保(bao)羅(luo)·狄(di)拉(la)(la)克(ke),1902年8月(yue)8日出生在英格(ge)蘭西南部的(de)(de)(de)布里斯(si)(si)托,成長在畢曉(xiao)普斯(si)(si)頓區的(de)(de)(de)城市(shi)。他的(de)(de)(de)父親(qin),查爾(er)(er)(er)斯(si)(si)·埃卓(zhuo)恩(en)·拉(la)(la)迪斯(si)(si)拉(la)(la)斯(si)(si)·狄(di)拉(la)(la)克(ke),是(shi)(shi)一(yi)(yi)個曾(ceng)(ceng)在布里斯(si)(si)托教書的(de)(de)(de)法(fa)文老師(shi),從(cong)瑞士(shi)瓦萊州的(de)(de)(de)圣(sheng)莫里斯(si)(si)移民到英國。他的(de)(de)(de)母親(qin),佛羅(luo)倫斯(si)(si)·漢娜·狄(di)拉(la)(la)克(ke)原姓霍(huo)爾(er)(er)(er)滕是(shi)(shi)一(yi)(yi)位船長的(de)(de)(de)女兒(er),曾(ceng)(ceng)在布里斯(si)(si)托中央圖書館擔任(ren)圖書管(guan)理員。保(bao)羅(luo)有一(yi)(yi)個妹妹,叫阿特麗斯(si)(si)·伊莎貝(bei)(bei)爾(er)(er)(er)·瑪格(ge)麗特,大(da)家稱她(ta)為貝(bei)(bei)蒂,還有一(yi)(yi)個哥(ge)哥(ge),雷金納德·查爾(er)(er)(er)斯(si)(si)·費利克(ke)斯(si)(si),大(da)家叫他費利克(ke)斯(si)(si)。費利克(ke)斯(si)(si)在1925年3月(yue)自殺。狄(di)拉(la)(la)克(ke)后來(lai)回憶(yi)說(shuo):“我的(de)(de)(de)父母非常痛心。我不知道(dao)他們這(zhe)么在乎...我從(cong)來(lai)不知道(dao)父母應該照(zhao)顧自己(ji)的(de)(de)(de)孩子(zi),但自從(cong)這(zhe)件(jian)事后,我了解這(zhe)件(jian)事。”
查(cha)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(guo)籍,直到1919年(nian)10月22日才歸化為英國(guo)籍。狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)的(de)(de)(de)父(fu)親(qin)雖然他(ta)(ta)不贊成體罰,但(dan)卻是一個嚴格(ge)和專(zhuan)制的(de)(de)(de)人(ren)。狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)與他(ta)(ta)的(de)(de)(de)父(fu)親(qin)的(de)(de)(de)關(guan)系很(hen)緊張,以至于在他(ta)(ta)父(fu)親(qin)死(si)后(hou),他(ta)(ta)寫(xie)道:“我(wo)覺得我(wo)更(geng)自由了(le),我(wo)要做我(wo)自己。”查(cha)爾斯(si)為了(le)使他(ta)(ta)的(de)(de)(de)孩(hai)子學(xue)習法(fa)語(yu),強迫(po)他(ta)(ta)們只能說法(fa)語(yu)。但(dan)狄(di)拉(la)(la)克(ke)(ke)發現,他(ta)(ta)無法(fa)用法(fa)語(yu)表達他(ta)(ta)想說的(de)(de)(de)話,所以他(ta)(ta)選擇保持(chi)沉默。
狄拉克第(di)一(yi)次受教育是(shi)在(zai)主教路(lu)小學(xue)(xue),然后在(zai)男子(zi)商人(ren)合營技術學(xue)(xue)院(yuan)(后來的(de)(de)考瑟姆學(xue)(xue)校)就讀(du)。他(ta)的(de)(de)父(fu)親在(zai)那里(li)是(shi)一(yi)位法語老師。這所(suo)學(xue)(xue)校是(shi)布里(li)斯托大學(xue)(xue)內的(de)(de)附屬(shu)機構,他(ta)們共享場(chang)地(di)和人(ren)員(yuan)。這所(suo)大學(xue)(xue)強調技術課(ke)程,如瓦工、制鞋、金屬(shu)工作和現代語言。在(zai)當時仍然主要(yao)致力于經(jing)典文(wen)學(xue)(xue)的(de)(de)英(ying)國中等教育里(li),這是(shi)一(yi)個不尋常的(de)(de)安排。后來狄拉克曾對(dui)這些安排表(biao)示感激。
之后狄拉(la)(la)克(ke)在布(bu)里斯托大學工程(cheng)學院(yuan)學習電機(ji)工程(cheng)。盡管最喜歡的科目是數學,狄拉(la)(la)克(ke)后來聲稱工程(cheng)教育對(dui)他影響深遠:
