保羅(luo)·狄(di)(di)拉克(ke)(ke),1902年8月8日(ri)出生在(zai)(zai)英(ying)格蘭西南部的(de)(de)布(bu)里斯(si)托(tuo),成長(chang)在(zai)(zai)畢曉普斯(si)頓區的(de)(de)城(cheng)市。他(ta)的(de)(de)父親,查爾(er)斯(si)·埃(ai)卓恩·拉迪斯(si)拉斯(si)·狄(di)(di)拉克(ke)(ke),是一個曾在(zai)(zai)布(bu)里斯(si)托(tuo)教書(shu)的(de)(de)法文(wen)老(lao)師,從(cong)瑞士瓦萊州的(de)(de)圣莫(mo)里斯(si)移(yi)民到英(ying)國。他(ta)的(de)(de)母親,佛羅(luo)倫斯(si)·漢(han)娜·狄(di)(di)拉克(ke)(ke)原姓(xing)霍爾(er)滕是一位船(chuan)長(chang)的(de)(de)女兒(er),曾在(zai)(zai)布(bu)里斯(si)托(tuo)中央圖(tu)(tu)書(shu)館擔任圖(tu)(tu)書(shu)管理員。保羅(luo)有(you)一個妹妹,叫阿特(te)麗斯(si)·伊(yi)莎(sha)貝爾(er)·瑪格麗特(te),大家稱(cheng)她(ta)為(wei)貝蒂(di),還有(you)一個哥哥,雷金納德(de)·查爾(er)斯(si)·費(fei)利克(ke)(ke)斯(si),大家叫他(ta)費(fei)利克(ke)(ke)斯(si)。費(fei)利克(ke)(ke)斯(si)在(zai)(zai)1925年3月自殺。狄(di)(di)拉克(ke)(ke)后來回憶說:“我的(de)(de)父母非常痛心。我不知道他(ta)們這么在(zai)(zai)乎...我從(cong)來不知道父母應(ying)該照顧自己的(de)(de)孩子,但(dan)自從(cong)這件(jian)事后,我了(le)解這件(jian)事。”
查(cha)爾斯(si)和他(ta)(ta)的(de)(de)(de)孩子們注冊的(de)(de)(de)是瑞士國(guo)籍,直(zhi)到1919年10月22日才歸化為(wei)英國(guo)籍。狄拉(la)克(ke)的(de)(de)(de)父(fu)親雖(sui)然他(ta)(ta)不贊成體罰,但卻是一個嚴格和專制(zhi)的(de)(de)(de)人(ren)。狄拉(la)克(ke)與他(ta)(ta)的(de)(de)(de)父(fu)親的(de)(de)(de)關系很緊(jin)張,以至(zhi)于在他(ta)(ta)父(fu)親死后,他(ta)(ta)寫道:“我覺得我更自由了,我要做我自己。”查(cha)爾斯(si)為(wei)了使他(ta)(ta)的(de)(de)(de)孩子學(xue)習法語(yu)(yu),強迫(po)他(ta)(ta)們只能說法語(yu)(yu)。但狄拉(la)克(ke)發現(xian),他(ta)(ta)無法用法語(yu)(yu)表達他(ta)(ta)想說的(de)(de)(de)話,所以他(ta)(ta)選(xuan)擇保持沉默。
狄(di)拉克第一(yi)次受教(jiao)育(yu)是(shi)在(zai)主教(jiao)路小學,然后在(zai)男子商人(ren)合(he)營技(ji)術學院(后來的(de)考瑟姆(mu)學校(xiao))就讀(du)。他的(de)父親在(zai)那里是(shi)一(yi)位法(fa)語(yu)老師。這(zhe)所學校(xiao)是(shi)布里斯托大學內的(de)附(fu)屬(shu)機構,他們(men)共享(xiang)場(chang)地和(he)人(ren)員。這(zhe)所大學強調技(ji)術課程,如瓦工(gong)、制鞋、金(jin)屬(shu)工(gong)作(zuo)和(he)現代語(yu)言。在(zai)當時仍然主要致力(li)于經典文學的(de)英國(guo)中(zhong)等(deng)教(jiao)育(yu)里,這(zhe)是(shi)一(yi)個不尋常的(de)安排。后來狄(di)拉克曾(ceng)對這(zhe)些(xie)安排表示感(gan)激。
之后狄拉(la)克(ke)在(zai)布里斯托(tuo)大學(xue)工程學(xue)院學(xue)習電機工程。盡管(guan)最(zui)喜歡的(de)科目是數學(xue),狄拉(la)克(ke)后來聲稱工程教育對他影響(xiang)深遠:
“原(yuan)先,我(wo)(wo)(wo)只對完(wan)(wan)全正確的(de)(de)方程(cheng)感(gan)興(xing)趣。然(ran)而我(wo)(wo)(wo)所(suo)(suo)接受的(de)(de)工(gong)程(cheng)訓練(lian)教導我(wo)(wo)(wo)要容許近似,有(you)(you)時候我(wo)(wo)(wo)能夠(gou)從這(zhe)些(xie)理論中(zhong)發現驚(jing)人(ren)的(de)(de)美,即(ji)使它是以近似為基礎...如果(guo)沒有(you)(you)這(zhe)些(xie)來(lai)(lai)自工(gong)程(cheng)學(xue)的(de)(de)訓練(lian),我(wo)(wo)(wo)或(huo)許無法(fa)在(zai)(zai)后來(lai)(lai)的(de)(de)研究作(zuo)出任(ren)何成(cheng)果(guo)...我(wo)(wo)(wo)持續在(zai)(zai)之后的(de)(de)工(gong)作(zuo)運用這(zhe)些(xie)不完(wan)(wan)全嚴謹的(de)(de)工(gong)程(cheng)數(shu)學(xue),我(wo)(wo)(wo)相(xiang)信你們可以從我(wo)(wo)(wo)后來(lai)(lai)的(de)(de)文章中(zhong)看出來(lai)(lai)...那些(xie)要求所(suo)(suo)有(you)(you)計算推導上完(wan)(wan)全精確的(de)(de)數(shu)學(xue)家很(hen)(hen)難(nan)在(zai)(zai)物理上走得很(hen)(hen)遠。”
