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BIOGRAFÍAS DE GRANDES CIENTÍFICOS
Dirac Paul Adrien Maurice. Biografía del científico.
Directorio / Biografías de grandes científicos.
El físico inglés Paul Adrien Maurice Dirac nació el 8 de agosto de 1902 en Bristol, en la familia de Charles Adrien Ladislav Dirac, nativo de Suecia, profesor de francés en una escuela privada, y una inglesa, Florence Hannah (Holten) Dirac. Al principio, Paul estudió en una escuela comercial en Bristol. Luego estudió ingeniería eléctrica en la Universidad de Bristol de 1918 a 1921 y se graduó con una licenciatura en ciencias. Después de eso, Paul también tomó un curso de dos años en matemáticas aplicadas en la misma universidad. “Durante esta educación matemática, Fraser fue quien más me influyó... fue un excelente maestro, capaz de inspirar a sus alumnos con un sentimiento de verdadera admiración por las ideas fundamentales de las matemáticas... - recordó Dirac.- Aprendí dos cosas de Fraser. Primero, matemáticas rigurosas. Antes solo usaba matemáticas no rigurosas, lo que satisfizo a los ingenieros... No les importaba la definición exacta del límite, cuánto tiempo agregar la serie y otras cosas por el estilo. Fraser enseñó que A veces eran necesarias ideas lógicas estrictas para manejar estos objetos. Y además: "La segunda cosa que aprendí de Fraser fue la geometría proyectiva. Tuvo un profundo efecto en mí debido a su inherente belleza matemática... La geometría proyectiva siempre funciona en un espacio plano... te proporciona métodos como el uno a uno método de correspondencia, que, como por arte de magia, obtienen resultados; los teoremas de la geometría euclidiana, sobre los que has atormentado durante mucho tiempo, se deducen de la manera más simple, si usas los argumentos de la geometría proyectiva. Dirac siguió interesado en la geometría proyectiva después de convertirse en estudiante de posgrado en la Universidad de Cambridge a fines de 1923, especializándose en física teórica con Ralph Howard Fowler. En particular, asistía regularmente a las fiestas de té en la casa del profesor Baker los sábados por la noche. Después de cada una de estas fiestas de té, alguien dio un informe sobre un problema geométrico. El propio Dirac también "trabajó con geometría proyectiva ... e hizo uno de los informes en una fiesta de té. Fue la primera conferencia en mi vida y, por supuesto, la recuerdo bien. Se trataba de un nuevo método para resolver problemas proyectivos". Dirac luego ingresó a la escuela de posgrado en matemáticas en St. John en Cambridge y en 1926 defendió su tesis doctoral. Al año siguiente, Dirac se convirtió en miembro del consejo científico de la misma universidad. Mientras aún estaba en la universidad, Dirac se interesó en la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Durante los años de posgrado de Dirac en Cambridge, Heisenberg y Schrödinger desarrollaron sus formulaciones de mecánica cuántica aplicando la teoría cuántica para describir el comportamiento de los sistemas atómicos y subatómicos y el movimiento de partículas como el electrón. Dirac comenzó a estudiar las ecuaciones de Heisenberg y Schrödinger tan pronto como se publicaron en 1925, e hizo varios comentarios útiles en el proceso. Una de las deficiencias de la mecánica cuántica fue que fue desarrollada solo para partículas con baja velocidad (en comparación con la velocidad de la luz), y esto permitió despreciar los efectos considerados por la teoría de la relatividad de Einstein. Los efectos de la teoría de la relatividad, como el aumento de la masa de una partícula al aumentar la velocidad, se vuelven significativos solo cuando las velocidades comienzan a acercarse a la velocidad de la luz. En el Congreso de Solvay en octubre de 1927, Bohr se acercó a Dirac. Así es como el propio Dirac recuerda esto: "Bohr se me acercó y me preguntó: "¿En qué estás trabajando ahora?" Respondí: "Estoy tratando de obtener una teoría relativista del electrón". Bohr luego dijo: "Pero Klein ya había resuelto este problema ". Estaba algo desanimado. Empecé a explicarle que la solución del problema de