozitron olarak adlandırılıyor.
Kuantum Mekaniğinin Gurusu
1930’da Dirac, Kuantum Mekaniğinin Prensipleri adlı kitabını tamamladı. Konunun öğrencileri için temel çalışma haline geldi.
Albert Einstein bile kuantum problemi varsa “Dirac’ım nerede?” Diye haykırdı.
1932’de 30 yaşında olan Dirac, bir zamanlar Isaac Newton tarafından düzenlenen Cambridge’in Lucasian Matematik Başkanlığına atandı.
Nobel Ödülü
Dirac ve Schrödinger, 1933 Nobel Fizik Ödülü’nü “atom teorisinin yeni üretken biçimlerinin keşfi için” paylaştılar.
Dirac, doğada var oldukları gözlemlenirse, kuantum fiziği için ilginç etkileri olan manyetik monopollerin varlığını da kabul etti. Bugüne kadar değiller, ancak çalışmaları fizikçilere onları aramaları için ilham vermeye devam ediyor.
Paul Dirac, 20 Ekim 1984’te Florida, Tallahassee’de 82 yaşında öldü. Tallahassee’nin Roselawn Mezarlığına gömüldü. Eşi Margit, 2002 yılında ölümünden sonra yanına gömüldü.