就在(zai)1921年獲得學(xue)(xue)(xue)(xue)位的(de)前不(bu)久,他(ta)參加了劍(jian)橋大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)(xue)圣約翰學(xue)(xue)(xue)(xue)院的(de)入學(xue)(xue)(xue)(xue)測驗。他(ta)通過入學(xue)(xue)(xue)(xue)考試并獲得一(yi)筆70英鎊的(de)獎學(xue)(xue)(xue)(xue)金,然而(er)這(zhe)不(bu)足以支付在(zai)劍(jian)橋就讀(du)及生(sheng)活所需的(de)龐大(da)(da)金額。盡管以第(di)(di)一(yi)級(ji)榮譽工程學(xue)(xue)(xue)(xue)士的(de)成績畢業,在(zai)當時英國戰后經濟衰(shuai)退(tui)的(de)環境下仍無法找到(dao)工程師的(de)工作。因此,他(ta)選擇(ze)接受免學(xue)(xue)(xue)(xue)費攻讀(du)布里斯托大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)(xue)數學(xue)(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)(xue)士學(xue)(xue)(xue)(xue)位的(de)機(ji)會。由于已(yi)完成的(de)工程學(xue)(xue)(xue)(xue)位,他(ta)被允許(xu)抵免第(di)(di)一(yi)年的(de)課程。
1923年狄拉克(ke)再(zai)度以第一級榮譽(yu)的成績(ji)畢業(ye)并(bing)獲得(de)140英鎊(bang)的獎(jiang)學(xue)金(jin)。加上來自約翰(han)學(xue)院的70英鎊(bang),這筆錢(qian)足夠他(ta)在劍(jian)橋居住與求學(xue)。
原(yuan)先,狄(di)拉克(ke)希望研究(jiu)一(yi)直(zhi)以(yi)來感興趣的相對(dui)論(lun),然而在拉爾(er)夫·福(fu)勒(le)的指導下(xia),狄(di)拉克(ke)開始接觸原(yuan)子(zi)理(li)(li)論(lun)。福(fu)勒(le)將(jiang)原(yuan)子(zi)理(li)(li)論(lun)中最新的概念(nian)如尼爾(er)斯(si)·玻爾(er)等人的理(li)(li)論(lun)介紹給(gei)了狄(di)拉克(ke),對(dui)此狄(di)拉克(ke)曾回(hui)憶到:
“還(huan)記(ji)得(de)(de)我頭一(yi)回看(kan)到玻(bo)爾(er)的(de)(de)(de)理(li)論(lun)(lun),我相當驚(jing)訝(ya)...讓人(ren)驚(jing)奇(qi)的(de)(de)(de)是在特定的(de)(de)(de)條件(jian)下(xia),我們居然能將牛頓(dun)定律用在原(yuan)子里的(de)(de)(de)電子。第(di)一(yi)個(ge)條件(jian)是忽略(lve)電子輻射,第(di)二(er)則是放入量子條件(jian)。我仍(reng)記(ji)得(de)(de)很清楚,玻(bo)爾(er)的(de)(de)(de)理(li)論(lun)(lun)當時給(gei)了我多大的(de)(de)(de)震撼。我相信在發展量子力(li)學上,玻(bo)爾(er)引入的(de)(de)(de)這個(ge)概(gai)念是最大的(de)(de)(de)突(tu)破。”
之后狄(di)(di)拉(la)(la)克也(ye)嘗試著將玻爾的(de)理(li)論(lun)作延(yan)伸(shen)。1925年維爾納(na)·海森堡(bao)提(ti)(ti)出了著眼于可觀察的(de)物(wu)理(li)量的(de)理(li)論(lun),當中(zhong)牽涉到矩(ju)陣(zhen)相(xiang)乘的(de)不可交換性(xing)。狄(di)(di)拉(la)(la)克起初對此并不特別欣賞(shang),然而約(yue)莫兩個(ge)星期之后,他意識到當中(zhong)的(de)不可交換性(xing)帶(dai)有重要的(de)意義(yi),并且發(fa)現了經典力(li)學(xue)中(zhong)泊松括號與海森堡(bao)提(ti)(ti)出的(de)矩(ju)陣(zhen)力(li)學(xue)規(gui)則(ze)(ze)的(de)相(xiang)似之處。基于這項發(fa)現,他得出更明確的(de)量子化(hua)規(gui)則(ze)(ze)(即正(zheng)則(ze)(ze)量子化(hua))。這份名為《量子力(li)學(xue)》的(de)論(lun)文發(fa)表于1926年,狄(di)(di)拉(la)(la)克也(ye)憑借這項工作獲得博士(shi)學(xue)位。