Klein basada en la ecuación de Klein-Gordon no es satisfactoria, ya que no puede ser consistente con mi interpretación física general de la mecánica cuántica. Sin embargo , no pude explicarle nada a Bohr, ya que nuestra conversación fue interrumpida por el comienzo de la conferencia y la pregunta quedó en el aire". Dirac no estaba contento. Buscó obtener ecuaciones para un solo electrón, y no para un sistema de partículas con diferentes cargas. Se salió con la suya, pero la decisión lo sorprendió. Claramente faltaban partículas de Pauli bidimensionales, que describen bien el espín en el caso no relativista. En teoría, el electrón tenía un grado adicional de libertad: la libertad, como se vio después, de la transición a un estado con energía negativa. Parecía tan salvaje que era justo abandonar todo lo que se había hecho. En busca de una salida, a Dirac se le ocurrió una extraña idea. Sugirió que todos los electrones del universo ocupan niveles con energía negativa, según el principio de Pauli, formando un fondo no observable. Solo los electrones con energía positiva son observables. "Los electrones", escribe Dirac, "están distribuidos por todo el mundo con una alta densidad en cada punto. El vacío perfecto es la región donde están ocupados todos los estados con energía negativa". "Los estados desocupados con energía negativa aparecerán como algo con energía positiva, porque para que desaparezcan, es necesario introducir un electrón con energía negativa. Suponemos que estos estados desocupados con energía negativa son protones". La teoría de Dirac fue recibida con escepticismo. El hipotético trasfondo de los electrones generaba desconfianza, además, la teoría de Dirac, en sus palabras, “era muy simétrica con respecto a los electrones y los protones”. Pero el protón difiere del electrón no solo en el signo de la carga, sino también en la masa. El descubrimiento del positrón, una partícula verdaderamente simétrica al electrón, obligó a una nueva apreciación de la teoría de Dirac, que esencialmente predijo la existencia del positrón y otras antipartículas. En la conferencia de Leningrado en 1933, Dirac declaró la esencia de la teoría de los positrones de la siguiente manera: "Supongamos que en el mundo que conocemos, casi todos los estados electrónicos con energía negativa están ocupados por electrones. Este conjunto de electrones que se encuentran en energía negativa niveles, debido a su homogeneidad, no pueden ser percibidos por nuestros sentidos e instrumentos de medida, y sólo los niveles no ocupados por electrones, siendo algo excepcional, algún tipo de violación de la homogeneidad, pueden ser notados por nosotros exactamente de la misma manera que notamos los estados ocupados de electrones con energías positivas energía, es decir, un "agujero" en la distribución de electrones con energía negativa será percibido por nosotros como una partícula con energía positiva, porque la ausencia de energía cinética negativa es equivalente a la presencia de energía cinética positiva, ya que menos por menos da más ... Parece razonable identificar tal "agujero" conpositrón, es decir, afirmar que el positrón es un "agujero" en la distribución de electrones con energía negativa. "Según la teoría de Dirac", escribió F. Joliot, "un electrón positivo en colisión con un electrón negativo libre o débilmente unido puede desaparecer, formando dos fotones emitidos en direcciones opuestas". También hay un proceso inverso: la "materialización" de fotones, cuando "fotones con suficiente energía pueden crear electrones positivos cuando chocan con núcleos pesados... Un fotón, al interactuar con un núcleo, puede crear dos electrones con cargas opuestas". Derivada por un científico inglés y publicada en 1928, la ecuación ahora se llama ecuación de Dirac. Permitió llegar a un acuerdo con los datos experimentales. En particular, el giro, que anteriormente era una hipótesis, fue confirmado por la ecuación de Dirac. Este fue el triunfo de su teoría. Además, la ecuación de Dirac permitió predecir las propiedades magnéticas del electrón (momento magnético). Dirac también pertenece a