“原先(xian),我(wo)只對完(wan)全正(zheng)確的(de)(de)方(fang)程(cheng)感興趣(qu)。然(ran)而我(wo)所(suo)(suo)接受的(de)(de)工(gong)程(cheng)訓練教(jiao)導我(wo)要容許近似,有時候我(wo)能夠從這(zhe)些理(li)論中發現驚人(ren)的(de)(de)美,即使它是以(yi)近似為基礎(chu)...如(ru)果(guo)(guo)沒有這(zhe)些來(lai)自工(gong)程(cheng)學(xue)(xue)的(de)(de)訓練,我(wo)或(huo)許無(wu)法在后來(lai)的(de)(de)研究作(zuo)出任何成果(guo)(guo)...我(wo)持續在之(zhi)后的(de)(de)工(gong)作(zuo)運(yun)用這(zhe)些不完(wan)全嚴(yan)謹的(de)(de)工(gong)程(cheng)數(shu)學(xue)(xue),我(wo)相信你們可以(yi)從我(wo)后來(lai)的(de)(de)文章中看出來(lai)...那些要求所(suo)(suo)有計算推導上完(wan)全精確的(de)(de)數(shu)學(xue)(xue)家很難在物(wu)理(li)上走(zou)得很遠。”
就在(zai)1921年(nian)獲得學(xue)(xue)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)前(qian)不久(jiu),他(ta)參加了劍橋(qiao)大學(xue)(xue)圣約翰(han)學(xue)(xue)院的(de)(de)(de)(de)入(ru)學(xue)(xue)測驗(yan)。他(ta)通(tong)過入(ru)學(xue)(xue)考試并獲得一(yi)筆70英(ying)(ying)鎊的(de)(de)(de)(de)獎學(xue)(xue)金(jin),然而這不足(zu)以支(zhi)付在(zai)劍橋(qiao)就讀及生(sheng)活所(suo)需的(de)(de)(de)(de)龐大金(jin)額。盡管以第一(yi)級(ji)榮譽工(gong)程學(xue)(xue)士(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)成績(ji)畢業,在(zai)當(dang)時英(ying)(ying)國戰后(hou)經(jing)濟衰退的(de)(de)(de)(de)環境下仍無法找到工(gong)程師的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)。因此,他(ta)選擇接(jie)受免(mian)學(xue)(xue)費攻讀布里斯(si)托(tuo)大學(xue)(xue)數(shu)學(xue)(xue)學(xue)(xue)士(shi)(shi)學(xue)(xue)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)機會。由(you)于已完成的(de)(de)(de)(de)工(gong)程學(xue)(xue)位(wei)(wei),他(ta)被允許抵免(mian)第一(yi)年(nian)的(de)(de)(de)(de)課(ke)程。
1923年(nian)狄拉克(ke)再度(du)以第一級榮譽的成績畢業(ye)并獲得140英鎊的獎(jiang)學金。加(jia)上來自約(yue)翰學院的70英鎊,這筆錢足(zu)夠(gou)他在劍橋居住與求學。
原先(xian),狄拉克(ke)希望研究一直以來(lai)感興趣的相對論,然而在(zai)拉爾夫·福勒的指導下,狄拉克(ke)開始接觸原子理(li)(li)論。福勒將原子理(li)(li)論中(zhong)最新的概念如尼(ni)爾斯·玻(bo)爾等人的理(li)(li)論介紹給了狄拉克(ke),對此狄拉克(ke)曾(ceng)回憶(yi)到:
“還記(ji)(ji)得(de)我(wo)頭一回看到玻爾的(de)理(li)論,我(wo)相當(dang)驚訝...讓人(ren)驚奇(qi)的(de)是在特定的(de)條件(jian)下,我(wo)們居(ju)然能將牛頓定律用在原子里(li)的(de)電(dian)子。第(di)一個條件(jian)是忽略(lve)電(dian)子輻(fu)射,第(di)二(er)則是放入量子條件(jian)。我(wo)仍記(ji)(ji)得(de)很(hen)清楚,玻爾的(de)理(li)論當(dang)時給了我(wo)多大的(de)震撼。我(wo)相信在發展量子力學(xue)上,玻爾引入的(de)這個概念是最大的(de)突破。”
