Dirac a contribué au développement précoce de la mécanique quantique et de l’électrodynamique quantique.Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) est né le 8 août 1902 à Bristol, en Angleterre, de père suisse et de mère anglaise. Il a fait ses études à la Merchant Venturer’s Secondary School de Bristol, puis à l’Université de Bristol. Ici, il a étudié le génie électrique, obtenant le B.Sc. (Ingénieur) en 1921. Il a ensuite étudié les mathématiques pendant deux ans à l’Université de Bristol, puis au St. John’s College de Cambridge, en tant qu’étudiant chercheur en mathématiques. Il a obtenu son diplôme doctorat en 1926. L’année suivante, il devint membre du St John’s College et, en 1932, professeur lucasien de mathématiques à Cambridge. Les travaux de Dirac portent sur les aspects mathématiques et théoriques de la mécanique quantique. Il a commencé à travailler sur la nouvelle mécanique quantique dès son introduction par Heisenberg en 1925 – produisant indépendamment un équivalent mathématique qui consistait essentiellement en une algèbre non commutative pour le calcul des propriétés atomiques – et a écrit une série d’articles sur le sujet, publiés principalement dans le Actes de la Royal Society, menant à sa théorie relativiste de l’électron (1928) et à la théorie des trous (1930). Cette dernière théorie exigeait l’existence d’une particule positive ayant la même masse et la même charge que l’électron connu (négatif). Ceci, le positron a été découvert expérimentalement à une date ultérieure (1932) par CD Anderson, tandis que son existence a également été prouvée par Blackett et Occhialini (1933) dans les phénomènes de « production de paires » et « d’annihilation ».
In developing quantum mechanical theory, physicist Paul Dirac predicted that all matter has a mirror image – antimatter. Dirac's theory would later be proved experimentally.
L’importance des travaux de Dirac réside essentiellement dans sa célèbre équation d’onde, qui a introduit la relativité restreinte dans l’équation de Schrödinger. Compte tenu du fait que, mathématiquement parlant, la théorie de la relativité et la théorie quantique sont non seulement distinctes l’une de l’autre, mais aussi s’opposent, les travaux de Dirac pourraient être considérés comme une réconciliation fructueuse entre les deux théories. Les publications de Dirac comprennent les livres Quantum Theory of the Electron (1928) et The Principles of Quantum Mechanics (1930 ; 3e éd. 1947). Il a été élu membre de la Royal Society en 1930, recevant la médaille royale de la société et la médaille Copley. Il a été élu membre de l’Académie pontificale des sciences en 1961. Dirac a beaucoup voyagé et étudié dans diverses universités étrangères, dont Copenhague, Göttingen, Leyde, Wisconsin, Michigan et Princeton (en 1934, en tant que professeur invité). En 1929, après avoir passé cinq mois en Amérique, il fit le tour du monde, visita le Japon avec Heisenberg, puis revint à travers la Sibérie. En 1937, il épousa Margit Wigner, de Budapest.Il a reçu le prix Nobel de physique conjointement avec Erwin Schrödinger en 1933 pour ses contributions à la théorie atomique, la prédiction de Dirac de l’existence de l’antimatière ayant été prouvée expérimentalement à cette époque. Bien qu’il ait passé la majeure partie de sa vie à s’intéresser aux sciences théoriques, il avait initialement prévu de poursuivre une carrière plus pratique, obtenant son baccalauréat en génie électrique. Dirac est né le 8 août 1902 à Bristol, en Angleterre, bien qu’il ait été enregistré à la naissance comme Suisse parce que son père, Charles Adrien Ladislas Dirac, était un immigrant suisse. Sa mère, Florence Hannah Holten, était anglaise et Dirac obtiendrait lui-même la citoyenneté britannique en 1919. Le plus jeune Dirac avait deux frères et sœurs et étudia dans sa jeunesse au Merchant Venturer’s Technical College, la même école où son père enseignait le français. Dirac excellait en mathématiques et en sciences, mais son père souhaitait apparemment qu’il excelle également en français, car Dirac rapporta plus tard dans sa vie que son père ne lui répondrait que s’il parlait dans cette langue. Il a été communément plaisanté que cette habitude de son père était la raison pour laquelle Dirac est devenu un homme de peu de mots qui appréciait généralement la solitude.