同時埃爾溫·薛定諤以物(wu)質(zhi)波(bo)的波(bo)方程提(ti)出了自己的量子理(li)論(lun)。狄拉(la)克很快地發現到(dao)海森堡(bao)與薛定諤兩人(ren)的理(li)論(lun)是彼此互補的,并開始(shi)研究起薛定諤的波(bo)動力學。
1926年9月,在(zai)福勒的(de)(de)(de)(de)建議之(zhi)下(xia),狄(di)拉(la)(la)克前往位(wei)于哥(ge)本哈根(gen)的(de)(de)(de)(de)尼爾斯·玻爾研究(jiu)(jiu)所作了一段時間(jian)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)(jiu)。在(zai)哥(ge)本哈根(gen)的(de)(de)(de)(de)這段期(qi)間(jian),狄(di)拉(la)(la)克持續(xu)量子力(li)(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)(jiu),發展出了涵蓋(gai)波動力(li)(li)學(xue)與矩陣力(li)(li)學(xue)的(de)(de)(de)(de)廣義理論(lun)。這個方法與經典哈密頓(dun)力(li)(li)學(xue)理正則變(bian)(bian)換相類似(si),允許使用不(bu)同組的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)量基底。此外,為了處理連續(xu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)量,狄(di)拉(la)(la)克引(yin)入了新的(de)(de)(de)(de)數學(xue)工(gong)具—狄(di)拉(la)(la)克δ函(han)數。
狄(di)拉克(ke)也(ye)開始研究輻射理(li)論。在(zai)他的(de)(de)文章“吸收和放出輻射的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)理(li)論”中(zhong),他運用(yong)二次量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua)的(de)(de)技巧將(jiang)波函數(shu)量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua),進一步將(jiang)光子(zi)(zi)輻射與玻色-愛(ai)因斯坦統(tong)計(ji)連結起來。在(zai)這(zhe)個方法中(zhong),粒(li)子(zi)(zi)集合的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)態(tai)是以其(qi)粒(li)子(zi)(zi)在(zai)各能態(tai)中(zhong)的(de)(de)分布來表示(shi)(shi),并(bing)以粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)創造與消滅(mie)來對量(liang)(liang)子(zi)(zi)態(tai)作改變。狄(di)拉克(ke)展示(shi)(shi)了兩種方法是等價(jia)的(de)(de),將(jiang)電(dian)磁場以光子(zi)(zi)處理(li)或將(jiang)場作量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua)。事實上,這(zhe)個工作引發了新的(de)(de)物理(li)課題—量(liang)(liang)子(zi)(zi)場論,而(er)二次量(liang)(liang)子(zi)(zi)化(hua)則成為后來量(liang)(liang)子(zi)(zi)電(dian)動力學的(de)(de)基礎。
1927年2月狄(di)拉克來到哥(ge)廷根,在此他待了幾個(ge)月并結識了赫爾(er)曼·外爾(er)、馬(ma)克斯·玻恩(en)、羅伯(bo)特·奧本(ben)海默等人。
二次大(da)戰(zhan)開戰(zhan)之(zhi)(zhi)后,由(you)于缺乏(fa)足夠的(de)(de)教職(zhi)人員,狄(di)拉(la)克(ke)(ke)在教學上的(de)(de)負擔加重(zhong)。另外(wai),他(ta)還(huan)必(bi)須指(zhi)導許多研究生。在之(zhi)(zhi)前(qian),狄(di)拉(la)克(ke)(ke)一(yi)向(xiang)試圖避(bi)免(mian)這(zhe)類的(de)(de)責(ze)任(ren),而更傾向(xiang)獨自一(yi)人作研究。 其中(zhong)的(de)(de)例(li)外(wai)是在1930到1931年接手指(zhi)導了(le)福勒(le)的(de)(de)學生錢德拉(la)塞卡,以及1935到1936年因(yin)為馬克(ke)(ke)斯·玻恩離開劍(jian)橋去(qu)了(le)愛丁堡而收了(le)兩個(ge)原先玻恩指(zhi)導的(de)(de)學生。一(yi)生之(zhi)(zhi)中(zhong),狄(di)拉(la)克(ke)(ke)所指(zhi)導的(de)(de)學生不到十二人(大(da)部分在1940、50年代)。