之(zhi)后狄拉(la)克(ke)也(ye)嘗試著將(jiang)玻爾的(de)(de)理(li)論作延伸。1925年(nian)維爾納·海(hai)森(sen)堡(bao)提出了(le)著眼(yan)于(yu)(yu)可觀察的(de)(de)物理(li)量(liang)(liang)的(de)(de)理(li)論,當中牽涉到矩陣相乘的(de)(de)不(bu)可交換性。狄拉(la)克(ke)起初對此并不(bu)特別(bie)欣賞,然而約(yue)莫兩(liang)個(ge)星期之(zhi)后,他(ta)(ta)意識到當中的(de)(de)不(bu)可交換性帶有重要的(de)(de)意義(yi),并且發現(xian)了(le)經典力(li)學(xue)(xue)中泊松(song)括號(hao)與海(hai)森(sen)堡(bao)提出的(de)(de)矩陣力(li)學(xue)(xue)規則的(de)(de)相似之(zhi)處(chu)。基于(yu)(yu)這項發現(xian),他(ta)(ta)得出更明(ming)確(que)的(de)(de)量(liang)(liang)子化規則(即正則量(liang)(liang)子化)。這份名(ming)為《量(liang)(liang)子力(li)學(xue)(xue)》的(de)(de)論文發表于(yu)(yu)1926年(nian),狄拉(la)克(ke)也(ye)憑借這項工作獲得博士(shi)學(xue)(xue)位。
同時埃爾溫·薛定(ding)諤以物質波(bo)的波(bo)方(fang)程提(ti)出(chu)了(le)自己的量子理論。狄拉克很快地發(fa)現到海森(sen)堡與薛定(ding)諤兩人的理論是彼此(ci)互(hu)補(bu)的,并開(kai)始研究起薛定(ding)諤的波(bo)動力學。
1926年9月,在福勒的(de)(de)建議(yi)之下(xia),狄(di)拉(la)克前往位于哥(ge)本(ben)哈(ha)根的(de)(de)尼爾斯·玻爾研究所作了(le)一段(duan)時間(jian)的(de)(de)研究。在哥(ge)本(ben)哈(ha)根的(de)(de)這段(duan)期間(jian),狄(di)拉(la)克持續(xu)量子力學(xue)的(de)(de)研究,發展出了(le)涵蓋波動力學(xue)與(yu)(yu)矩陣力學(xue)的(de)(de)廣義理論。這個方法與(yu)(yu)經典哈(ha)密頓力學(xue)理正則變換相類似,允許使用不同組(zu)的(de)(de)變量基底(di)。此外,為了(le)處理連(lian)續(xu)的(de)(de)變量,狄(di)拉(la)克引入了(le)新的(de)(de)數學(xue)工具—狄(di)拉(la)克δ函(han)數。
狄拉(la)克(ke)也開始研究輻(fu)射(she)理論(lun)。在他(ta)(ta)的(de)文章“吸收和放出輻(fu)射(she)的(de)量子(zi)(zi)理論(lun)”中(zhong)(zhong),他(ta)(ta)運用二次(ci)量子(zi)(zi)化(hua)(hua)的(de)技巧將(jiang)波函(han)數量子(zi)(zi)化(hua)(hua),進一步將(jiang)光子(zi)(zi)輻(fu)射(she)與(yu)玻色(se)-愛(ai)因斯坦統計(ji)連結起來(lai)(lai)。在這(zhe)個方法中(zhong)(zhong),粒(li)子(zi)(zi)集合的(de)量子(zi)(zi)態是(shi)(shi)以其粒(li)子(zi)(zi)在各(ge)能態中(zhong)(zhong)的(de)分布來(lai)(lai)表示,并以粒(li)子(zi)(zi)的(de)創造(zao)與(yu)消滅來(lai)(lai)對量子(zi)(zi)態作改變。狄拉(la)克(ke)展示了(le)兩(liang)種方法是(shi)(shi)等價的(de),將(jiang)電(dian)磁場以光子(zi)(zi)處理或將(jiang)場作量子(zi)(zi)化(hua)(hua)。事(shi)實上,這(zhe)個工作引發了(le)新的(de)物理課題—量子(zi)(zi)場論(lun),而二次(ci)量子(zi)(zi)化(hua)(hua)則成為后來(lai)(lai)量子(zi)(zi)電(dian)動力學的(de)基(ji)礎。
1927年2月(yue)狄(di)拉克(ke)來(lai)到哥廷(ting)根,在此他待(dai)了幾個月(yue)并(bing)結識了赫爾(er)曼·外爾(er)、馬克(ke)斯·玻恩(en)、羅伯特·奧本海默等人(ren)。
二次大戰(zhan)開戰(zhan)之(zhi)(zhi)后,由于缺乏足夠的教職人員,狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)在教學(xue)上(shang)的負(fu)擔加重。另外(wai),他還(huan)必(bi)須指(zhi)(zhi)導(dao)許多研究生(sheng)(sheng)。在之(zhi)(zhi)前,狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)一向試圖避免這類的責任,而(er)更傾向獨自一人作研究。 其中(zhong)的例外(wai)是在1930到(dao)1931年接(jie)手指(zhi)(zhi)導(dao)了福勒的學(xue)生(sheng)(sheng)錢德拉(la)(la)(la)塞卡(ka),以及1935到(dao)1936年因(yin)為馬克(ke)斯·玻恩離開劍(jian)橋(qiao)去(qu)了愛丁堡(bao)而(er)收了兩個(ge)原(yuan)先(xian)玻恩指(zhi)(zhi)導(dao)的學(xue)生(sheng)(sheng)。一生(sheng)(sheng)之(zhi)(zhi)中(zhong),狄(di)拉(la)(la)(la)克(ke)所(suo)指(zhi)(zhi)導(dao)的學(xue)生(sheng)(sheng)不(bu)到(dao)十二人(大部分在1940、50年代)。