À l’âge de 16 ans, Dirac a commencé sa carrière de premier cycle à l’Université de Bristol. Après avoir obtenu son diplôme trois ans plus tard, il n’a pas pu trouver d’emploi comme ingénieur électricien, un problème compréhensible compte tenu de la dépression économique qu’a connue la Grande-Bretagne après la Première Guerre mondiale. Par conséquent, il a décidé de rester à Bristol, où une bourse lui a permis d’étudier dans le département de mathématiques pendant deux ans gratuitement. Pendant ce temps, Dirac semble avoir découvert sa véritable vocation, car à la fin de sa bourse, au lieu de chercher un emploi en génie électrique, il a postulé pour être assistant de recherche au département de mathématiques du St. John’s College de Cambridge. Il a obtenu le poste, et là, il en est venu à concentrer ses études sur les mathématiques appliquées à la théorie atomique.Ayant déjà développé un intérêt pour les théories d’Albert Einstein en tant qu’étudiant de premier cycle, Dirac s’est familiarisé à Cambridge avec les travaux de Niels Bohr, Max Born, Werner Heisenberg, Arnold Summerfeld et d’autres grands esprits théoriques, dont certains qu’il a eu le privilège d’entendre parler à l’université. Dirac a obtenu son doctorat en physique en 1926, mais avait déjà fait ses premières contributions notables dans le domaine avant même d’avoir obtenu son diplôme. Le directeur de recherche doctorale de Dirac, Ralph Fowler, a reçu une copie préliminaire d’un article écrit par Heisenberg en 1925 et a recommandé à Dirac de l’examiner attentivement. Ce faisant, Dirac a été intrigué par une équation développée par Heisenberg, qui élaborait un nouveau type de mécanique quantique, et s’est rendu compte plus tard que sa forme était analogue à celle des crochets de Poisson, une opération utilisée en mécanique classique. Ce Dirac a interprété comme un lien direct entre la physique quantique et classique, et la découverte l’a aidé à développer une formulation de la mécanique quantique qui surpassait toutes les autres dans sa généralité et sa logique. La mécanique quantique généralisée de Dirac l’a immédiatement placé dans les mêmes rangs que d’autres physiciens illustres travaillant dans le domaine, bien qu’il n’ait qu’une vingtaine d’années et n’ait pas encore obtenu son doctorat. Plus important encore, la formulation lui a permis de faire plusieurs autres avancées théoriques clés.En appliquant la mécanique quantique à la théorie de l’électromagnétisme de James Clerk Maxwell, Dirac a établi les bases de la théorie quantique des champs. Il a également utilisé sa version de la mécanique quantique pour développer la théorie de la transformation, qui non seulement unissait les points de vue opposés de la mécanique quantique proposés par Heisenberg et le physicien autrichien Erwin Schrödinger, mais a également établi que d’autres versions possibles de la mécanique quantique étaient également possibles. Cette réalisation capitale, qui a permis une compréhension beaucoup plus profonde de la mécanique quantique qu’auparavant, a été réalisée grâce à l’utilisation des seules mathématiques. Même lorsqu’il a présenté la théorie dans son texte séminal The Principles of Quantum Mechanics, qui a été publié en 1930, il n’a pas fourni d’analogies visuelles