戰爭期間(jian),狄拉(la)克(ke)投入研發(fa)同(tong)位素分離法(fa)以取得鈾(you)235。這在原子能的應用上是極關鍵(jian)的技術。他與彼得·卡皮查(cha)嘗試開發(fa)用離心機將(jiang)氣體混合物(wu)分離的方法(fa),但(dan)其實驗(yan)后(hou)來因卡皮查(cha)受(shou)困俄國而停(ting)擺(bai)。
1941年,狄拉克與牛津大學法(fa)蘭西斯·西蒙的團隊展開合(he)作,提供了(le)許多對(dui)于統(tong)計方法(fa)的實用意見。這些方法(fa)在今日(ri)人們(men)依然在使(shi)用。
此外,他還是伯(bo)明翰團隊在計算臨界質量上的非正式顧問。
1984年,狄(di)拉(la)克(ke)在佛羅里達州塔(ta)拉(la)哈西(xi)過世,并埋葬于(yu)當地(di)的(de)(de)羅斯蘭公墓(mu)。狄(di)拉(la)克(ke)童年在布里斯托(tuo)所居住(zhu)的(de)(de)房子掛上(shang)(shang)了(le)藍色牌(pai)匾,房子所在的(de)(de)道路(lu)(lu)(lu)也被(bei)命名(ming)為狄(di)拉(la)克(ke)路(lu)(lu)(lu)以彰(zhang)顯(xian)他(ta)與這個地(di)區(qu)的(de)(de)聯(lian)結。當地(di)主教路(lu)(lu)(lu)小學的(de)(de)墻上(shang)(shang)掛上(shang)(shang)了(le)一塊牌(pai)子,秀(xiu)出了(le)狄(di)拉(la)克(ke)最(zui)著名(ming)的(de)(de)狄(di)拉(la)克(ke)方程(cheng)。
1991年(nian)8月1日(ri),狄拉(la)(la)克(ke)父親家鄉的圣莫里(li)斯花園(yuan)立(li)起了(le)紀念石。1995年(nian)11月13日(ri),一(yi)塊以伯(bo)靈頓(dun)綠色板巖作為原料(liao)并刻上了(le)狄拉(la)(la)克(ke)方程的紀念石板在西敏(min)寺首次亮相。牧師團(tuan)長愛(ai)德華(hua)·卡(ka)彭特曾因狄拉(la)(la)克(ke)是無神(shen)論者而反對此事(shi),其(qi)意見被置之不理(li)。
1975年,狄拉(la)克在(zai)新(xin)南威(wei)(wei)爾士(shi)大學(xue)給了一(yi)系列(lie)五個演講(jiang)(jiang)。這系列(lie)演講(jiang)(jiang)后(hou)來集結出版成了《物(wu)理學(xue)的(de)方向(xiang)》(1978年)一(yi)書。他將這本書的(de)版稅捐給新(xin)南威(wei)(wei)爾士(shi)大學(xue)設(she)立了狄拉(la)克系列(lie)講(jiang)(jiang)座。狄拉(la)克銀質(zhi)獎章便(bian)是在(zai)這個場(chang)合下(xia)由校方所頒發的(de)獎項。
在(zai)(zai)狄拉(la)克去(qu)世之后,立即有兩個(ge)研究機構設了年(nian)度獎(jiang)(jiang)項來紀念狄拉(la)克:英國物(wu)(wu)理學(xue)會(hui)頒(ban)發(fa)狄拉(la)克獎(jiang)(jiang)章和獎(jiang)(jiang)金(jin)以表揚(yang)“在(zai)(zai)理論(包含數學(xue)和計(ji)算方法)物(wu)(wu)理上(shang)的(de)杰出(chu)貢獻”。最初的(de)三個(ge)獲獎(jiang)(jiang)人分別為史蒂(di)芬·霍金(jin)(1987年(nian))、約翰·斯(si)圖(tu)爾特(te)·貝(bei)爾(1988年(nian))和羅(luo)杰·彭羅(luo)斯(si)(1989年(nian));國際理論物(wu)(wu)理中心(International Centre for Theoretical Physics,簡稱:ICTP)在(zai)(zai)每年(nian)8月8日(狄拉(la)克的(de)生(sheng)日)頒(ban)發(fa)ICTP狄拉(la)克獎(jiang)(jiang)章。另外,英國物(wu)(wu)理學(xue)會(hui)在(zai)(zai)布里(li)斯(si)托的(de)出(chu)版總部取名作(zuo)狄拉(la)克樓。
佛羅(luo)里達(da)州立大學的(de)狄(di)拉克-赫爾曼(man)獎是(shi)由布(bu)魯斯(si)·赫爾曼(man)博士(狄(di)拉克最后(hou)一(yi)個博士學生)于(yu)1997年所設立以獎勵該校(xiao)理論物理研究人員的(de)杰出(chu)表現。
位于佛(fo)羅里達州(zhou)立(li)大(da)學(xue)的(de)(de)保(bao)羅·狄拉(la)克科學(xue)圖書館,1989年由(you)曼(man)琪所成(cheng)立(li)。狄拉(la)克生前的(de)(de)論文都收藏于此(ci),館外則設有其銅(tong)像。佛(fo)羅里達州(zhou)塔拉(la)哈西(xi)國(guo)家強磁實(shi)驗室(shi)所在的(de)(de)那(nei)條路被命(ming)名為“Paul Dirac Drive”。而在他的(de)(de)家鄉布里斯托,迪(di)高(gao)特(te)鎮上的(de)(de)一條路被命(ming)名為“Dirac Way”。英國(guo)廣播公(gong)司將其開發的(de)(de)一種影像壓縮格式以狄拉(la)克命(ming)名。