戰爭(zheng)期間,狄(di)拉克投(tou)入(ru)研發(fa)同位素分(fen)離(li)法(fa)以取(qu)得鈾235。這(zhe)在(zai)原子(zi)能的(de)應用上是極關(guan)鍵的(de)技(ji)術。他與彼(bi)得·卡皮查嘗試開發(fa)用離(li)心機將氣體混合(he)物分(fen)離(li)的(de)方法(fa),但其實驗后來(lai)因(yin)卡皮查受(shou)困俄(e)國而停擺(bai)。
1941年(nian),狄(di)拉克(ke)與牛津大學法(fa)蘭西斯·西蒙的(de)團隊展開(kai)合作,提(ti)供(gong)了許多(duo)對于統(tong)計方法(fa)的(de)實用(yong)意見。這些方法(fa)在今日人們依(yi)然在使用(yong)。
此外,他還是伯明翰團隊(dui)在計(ji)算臨界質量(liang)上(shang)的非(fei)正式顧問(wen)。
1984年(nian),狄(di)(di)拉(la)克在(zai)佛羅里達州(zhou)塔拉(la)哈西過世,并埋葬于當地的(de)(de)(de)羅斯蘭(lan)公墓。狄(di)(di)拉(la)克童年(nian)在(zai)布里斯托所居住的(de)(de)(de)房(fang)子掛上(shang)了(le)藍色牌匾,房(fang)子所在(zai)的(de)(de)(de)道路(lu)也被命(ming)名(ming)為狄(di)(di)拉(la)克路(lu)以彰顯他與(yu)這個(ge)地區的(de)(de)(de)聯結。當地主教路(lu)小學的(de)(de)(de)墻上(shang)掛上(shang)了(le)一塊牌子,秀出了(le)狄(di)(di)拉(la)克最著名(ming)的(de)(de)(de)狄(di)(di)拉(la)克方程。
1991年(nian)8月1日(ri)(ri),狄拉(la)克(ke)父親家(jia)鄉的圣莫里(li)斯花園(yuan)立起(qi)了紀念石。1995年(nian)11月13日(ri)(ri),一塊以伯靈頓綠色(se)板巖作為原料(liao)并刻上(shang)了狄拉(la)克(ke)方程的紀念石板在西敏寺首次(ci)亮相(xiang)。牧師(shi)團(tuan)長愛德華·卡彭特曾因(yin)狄拉(la)克(ke)是無神論(lun)者而反對此事,其意見被置之(zhi)不理。
1975年(nian),狄拉(la)克(ke)在(zai)新(xin)南威(wei)爾(er)士大(da)學(xue)給(gei)了一系(xi)(xi)列五(wu)個演講(jiang)。這系(xi)(xi)列演講(jiang)后來集結(jie)出版成了《物理學(xue)的方向》(1978年(nian))一書。他將這本書的版稅(shui)捐給(gei)新(xin)南威(wei)爾(er)士大(da)學(xue)設立了狄拉(la)克(ke)系(xi)(xi)列講(jiang)座。狄拉(la)克(ke)銀(yin)質(zhi)獎(jiang)(jiang)章便是(shi)在(zai)這個場(chang)合下(xia)由校方所頒發的獎(jiang)(jiang)項(xiang)。
在狄拉(la)克去世之后,立(li)即有兩個研究機構設了年(nian)度獎(jiang)項來紀念(nian)狄拉(la)克:英(ying)國(guo)物理(li)(li)學(xue)會(hui)頒(ban)發(fa)狄拉(la)克獎(jiang)章和(he)獎(jiang)金以表揚“在理(li)(li)論(包含(han)數學(xue)和(he)計算(suan)方法(fa))物理(li)(li)上的(de)(de)杰出貢獻”。最(zui)初的(de)(de)三個獲獎(jiang)人分別為史蒂(di)芬·霍金(1987年(nian))、約翰·斯(si)(si)圖爾(er)特·貝爾(er)(1988年(nian))和(he)羅杰·彭羅斯(si)(si)(1989年(nian));國(guo)際理(li)(li)論物理(li)(li)中心(xin)(International Centre for Theoretical Physics,簡稱:ICTP)在每年(nian)8月8日(狄拉(la)克的(de)(de)生日)頒(ban)發(fa)ICTP狄拉(la)克獎(jiang)章。另外,英(ying)國(guo)物理(li)(li)學(xue)會(hui)在布里斯(si)(si)托的(de)(de)出版總部取名(ming)作狄拉(la)克樓。