ou d’images mentales dans son explication parce qu’il croyait que cela « introduirait des non-pertinences ». En effet, cette philosophie semble avoir très bien servi Dirac, car en 1927, il prédit avec succès l’existence de nouvelles particules subatomiques en utilisant uniquement des arguments mathématiques. La déduction théorique des nouvelles particules, cependant, n’était qu’un sous-produit d’une autre entreprise historique.Estimant que la mécanique quantique devrait tenir compte de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein et mécontent des résultats d’autres physiciens qui avaient tenté d’y parvenir, Dirac décida de développer une équation du mouvement d’une particule quantique qui n’ignorerait pas les effets relativistes, comme a fait l’équation d’onde de Schrödinger. Pour son point de départ, Dirac n’a utilisé que les informations les plus élémentaires connues sur l’électron, sa charge et sa masse. De ce début simple, il est arrivé mathématiquement à une équation d’onde pour un seul électron qui respecte toutes les exigences de la relativité restreinte et de la mécanique quantique, et a pu prédire les propriétés de l’électron, y compris son spin et sa charge magnétique, avec une précision incroyable. L’importance des travaux de Dirac dans ce domaine a été reconnue par la Fondation Nobel en 1933, lorsqu’il a reçu le prix de physique conjointement avec Schrödinger. Au moment où il a reçu l’honneur, une prédiction initialement controversée que Dirac a faite sur la base de sa propre équation, selon laquelle il existait une contrepartie positive à l’électron, avait été vérifiée expérimentalement.Dans l’analyse de ses propres équations mathématiques, Dirac a découvert que les électrons pouvaient avoir une énergie cinétique positive ou négative. Cela ne pourrait être possible, a-t-il déduit, que s’il existait une particule non identifiée avec la même masse et la même charge que l’électron mais positive plutôt que négative. Suggérer que quelque chose existe dont personne n’a jamais vu la preuve a toujours été une entreprise risquée, et Dirac a d’abord hésité à tirer la conclusion à laquelle ses arguments mathématiques semblaient le conduire au cas où d’autres le considéreraient comme le signe d’une erreur dans son travail. . Sa peur semble avoir été bien fondée, comme indiqué dans une lettre de Heisenberg, avec qui Dirac était en bons termes, à Wolfgang Pauli, écrite après qu’Heisenberg se soit familiarisé avec les notions de Dirac sur l’anti-électron (ou le positron tel qu’il est maintenant appelé). Heisenberg a écrit : « Le chapitre le plus triste de la physique moderne est et reste la théorie de Dirac ». Vraisemblablement, Heisenberg a changé d’avis à ce sujet lorsque peu de temps après, en 1932, Carl Anderson a observé expérimentalement la particule d’antimatière que Dirac avait théoriquement anticipée. Des années plus tard, l’anti-proton et l’anti-neutron, qui pouvaient être prédits par l’extension des travaux de Dirac, ont également été prouvés.Après avoir obtenu son doctorat, Dirac a voyagé pendant deux ans avant de retourner au St. John’s College, où il a été élu membre en 1928. Quelques années plus tard, en 1932, il est devenu professeur lucasien de mathématiques à Cambridge. Lors d’un long voyage aux États-Unis en 1934 et 1935, il rencontre Margit Wigner, la sœur du physicien Eugene Wigner. Il l’a épousée en 1937 et le couple a élu domicile en Angleterre jusqu’en 1969, date à laquelle Dirac a pris sa retraite de Cambridge. Par la suite, ils ont déménagé aux États-Unis, où Dirac a travaillé pendant une courte période au Centre d’études théoriques de l’Université de Miami avant d’être nommé professeur émérite à la Florida State University. Il est décédé à Tallahassee le 20 octobre 1984 des suites d’une longue maladie.