狄拉(la)克因創立有效的、新型(xing)式的原子理論而獲得1933年的諾貝爾物理學獎(jiang)。
狄拉(la)克發(fa)展(zhan)了(le)量子(zi)力學,提出了(le)著名的狄拉(la)克方程,并且(qie)從理論上預言了(le)正電子(zi)的存(cun)在。
狄拉克原來從(cong)事相對(dui)論動力(li)學的(de)(de)研究,自從(cong)1925年海(hai)森(sen)伯(bo)訪問(wen)劍橋大學以(yi)后,狄拉克深受影(ying)響,把精力(li)轉向量子力(li)學的(de)(de)研究。
1928年(nian)他把相(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)(lun)引進了量子(zi)(zi)(zi)力學(xue),建(jian)立了相(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)(lun)形式的(de)(de)(de)薛定諤方(fang)(fang)程(cheng)(cheng),也就是(shi)(shi)著(zhu)名的(de)(de)(de)狄(di)拉(la)(la)(la)克方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)。這一(yi)(yi)(yi)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)具(ju)有(you)(you)兩(liang)個(ge)特點:一(yi)(yi)(yi)是(shi)(shi)滿足(zu)相(xiang)對(dui)(dui)論(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)所(suo)有(you)(you)要求,適用(yong)于運(yun)動(dong)速度(du)無論(lun)(lun)(lun)(lun)多快(kuai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi);二是(shi)(shi)它能(neng)自動(dong)地(di)導出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)有(you)(you)自旋的(de)(de)(de)結論(lun)(lun)(lun)(lun)。這一(yi)(yi)(yi)方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)解很特別,既(ji)包括正能(neng)態,也包括負能(neng)態。狄(di)拉(la)(la)(la)克由此(ci)做出了存(cun)在(zai)(zai)(zai)正電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)預言(yan),認為正電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)鏡像,它們具(ju)有(you)(you)嚴格(ge)相(xiang)同的(de)(de)(de)質量,但(dan)是(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷符號相(xiang)反(fan)(fan)。狄(di)拉(la)(la)(la)克根據這個(ge)圖象(xiang)(xiang),還(huan)預料存(cun)在(zai)(zai)(zai)著(zhu)一(yi)(yi)(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和一(yi)(yi)(yi)個(ge)正電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)互(hu)相(xiang)湮滅(mie)放(fang)出光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng);相(xiang)反(fan)(fan),這個(ge)過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)逆過(guo)程(cheng)(cheng),就是(shi)(shi)一(yi)(yi)(yi)個(ge)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)湮滅(mie)產生出一(yi)(yi)(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和一(yi)(yi)(yi)個(ge)正電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng)也是(shi)(shi)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)。