佛羅里達州立大學的狄拉克-赫(he)爾曼獎是由布魯(lu)斯·赫(he)爾曼博士(狄拉克最后(hou)一個博士學生(sheng))于1997年所設立以獎勵該校理(li)論物理(li)研究(jiu)人員的杰出表現。
位于佛羅里(li)達(da)州立大學(xue)的(de)(de)保羅·狄(di)拉(la)克科學(xue)圖書館,1989年由曼琪所(suo)成立。狄(di)拉(la)克生前(qian)的(de)(de)論(lun)文都收藏于此,館外則設有其銅像。佛羅里(li)達(da)州塔(ta)拉(la)哈西國家強磁實驗(yan)室所(suo)在的(de)(de)那(nei)條路被(bei)命(ming)名為“Paul Dirac Drive”。而(er)在他(ta)的(de)(de)家鄉布里(li)斯托,迪高特鎮上(shang)的(de)(de)一(yi)(yi)條路被(bei)命(ming)名為“Dirac Way”。英國廣播(bo)公司將其開發的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)影像壓縮(suo)格式(shi)以(yi)狄(di)拉(la)克命(ming)名。
狄(di)拉克因創立(li)有效的、新型式(shi)的原子理論而(er)獲得1933年的諾(nuo)貝(bei)爾物理學獎。
狄拉克發展了量子力(li)學,提出了著名的狄拉克方(fang)程,并且(qie)從理論(lun)上(shang)預言了正電子的存在。
狄拉(la)克原來從事(shi)相對(dui)論動力(li)學(xue)的(de)研究(jiu),自(zi)從1925年(nian)海森伯訪問劍橋(qiao)大學(xue)以(yi)后,狄拉(la)克深受影響,把精力(li)轉向量子力(li)學(xue)的(de)研究(jiu)。
1928年(nian)他把相(xiang)對論引進了量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學(xue),建立了相(xiang)對論形式的(de)(de)薛(xue)定諤方(fang)程(cheng),也(ye)(ye)就(jiu)是(shi)著名的(de)(de)狄拉克(ke)方(fang)程(cheng)。這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)(yi)方(fang)程(cheng)具(ju)有(you)兩個(ge)(ge)特(te)點(dian):一(yi)(yi)(yi)是(shi)滿足相(xiang)對論的(de)(de)所有(you)要求,適用于運動速度無論多快(kuai)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi);二(er)是(shi)它(ta)能(neng)(neng)自動地導出(chu)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)有(you)自旋的(de)(de)結(jie)論。這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)(yi)方(fang)程(cheng)的(de)(de)解很特(te)別(bie),既包括(kuo)正能(neng)(neng)態,也(ye)(ye)包括(kuo)負能(neng)(neng)態。狄拉克(ke)由此做出(chu)了存在(zai)正電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)預(yu)(yu)言(yan),認為正電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)是(shi)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)鏡像(xiang),它(ta)們具(ju)有(you)嚴格相(xiang)同的(de)(de)質量(liang),但是(shi)電(dian)(dian)荷符號(hao)相(xiang)反。狄拉克(ke)根(gen)據這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)圖(tu)象,還預(yu)(yu)料存在(zai)著一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)正電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)互相(xiang)湮滅放出(chu)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)過(guo)程(cheng);相(xiang)反,這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)過(guo)程(cheng)的(de)(de)逆過(guo)程(cheng),就(jiu)是(shi)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)湮滅產生(sheng)出(chu)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)正電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)過(guo)程(cheng)也(ye)(ye)是(shi)可能(neng)(neng)存在(zai)的(de)(de)。