la predicción teórica de la posibilidad del nacimiento de un par electrón-antielectrónico a partir de un fotón de energía suficientemente alta. El antielectrón predicho por Dirac fue descubierto en 1932 por Carl D. Andersen y recibió el nombre de positrón. Posteriormente, también se confirmó la suposición de Dirac sobre la posibilidad del nacimiento de una pareja. Posteriormente, Dirac planteó la hipótesis de que otras partículas, como el protón, también deben tener sus contrapartes de antimateria, pero se requeriría una teoría más sofisticada para describir tales pares de partículas y antipartículas. La existencia del antiprotón fue confirmada experimentalmente en 1955 por Owen Chamberlain. Ahora se conocen muchas otras antipartículas. La ecuación de Dirac permitió aclarar el problema de la dispersión de rayos X por la materia. La radiación de rayos X se comporta primero como una onda, luego interactúa con un electrón como una partícula (fotón) y después de una colisión vuelve a ser como una onda. La teoría de Dirac proporcionó una descripción cuantitativa detallada de esta interacción. Más tarde, Dirac descubrió la distribución estadística de la energía en un sistema de electrones, ahora conocido como la estadística de Fermi-Dirac. Este trabajo fue de gran importancia para la comprensión teórica de las propiedades eléctricas de los metales y semiconductores. Dirac también predijo la existencia de monopolos magnéticos, partículas magnéticas positivas o negativas aisladas, similares a las partículas eléctricas cargadas positiva o negativamente. Los intentos de detectar experimentalmente monopolos magnéticos hasta ahora no han tenido éxito. Todos los imanes conocidos tienen dos polos, norte y sur, que son inseparables entre sí. Dirac sugirió que las constantes físicas naturales, como la constante gravitatoria, pueden no ser constantes en el sentido exacto de las palabras, sino que cambian lentamente con el tiempo. El debilitamiento de la gravedad, si es que existe, es tan lento que es extremadamente difícil de detectar y, por lo tanto, sigue siendo hipotético. Dirac y Schrödinger recibieron el Premio Nobel de Física de 1933 "por su descubrimiento de nuevas formas productivas de teoría atómica". En su conferencia, Dirac señaló la posibilidad de la existencia de "estrellas compuestas principalmente por positrones y antiprotones" que surjan de la simetría entre cargas eléctricas positivas y negativas. Quizá la mitad de las estrellas pertenezcan a un tipo y la otra mitad a otro. Estos dos tipos de estrellas deberían tener el mismo espectro, y sería imposible distinguirlos con los métodos de la astronomía moderna". En 1937, Dirac se casó con Margit Wigner, hermana del físico Eugen P. Wigner. Tuvieron dos hijas. En general se acepta que Dirac es una persona taciturna y poco sociable. Y asi fue. Prefería trabajar solo y tenía pocos alumnos directos, pero junto a esto, tenía la capacidad para la amistad sincera y profunda. Dirac encontró a dos de sus amigos más cercanos en la Unión Soviética. Eran Peter Kapitsa e Igor Tamm. Las memorias de la hija de Tamm, Irina, sobre Dirac son curiosas: "Durante dos años seguidos, P. A. M. Dirac, que vino a Moscú, se quedó con nosotros, con quien papá se reunió y se hizo amigo en 28 en Ehrenfest en Leiden. Recuerdo cómo en mi En la segunda visita de la noche, entra un radiante Dirac y, levantando el dedo, declara solemnemente: "Tamm, tienes cambios grandiosos". En respuesta al desconcierto de todos, explicó: "Ahora la luz está encendida en el baño". En el otoño de 1934, a Kapitsa no se le permitió regresar a Inglaterra, al laboratorio que estaba a cargo, y al principio se vio obligado a permanecer en la URSS sin la oportunidad de realizar trabajos científicos. Dirac quería venir a la Unión Soviética para tratar de ayudar a Kapitza. Este problema fue discutido en detalle en la correspondencia entre él y la esposa de Kapitsa, Anna Alekseevna, quien estaba entonces en Cambridge. Dirac estaba dando conferencias en los Estados Unidos ese año. Para rescatar a Kapitsa, incluso recolectó firmas en una carta colectiva de físicos