1932年(nian),美國物理學(xue)家安德森(1923-)在(zai)(zai)(zai)研(yan)(yan)究(jiu)宇宙射線簇射中(zhong)高能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)徑跡的(de)(de)(de)時候,奇怪地(di)發現強(qiang)磁場中(zhong)有(you)(you)一(yi)(yi)(yi)半(ban)(ban)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)向(xiang)一(yi)(yi)(yi)個(ge)方(fang)(fang)向(xiang)偏轉,另一(yi)(yi)(yi)半(ban)(ban)向(xiang)相(xiang)反(fan)(fan)方(fang)(fang)向(xiang)偏轉,經(jing)過(guo)仔(zi)細辨認,這就是(shi)(shi)狄(di)拉(la)(la)(la)克預言(yan)的(de)(de)(de)正電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)。后來(lai)很快(kuai)又(you)發現了γ射線產生電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui),正、負電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)碰撞“湮滅(mie)”成光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)等現象(xiang)(xiang),全面印證了狄(di)拉(la)(la)(la)克預言(yan)的(de)(de)(de)正確性。狄(di)拉(la)(la)(la)克的(de)(de)(de)工作,開創了反(fan)(fan)粒子(zi)(zi)(zi)和反(fan)(fan)物質的(de)(de)(de)理論(lun)(lun)(lun)(lun)和實驗(yan)研(yan)(yan)究(jiu)。
狄(di)拉克是量子輻射理(li)(li)論(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)創(chuang)始(shi)人,曾(ceng)經和(he)費米(mi)(mi)各自獨立發現(xian)了費米(mi)(mi)-狄(di)拉克統計法。狄(di)拉克還在(zai)(zai)美(mei)國佛羅里達州立大(da)學發表過大(da)量有關宇(yu)宙學方面的(de)(de)(de)(de)論(lun)(lun)文,推動(dong)宇(yu)宙學研究的(de)(de)(de)(de)發展。特別值得一提的(de)(de)(de)(de)是,狄(di)拉克早在(zai)(zai)本世紀(ji)三十(shi)年(nian)代(dai),就從理(li)(li)論(lun)(lun)上(shang)提出(chu)可能存(cun)在(zai)(zai)磁單(dan)極(ji)的(de)(de)(de)(de)預(yu)言。近(jin)代(dai)物理(li)(li)學來有關磁單(dan)極(ji)的(de)(de)(de)(de)理(li)(li)論(lun)(lun)研究和(he)實(shi)(shi)(shi)驗探(tan)測取得了迅(xun)速發展。1982年(nian)國外已有報(bao)道,宣稱有人發現(xian)了磁單(dan)極(ji)存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)證據(ju)。當然(ran),假如(ru)真能從實(shi)(shi)(shi)驗上(shang)證實(shi)(shi)(shi)磁單(dan)極(ji)存(cun)在(zai)(zai),一定會引起物理(li)(li)理(li)(li)論(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)深刻變化。
總(zong)結起來,狄(di)拉克(ke)對物理(li)學的(de)主要貢獻是(shi)(shi):給出(chu)描述相對論性費米(mi)粒(li)子的(de)量(liang)子力(li)(li)學方程(狄(di)拉克(ke)方程),給出(chu)反粒(li)子解;預言磁(ci)單(dan)極;費米(mi)—狄(di)拉克(ke)統計。另外在量(liang)子場論尤其是(shi)(shi)量(liang)子電動力(li)(li)學方面(mian)也作出(chu)了奠基性的(de)工(gong)作。在引力(li)(li)論和引力(li)(li)量(liang)子化方面(mian)也有杰出(chu)的(de)工(gong)作。