1932年(nian),美國物(wu)(wu)理學(xue)家(jia)安德森(1923-)在(zai)研(yan)究宇宙射(she)線簇射(she)中高能(neng)(neng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)徑跡(ji)的(de)(de)時候,奇怪地發現強(qiang)磁場中有(you)一(yi)(yi)(yi)半(ban)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)向(xiang)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)方(fang)向(xiang)偏轉,另(ling)一(yi)(yi)(yi)半(ban)向(xiang)相(xiang)反方(fang)向(xiang)偏轉,經過(guo)仔細(xi)辨認,這(zhe)(zhe)就(jiu)是(shi)狄拉克(ke)預(yu)(yu)言(yan)的(de)(de)正電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。后(hou)來很快(kuai)又發現了γ射(she)線產生(sheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對,正、負電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)碰撞(zhuang)“湮滅”成光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)等現象,全面印證了狄拉克(ke)預(yu)(yu)言(yan)的(de)(de)正確性。狄拉克(ke)的(de)(de)工(gong)作,開創了反粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和反物(wu)(wu)質的(de)(de)理論和實驗(yan)研(yan)究。
狄(di)拉克(ke)是量(liang)子輻射理(li)論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)創始(shi)人,曾經和費米各自(zi)獨立(li)發現(xian)了費米-狄(di)拉克(ke)統計法。狄(di)拉克(ke)還在美(mei)國佛羅里達(da)州立(li)大學(xue)發表過大量(liang)有關(guan)宇(yu)宙學(xue)方面的(de)(de)論(lun)(lun)(lun)文,推(tui)動宇(yu)宙學(xue)研究(jiu)的(de)(de)發展。特別值得一提(ti)(ti)的(de)(de)是,狄(di)拉克(ke)早(zao)在本世(shi)紀(ji)三(san)十(shi)年(nian)代(dai)(dai),就從理(li)論(lun)(lun)(lun)上提(ti)(ti)出可能(neng)存(cun)在磁單(dan)極(ji)的(de)(de)預言。近代(dai)(dai)物理(li)學(xue)來有關(guan)磁單(dan)極(ji)的(de)(de)理(li)論(lun)(lun)(lun)研究(jiu)和實(shi)驗探測取(qu)得了迅速發展。1982年(nian)國外已有報道,宣稱有人發現(xian)了磁單(dan)極(ji)存(cun)在的(de)(de)證(zheng)據。當然,假如真能(neng)從實(shi)驗上證(zheng)實(shi)磁單(dan)極(ji)存(cun)在,一定(ding)會引起(qi)物理(li)理(li)論(lun)(lun)(lun)的(de)(de)深刻變化。
總結(jie)起來(lai),狄拉(la)克(ke)對物理學的(de)(de)主要貢獻是:給出描述相對論(lun)性費米粒子(zi)的(de)(de)量子(zi)力(li)學方(fang)程(狄拉(la)克(ke)方(fang)程),給出反粒子(zi)解;預言磁(ci)單極;費米—狄拉(la)克(ke)統計。另外在量子(zi)場論(lun)尤其(qi)是量子(zi)電動力(li)學方(fang)面(mian)也作出了奠基性的(de)(de)工作。在引力(li)論(lun)和引力(li)量子(zi)化方(fang)面(mian)也有杰出的(de)(de)工作。