Bien que la plupart des travaux les plus célèbres de Dirac aient été achevés dans la première partie de sa vie, il a été actif en physique théorique jusqu’à peu de temps avant sa mort. Il s’est particulièrement intéressé dans ses dernières années aux interrelations possibles entre certaines grandes constantes numériques et leur signification cosmologique potentielle. Plus précisément, selon l’hypothèse des grands nombres de Dirac, ces nombres particuliers ne sont considérés que comme des constantes, mais en réalité changent progressivement avec l’âge croissant de l’univers. L’attirance de Dirac pour la cosmologie, un domaine axé sur le développement d’une compréhension unifiée de l’univers, semble appropriée pour un homme qui a joué un rôle si important dans l’unification de différentes visions de la mécanique quantique. Quel que soit l’aspect de la physique sur lequel il s’est concentré, Dirac semble avoir été guidé par sa conviction que « les lois physiques devraient avoir une beauté mathématique ». La beauté de son propre travail a été remarquée par beaucoup. Cela est corroboré par le fait que, parmi les innombrables scientifiques et mathématiciens qui ont travaillé à travers les âges, Dirac est le seul à avoir fait apparaître une équation dans l’abbaye de Westminster, gravée dans la pierre.
Contributions majeures à la recherche
Paul Dirac avait un large éventail d’intérêts de recherche et était incroyablement productif dans son travail. Sa thèse de doctorat en 1926, il s’appuya sur les travaux de Werner Heisenberg et Edwin Schrödinger pour introduire une nouvelle notation pour la fonction d’onde quantique qui était plus analogue aux méthodes précédentes classiques (c’est-à-dire non quantiques). S’appuyant sur ce cadre, il a établi l’équation de Dirac en 1928, qui représentait l’équation mécanique quantique relativiste de l’électron. Un artefact de cette équation était qu’elle prédisait un résultat décrivant une autre particule potentielle qui semblait être exactement identique à un électron, mais possédait une charge électrique positive plutôt que négative. A partir de ce résultat, Dirac prédit l’existence du positron, la première particule d’antimatière, qui fut ensuite découverte par Carl Anderson en 1932.
En 1930, Dirac a publié son livre Principles of Quantum Mechanics, qui est devenu l’un des manuels les plus importants sur le sujet de la mécanique quantique pendant près d’un siècle. En plus de couvrir les différentes approches de la mécanique quantique à l’époque, y compris les travaux de Heisenberg et Schrödinger, Dirac a également introduit la notation braket qui est devenue un standard dans le domaine et la fonction delta de Dirac, qui a permis une méthode mathématique pour résoudre les discontinuités apparentes introduites par la mécanique quantique d’une manière gérable. Dirac a également considéré l’existence de monopôles magnétiques, avec des implications intrigantes pour la physique quantique si jamais on en observait l’existence dans la nature. À ce jour, ils ne l’ont pas fait, mais ses travaux continuent d’inspirer les physiciens à les rechercher.
Récompenses et reconnaissance
1930 – élu membre de la Royal Society
1933 – Prix Nobel de physique
1939 – Médaille royale (également connue sous le nom de Médaille de la Reine) de la Royal Society
1948 – Membre honoraire de l’American Physical Society
1952 – Médaille Copley
1952 – Médaille Max Planck
1969 – Prix commémoratif J. Robert Oppenheimer (inaugural)
1971 – Membre honoraire de l’Institute of Physics, Londres
1973 – Membre de l’Ordre du Mérite
Paul Adrien Maurice Dirac était un physicien théoricien anglais connu pour ses travaux en mécanique quantique et pour sa théorie de l’électron en rotation. En 1933, il partage le prix Nobel de physique avec le physicien autrichien Erwin Schrödinger.
Il a contribué au développement précoce de la mécanique quantique et de l’électrodynamique quantique. Dirac partage le prix Nobel de physique 1933 avec Erwin Schrödinger «pour la découverte de nouvelles formes productives de théorie atomique». Dirac est également célèbre pour l’équation de Dirac qui a prédit l’existence de l’antimatière.Événements historiques
1933-12-10 Le prix Nobel de physique est décerné à Paul Dirac et Erwin Schrödinger « pour la découverte de nouvelles formes productives de la théorie atomique »