到了(le)1927年(nian),由于(yu)許多開創性的(de)(de)工作,狄(di)(di)拉克(ke)已(yi)成(cheng)了(le)科學界(jie)中知(zhi)名的(de)(de)人物(wu)。證(zheng)據(ju)就是他受到邀請參加了(le)第五(wu)屆索爾(er)維會議(電子與光子)。同(tong)年(nian),狄(di)(di)拉克(ke)被選(xuan)為(wei)圣約(yue)翰學院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)士(shi),并在(zai)1929年(nian)被任命(ming)為(wei)數學物(wu)理(li)的(de)(de)高級講(jiang)師。 此時(shi),狄(di)(di)拉克(ke)正著手電子的(de)(de)相(xiang)對論性量子理(li)論。當時(shi)雖然已(yi)經(jing)有了(le)克(ke)萊因(yin)-戈爾(er)登(deng)方程(cheng),但狄(di)(di)拉克(ke)認為(wei)問題(ti)并未被解決。這(zhe)(zhe)個(ge)方程(cheng)可(ke)能給出(chu)負(fu)值的(de)(de)概(gai)率(lv),量子力學對概(gai)率(lv)的(de)(de)詮釋無法解釋這(zhe)(zhe)個(ge)問題(ti)。
就在(zai)1928年狄(di)拉(la)克(ke)提出了描述(shu)電(dian)子(zi)的(de)(de)相對論性方(fang)(fang)程(cheng)——狄(di)拉(la)克(ke)方(fang)(fang)程(cheng),并獨立于(yu)(yu)沃爾夫岡·泡利的(de)(de)工作發現(xian)了描述(shu)自旋的(de)(de)2x2矩(ju)陣。亞伯(bo)拉(la)罕·派(pai)斯曾引述(shu)狄(di)拉(la)克(ke)如此說道:“我(wo)相信我(wo)獨立得到(dao)了它(ta)(自旋矩(ju)陣),泡利也許也是獨立于(yu)(yu)我(wo)得到(dao)這(zhe)個結果。” 然而狄(di)拉(la)克(ke)方(fang)(fang)程(cheng)與克(ke)萊因-戈登方(fang)(fang)程(cheng)有(you)相同的(de)(de)問題,存(cun)在(zai)無法解(jie)釋(shi)(shi)的(de)(de)負能量解(jie)。這(zhe)促(cu)使狄(di)拉(la)克(ke)預測電(dian)子(zi)的(de)(de)反粒(li)子(zi)——正(zheng)(zheng)電(dian)子(zi)的(de)(de)存(cun)在(zai)。他(ta)詮釋(shi)(shi)正(zheng)(zheng)電(dian)子(zi)來(lai)自于(yu)(yu)填滿電(dian)子(zi)的(de)(de)狄(di)拉(la)克(ke)之海。正(zheng)(zheng)電(dian)子(zi)于(yu)(yu)1932年由(you)卡爾·安德(de)森在(zai)宇宙射線(xian)中觀察到(dao)而證實。狄(di)拉(la)克(ke)方(fang)(fang)程(cheng)同時能夠(gou)解(jie)釋(shi)(shi)自旋是作為一種相對論性的(de)(de)現(xian)象(xiang)。
由于(yu)恩里(li)科(ke)·費米在1934年的(de)(de)β衰變理論牽涉到粒(li)子(zi)的(de)(de)毀(hui)滅與(yu)創造,使狄拉(la)克(ke)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)詮釋作(zuo)任意自旋?/2之(zhi)點粒(li)子(zi)的(de)(de)場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)程(cheng),其中場(chang)(chang)量子(zi)化的(de)(de)過程(cheng)包含了反(fan)交(jiao)換(huan)律。因此在1934年,海(hai)森堡將(jiang)狄拉(la)克(ke)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)重新詮釋作(zuo)所有基(ji)本粒(li)子(zi)(夸克(ke)與(yu)輕子(zi))的(de)(de)場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)——狄拉(la)克(ke)場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)。在理論物理中,這個場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)處于(yu)與(yu)麥(mai)克(ke)斯(si)韋方(fang)(fang)(fang)程(cheng)、楊-米爾斯(si)規(gui)范(fan)理論、愛因斯(si)坦場(chang)(chang)方(fang)(fang)(fang)程(cheng)同等核(he)心的(de)(de)地位(wei)。狄拉(la)克(ke)被(bei)視作(zuo)量子(zi)電動(dong)力學的(de)(de)奠基(ji)者(zhe),也是第一個使用量子(zi)電動(dong)力學這個名詞的(de)(de)人。
另外在1930年代早期,他也提(ti)出(chu)了真空極化的(de)概念(nian)。對于下一個世代的(de)理(li)論學(xue)者施溫格、費曼、朝永振一郎、戴(dai)森等(deng)人而言,這個工(gong)作(zuo)是量子電(dian)動力學(xue)發展的(de)關鍵(jian)。