到(dao)了1927年(nian),由于許多(duo)開創性的工作,狄(di)拉(la)克已成了科學(xue)界中知名的人物(wu)。證據就(jiu)是他受到(dao)邀請參加(jia)了第五(wu)屆索(suo)爾維會議(電(dian)子與光(guang)子)。同年(nian),狄(di)拉(la)克被選為圣約翰學(xue)院院士,并(bing)在(zai)1929年(nian)被任命為數學(xue)物(wu)理的高級講師。 此(ci)時,狄(di)拉(la)克正著手電(dian)子的相對(dui)論性量子理論。當時雖(sui)然已經(jing)有(you)了克萊因-戈(ge)爾登方(fang)程,但狄(di)拉(la)克認為問題并(bing)未(wei)被解(jie)決。這(zhe)個方(fang)程可能給出(chu)負(fu)值(zhi)的概率,量子力學(xue)對(dui)概率的詮釋無法解(jie)釋這(zhe)個問題。
就在1928年狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)提出(chu)了描(miao)述電子的相(xiang)對(dui)論(lun)性方(fang)程(cheng)——狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)方(fang)程(cheng),并(bing)獨立于(yu)(yu)沃(wo)爾(er)夫岡·泡(pao)利(li)的工作發現(xian)了描(miao)述自(zi)旋(xuan)的2x2矩(ju)(ju)陣(zhen)。亞伯拉(la)(la)罕·派斯曾(ceng)引述狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)如此說道:“我相(xiang)信我獨立得到(dao)了它(自(zi)旋(xuan)矩(ju)(ju)陣(zhen)),泡(pao)利(li)也(ye)許也(ye)是獨立于(yu)(yu)我得到(dao)這個結果。” 然而(er)狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)方(fang)程(cheng)與克(ke)萊因-戈登方(fang)程(cheng)有相(xiang)同(tong)的問題,存在無法解釋的負能(neng)量解。這促使狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)預測電子的反(fan)粒子——正電子的存在。他詮(quan)釋正電子來自(zi)于(yu)(yu)填滿(man)電子的狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)之海。正電子于(yu)(yu)1932年由卡(ka)爾(er)·安德森在宇(yu)宙射線中觀察到(dao)而(er)證實。狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)方(fang)程(cheng)同(tong)時能(neng)夠(gou)解釋自(zi)旋(xuan)是作為一種相(xiang)對(dui)論(lun)性的現(xian)象(xiang)。
由于恩里科·費米在1934年的(de)(de)(de)β衰變理(li)論(lun)(lun)牽涉到粒子(zi)(zi)的(de)(de)(de)毀(hui)滅與創(chuang)造,使狄拉(la)克(ke)方程(cheng)詮釋(shi)作任意自(zi)旋?/2之點(dian)粒子(zi)(zi)的(de)(de)(de)場(chang)方程(cheng),其中場(chang)量(liang)子(zi)(zi)化的(de)(de)(de)過程(cheng)包含(han)了反(fan)交換律。因此在1934年,海森堡將狄拉(la)克(ke)方程(cheng)重新詮釋(shi)作所(suo)有基本粒子(zi)(zi)(夸克(ke)與輕(qing)子(zi)(zi))的(de)(de)(de)場(chang)方程(cheng)——狄拉(la)克(ke)場(chang)方程(cheng)。在理(li)論(lun)(lun)物理(li)中,這(zhe)個(ge)場(chang)方程(cheng)處于與麥克(ke)斯(si)韋(wei)方程(cheng)、楊-米爾斯(si)規范理(li)論(lun)(lun)、愛因斯(si)坦場(chang)方程(cheng)同(tong)等核心的(de)(de)(de)地位。狄拉(la)克(ke)被(bei)視(shi)作量(liang)子(zi)(zi)電(dian)動力學的(de)(de)(de)奠基者,也是第(di)一(yi)個(ge)使用量(liang)子(zi)(zi)電(dian)動力學這(zhe)個(ge)名詞的(de)(de)(de)人。
另外在1930年代早(zao)期,他(ta)也提(ti)出(chu)了真(zhen)空極化的(de)概念。對(dui)于(yu)下一(yi)個(ge)世代的(de)理(li)論學者施溫格、費曼(man)、朝永振一(yi)郎、戴(dai)森等人而(er)言(yan),這個(ge)工作是(shi)量子電動力學發展的(de)關鍵。