estadounidenses al gobierno de la URSS, junto con R. Milliken visitó la embajada soviética. Los amigos y conocidos de Paul Dirac a menudo se sorprendieron por su reacción inesperada y, a veces, "extraña" a los temas que surgieron en la conversación. Cierto, entonces se hizo evidente que sus comentarios eran una respuesta natural y lógica, y que eran solo las asociaciones puramente automáticas e irreflexivas de todos los demás las que hacían que uno esperara algo más de él. La misma propiedad se manifestó en su física. El parecido es tan claro que muchas de las famosas historias sobre el científico pueden correlacionarse directamente con algunos de sus artículos. Aquí, por ejemplo, está la historia de las píldoras en un frasco, contada por H. R. Ulm. Ulm se disculpó por el ruido en su bolsillo, explicando que la botella ya no estaba llena y por lo tanto hacía ruido. Dirac comentó: "Creo que hace más ruido cuando está medio lleno". Captó el hecho de que la botella no hace ruido, no solo cuando está vacía, lo cual es obvio, sino también cuando está completamente llena. Este pensamiento es similar a la idea que subyace en su "teoría del agujero". En otro episodio, la conversación durante el té se centró en el hecho de que entre los niños nacidos recientemente de físicos en Cambridge, había una proporción sorprendentemente grande de niñas. Cuando alguien comentó con ligereza: "¡Debe haber algo en el aire!" - añadió Dirac después de una pausa: "O tal vez en el agua". Tomó la expresión "en el aire" no en su sentido convencional, sino literalmente, viendo una posible aplicación. Esta tendencia se refleja en muchas de sus obras. Quizás apareció por primera vez en la forma en que utilizó la observación de Heisenberg de que las variables cuánticas no conmutan. Para el mismo Heisenberg, esto parecía una característica fea del formalismo. Dirac, por el contrario, mostró que esta circunstancia ocupa un lugar muy importante en la nueva teoría. Otro rasgo característico de Dirac apareció en la historia que tuvo lugar en Copenhague. Los amigos han notado que el famoso físico Pauli está aumentando de peso demasiado rápido. Luego se le pidió a Dirac que se asegurara de que no comiera demasiado. Pauli participó en este juego y le preguntó a Dirac cuántos terrones de azúcar podía poner en su café. "Creo que uno será suficiente para ti", dijo Dirac, y agregó un poco más tarde: "Creo que uno es suficiente para todos". Después de pensarlo un poco más: "Creo que las piezas están hechas de tal manera que una es suficiente para todos". Tal creencia en el orden del mundo se refleja a menudo en sus escritos y, sobre todo, en un comentario en un artículo que muestra que el monopolo magnético no contradice las leyes conocidas de la mecánica cuántica: "Sería sorprendente que la naturaleza no úsalo". Cuando Dirac habló sobre su trabajo, a la audiencia le pareció que no explicaba tanto el mundo existente, sino que, como un creador, crea el suyo propio, hermoso, matemáticamente riguroso. Sólo al final vuelve a la realidad. Comparando su mundo con el mundo real, Dirac a veces se encontraba con sorpresas que otros considerarían un golpe demoledor a la teoría. Pero esto es exactamente lo que Dirac no tenía. El criterio decisivo de la verdad para él era el aislamiento lógico. Por lo tanto, nunca pudo aceptar la teoría moderna de los campos cuánticos relativistas basada en el método de renormalización. Después de completar su trabajo sobre la mecánica cuántica relativista, Dirac viajó mucho y visitó universidades en Japón, la Unión Soviética y los Estados Unidos. Desde 1932 hasta su jubilación en 1968 fue profesor de física en Cambridge. Después de que Dirac dejó Cambridge, fue invitado a la Universidad de Florida, donde permaneció como profesor hasta el final de su vida. En 1973, Dirac recibió la Orden del Mérito Británica. Fue elegido miembro extranjero de la Academia Nacional Estadounidense de Ciencias (1949) y miembro de la Academia Pontificia de Ciencias (1961). Dirac murió en Tallahassee el 20 de octubre de 1984. Autor: Samin D.K.
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