1930年(nian)狄(di)(di)拉(la)克出版了(le)他(ta)的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)著作(zuo)著作(zuo)《量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)原理》,這(zhe)是物理史(shi)上重(zhong)要的(de)(de)里程(cheng)碑,至今仍是量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)經典教材。在這(zhe)本書(shu)中(zhong),狄(di)(di)拉(la)克將海森堡(bao)在矩陣力(li)(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)以及薛定諤在波動(dong)力(li)(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)工(gong)作(zuo)整合成一(yi)個數(shu)學(xue)(xue)(xue)體系(xi)(xi)(xi),當(dang)中(zhong)連結(jie)了(le)可觀測量(liang)與希爾伯特空間中(zhong)作(zuo)用(yong)(yong)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)。書(shu)中(zhong)也介紹了(le)量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)中(zhong)廣泛應用(yong)(yong)的(de)(de)狄(di)(di)拉(la)克δ函數(shu)。延續狄(di)(di)拉(la)克在1939年(nian)的(de)(de)文章,1939年(nian)他(ta)在此書(shu)第三版中(zhong)加入了(le)他(ta)的(de)(de)數(shu)學(xue)(xue)(xue)符號(hao)系(xi)(xi)(xi)統——狄(di)(di)拉(la)克符號(hao)。直到今天,狄(di)(di)拉(la)克符號(hao)仍然是最廣泛使用(yong)(yong)的(de)(de)一(yi)套量(liang)子(zi)(zi)(zi)力(li)(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)符號(hao)系(xi)(xi)(xi)統。
1932年狄拉(la)克接(jie)替約瑟夫·拉(la)莫爾(er)擔任劍橋(qiao)大(da)學(xue)盧卡斯(si)數學(xue)教授。1933年狄拉(la)克與(yu)薛定諤共同獲得諾貝(bei)爾(er)物(wu)理獎(jiang)。他(ta)卻對盧瑟福說,他(ta)不想出名,他(ta)想拒絕這個榮譽(yu)。盧瑟福對他(ta)說:“如(ru)果你這樣做,你會更出名,人(ren)家更要來麻(ma)煩你。” 1933年12月12日,狄拉(la)克在(zai)斯(si)德哥爾(er)摩(mo)發表了諾貝(bei)爾(er)獎(jiang)得獎(jiang)演說,題目為“電(dian)子與(yu)正電(dian)子的理論(lun)”。
1931年在(zai)一篇“量子(zi)化電磁(ci)場中的(de)(de)奇點”的(de)(de)文章中,狄拉克(ke)探(tan)討了磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)這個想法。1933年,延續了其1931年的(de)(de)論文,狄拉克(ke)證明(ming)了單(dan)一磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)的(de)(de)存(cun)在(zai)就足以解釋電荷的(de)(de)量子(zi)化。在(zai)1975年、1982年以及2009年都有(you)(you)研究結果指出磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)可能存(cun)在(zai)。但到目前(qian)為止,仍(reng)沒有(you)(you)磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)存(cun)在(zai)的(de)(de)直(zhi)接(jie)證據。即(ji)使如(ru)此,某些(xie)大統一理論仍(reng)包含磁(ci)單(dan)極(ji)(ji),用于解釋宇(yu)宙結構的(de)(de)形成。狄拉克(ke)的(de)(de)磁(ci)單(dan)極(ji)(ji)是第(di)一次(ci)將拓樸學(xue)的(de)(de)概(gai)念用于處(chu)理物(wu)理問題。
在1937年,狄拉克(ke)(ke)提出了大數假(jia)說。他比較了兩個不帶量綱的(de)(de)量值(zhi)(zhi):基本作用力(在此為(wei)引力與電磁(ci)力)的(de)(de)比值(zhi)(zhi)與宇(yu)宙(zhou)年齡的(de)(de)尺度,發(fa)現(xian)兩者(zhe)皆落在約(yue)39個數量級。狄拉克(ke)(ke)猜測這可能并非巧合,兩者(zhe)或許存(cun)在某種關聯性。參考(kao)了愛德華·亞瑟·米爾恩的(de)(de)理(li)論,允許引力常(chang)數隨時間改變(bian)。基于(yu)這些(xie)假(jia)設,他設計了一個自己的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)學(xue)的(de)(de)模型(xing)。