1930年(nian)狄(di)(di)(di)拉克(ke)出版(ban)了(le)(le)他(ta)(ta)的(de)量(liang)子(zi)力(li)學(xue)著作(zuo)著作(zuo)《量(liang)子(zi)力(li)學(xue)原理》,這是物理史上重要的(de)里(li)程碑,至今(jin)仍是量(liang)子(zi)力(li)學(xue)的(de)經典教(jiao)材(cai)。在這本(ben)書(shu)中,狄(di)(di)(di)拉克(ke)將海(hai)森堡(bao)在矩陣力(li)學(xue)以及薛定諤在波動(dong)力(li)學(xue)的(de)工作(zuo)整(zheng)合(he)成一個數(shu)學(xue)體系(xi),當(dang)中連(lian)結了(le)(le)可觀測量(liang)與希爾伯特(te)空間(jian)中作(zuo)用子(zi)的(de)關(guan)系(xi)。書(shu)中也介紹了(le)(le)量(liang)子(zi)力(li)學(xue)中廣泛(fan)應用的(de)狄(di)(di)(di)拉克(ke)δ函數(shu)。延續狄(di)(di)(di)拉克(ke)在1939年(nian)的(de)文章,1939年(nian)他(ta)(ta)在此(ci)書(shu)第(di)三版(ban)中加入了(le)(le)他(ta)(ta)的(de)數(shu)學(xue)符號系(xi)統——狄(di)(di)(di)拉克(ke)符號。直到今(jin)天,狄(di)(di)(di)拉克(ke)符號仍然是最廣泛(fan)使用的(de)一套(tao)量(liang)子(zi)力(li)學(xue)符號系(xi)統。
1932年狄拉克接替約瑟夫·拉莫爾擔任(ren)劍橋(qiao)大學盧卡(ka)斯(si)數學教(jiao)授(shou)。1933年狄拉克與(yu)薛(xue)定諤共同獲得(de)諾(nuo)貝爾物理(li)獎。他(ta)(ta)卻對盧瑟福說(shuo),他(ta)(ta)不想出名,他(ta)(ta)想拒絕這(zhe)個榮譽。盧瑟福對他(ta)(ta)說(shuo):“如果你(ni)(ni)這(zhe)樣做,你(ni)(ni)會更出名,人家更要來(lai)麻(ma)煩你(ni)(ni)。” 1933年12月12日,狄拉克在(zai)斯(si)德哥(ge)爾摩發表了諾(nuo)貝爾獎得(de)獎演說(shuo),題目為“電子與(yu)正(zheng)電子的理(li)論”。
1931年(nian)(nian)(nian)在(zai)(zai)一(yi)(yi)篇“量子(zi)化(hua)(hua)電磁場(chang)中(zhong)的(de)(de)(de)奇點”的(de)(de)(de)文章中(zhong),狄(di)拉克探討了磁單(dan)極(ji)這(zhe)個想法(fa)。1933年(nian)(nian)(nian),延續了其(qi)1931年(nian)(nian)(nian)的(de)(de)(de)論(lun)文,狄(di)拉克證明了單(dan)一(yi)(yi)磁單(dan)極(ji)的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)就(jiu)足(zu)以解釋(shi)電荷(he)的(de)(de)(de)量子(zi)化(hua)(hua)。在(zai)(zai)1975年(nian)(nian)(nian)、1982年(nian)(nian)(nian)以及2009年(nian)(nian)(nian)都有研究結(jie)果(guo)指出磁單(dan)極(ji)可能存(cun)在(zai)(zai)。但到目前為止,仍沒有磁單(dan)極(ji)存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)直接證據。即使如此,某(mou)些大統一(yi)(yi)理(li)(li)論(lun)仍包含磁單(dan)極(ji),用于解釋(shi)宇宙結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)形成(cheng)。狄(di)拉克的(de)(de)(de)磁單(dan)極(ji)是第(di)一(yi)(yi)次(ci)將拓樸(pu)學的(de)(de)(de)概念用于處理(li)(li)物理(li)(li)問題。
在(zai)(zai)1937年,狄(di)拉(la)克(ke)提出(chu)了大數假說。他比較了兩(liang)個(ge)不帶量(liang)綱(gang)的(de)(de)量(liang)值(zhi):基本(ben)作用力(li)(在(zai)(zai)此(ci)為引力(li)與(yu)電磁力(li))的(de)(de)比值(zhi)與(yu)宇宙年齡(ling)的(de)(de)尺度,發(fa)現兩(liang)者皆落(luo)在(zai)(zai)約39個(ge)數量(liang)級。狄(di)拉(la)克(ke)猜(cai)測(ce)這(zhe)可(ke)能并非巧合(he),兩(liang)者或許存在(zai)(zai)某(mou)種關聯性。參考了愛德華·亞瑟·米爾恩的(de)(de)理論,允許引力(li)常數隨時間改變。基于這(zhe)些假設,他設計了一個(ge)自己的(de)(de)宇宙學的(de)(de)模型。