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폴 디랙

Paul Dirac
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폴 디랙

오엠 FRS
1933년 디랙
태어난
폴 애드리언 모리스 디랙

(1902-08-08)1902년 8월 8일
브리스톨
죽은1984년 10월 20일 (1984-10-20) (82세)
미국 플로리다주 탈라해시.
국적.영국의
교육
유명한
배우자.
마르기트 위그너
(m. 1937)
아이들.2
상
과학경력
필드이론물리학, 수리물리학
기관
논문양자역학 (1926)
박사지도교수랄프 파울러
박사과정생
에 대한 일련의 기사의 일부
양자역학
슈뢰딩거 방정식
배경
펀더멘털
실험
제형
방정식
해석
고급주제
사이언티스트
특수 상대성 이론
The world line: a diagrammatic representation of spacetime
기초
결과들
시공간
역학
사람
클라라 에발트의 폴 디랙 초상화 (1939)

폴 ɪˈ크(, 1902년 8월 8일 ~ 1984년 10월 20일)는 영국의 수학, 이론 물리학자로, 양자역학과 양자전기역학의 창시자 중 한 명으로 여겨집니다. 그는 양자장 이론의 기초를 다진 것으로 인정받고 있습니다.[9][10][11][12] 그는 케임브리지 대학교의 루카시안 수학 교수, 플로리다 주립 대학교와 마이애미 대학교의 물리학 교수, 그리고 1933년 노벨 물리학상 수상자였습니다.

디랙은 양자역학과 양자전기역학의 초기 발전에 근본적인 기여를 하였고, 후자의 용어를 만들어 냈습니다.[11] 다른 발견들 중에서도 그는 1928년에 페르미온의 행동을 설명하고 반물질의 존재를 예측하는 디랙 방정식을 공식화했으며,[13] 일부 사람들에 의해 "현대 물리학의 진짜 씨앗"으로 간주되는 [9]등 물리학에서 가장 중요한 방정식 중 하나로 여겨집니다.[14] 그는 1931년에 반물질의 존재를 더욱 예측하는 유명한 논문을 썼습니다.[15][16][17][13] 디랙은 1933년 에르빈 슈뢰딩거와 함께 노벨 물리학상을 수상했습니다.[18] 그는 또한 일반상대성이론과 양자역학의 조화에 지대한 공헌을 했습니다. 1930년 그의 모노그래프인 양자역학의 원리는 양자역학에 관한 가장 영향력 있는 텍스트 중 하나로 여겨집니다.[19]

디랙의 공헌은 양자역학에만 국한된 것이 아니었습니다. 그는 제2차 세계 대전 동안 원자 폭탄을 연구하고 건설하기 위한 영국 프로그램인 튜브 합금 프로젝트에 기여했습니다.[20][21] 또한 디랙은 우라늄 농축 과정과 가스 원심분리기에 근본적인 기여를 했으며,[22][23][24][21] 그의 연구는 "원심분리기 기술에서 아마도 가장 중요한 이론적 결과"로 여겨졌습니다.[25] 그는 또한 우주론에 기여하여 그의 큰 수 가설을 제시했습니다.[26][22][27][28][29] 디랙은 또한 디랙 막과 디랙-본-인펠트 작용에 대한 그의 연구로 시작되기 훨씬 전에 끈 이론을 예측한 것으로 여겨집니다.[30][31]

디랙은 그의 친구들과 동료들에 의해 성격이 특이하다고 여겨졌습니다. 1926년 폴 에렌페스트에게 보낸 편지에서 알버트 아인슈타인은 디랙의 논문에 대해 이렇게 썼습니다. "나는 디랙을 위해 수고하고 있습니다. 천재와 광기 사이의 아찔한 길에서 균형을 잡는 것은 끔찍합니다." 콤프턴 효과에 관한 또 다른 편지에서 그는 "디랙의 세부 사항을 전혀 이해할 수 없다"[32]고 썼습니다. 1987년 압두스 살람은 "디랙은 의심할 여지 없이 이 세기 또는 그 세기의 가장 위대한 물리학자 중 한 명이었습니다."라고 말했습니다. 아인슈타인을 제외한 그 어떤 사람도 이 세기의 물리학 과정에 이렇게 짧은 시간에 결정적인 영향을 미치지 않았습니다."[33] 1995년, 스티븐 호킹은 "디랙은 물리학을 발전시키고 우주에 대한 우리의 그림을 바꾸기 위해 아인슈타인을 제외하고 금세기 그 누구보다 많은 일을 했습니다"[34]라고 말했습니다. 안토니노 지치치는 디랙이 아인슈타인보다 현대 물리학에 더 큰 영향을 끼쳤다고 주장했습니다.[14] 그의 업적은 아이작 뉴턴 경, 제임스 클러크 맥스웰 그리고 아인슈타인과 어깨를 나란히 한다고 합니다.[35][36][37]

개인생활

초기

폴 애드리언 모리스 디랙은 1902년 8월 8일 영국 브리스톨에 있는 그의 부모님 집에서 태어났고,[38] 그 도시의 비숍스턴 지역에서 자랐습니다.[39] 그의 아버지 Charles Adrien Ladislas Dirac은 스위스 생 모리스 출신의 프랑스계 이민자로 [6]브리스톨에서 프랑스 교사로 일했습니다. 그의 어머니 플로렌스 한나 디랙(Forence Hanna Dirac)은 콘월의 리스카드(Liskeard)에 있는 콘월 감리교 가정에서 태어났습니다.[40][41] 그녀는 크림 전쟁 동안 나이팅게일이 군인일 때 만난 적이 있는 선장인 아버지에 의해 플로렌스 나이팅게일의 이름을 따서 지어졌습니다.[42] 그의 어머니는 젊은 여성일 때 브리스톨로 이주하여 브리스톨 중앙 도서관의 사서로 일했습니다. 그럼에도 불구하고 그녀는 여전히 자신의 정체성을 영어가 아닌 코니시어로 여겼습니다.[43] 폴에게는 베티로 알려진 여동생 베아트리스 이사벨 마르그리트와 펠릭스로 알려진 형 레지널드 찰스 펠릭스가 있었는데,[44][45] 1925년 3월에 자살로 사망했습니다.[46] 디랙은 나중에 "부모님은 몹시 괴로워하셨다"고 회상했습니다. 그들이 그렇게 관심이 많은 줄은 몰랐어요... 부모가 아이들을 돌봐야 한다는 것을 전혀 몰랐지만, 그때부터 알게 되었습니다."[47]

샤를과 아이들은 1919년 10월 22일 귀화할 때까지 공식적으로 스위스 국적이었습니다.[48] 디랙의 아버지는 체벌을 인정하지 않았지만 엄격하고 권위주의적이었습니다.[49] 디랙은 아버지와 껄끄러운 관계였기 때문에, 아버지가 돌아가신 후 디랙은 "나는 지금 훨씬 더 자유로워졌고, 나는 나의 남자입니다"라고 썼습니다. 찰스는 그의 아이들이 그 언어를 배울 수 있도록 그에게 오직 프랑스어로만 말하도록 강요했습니다. 디랙은 자신이 하고 싶은 말을 프랑스어로 표현할 수 없다는 것을 알았을 때, 침묵을 선택했습니다.[50][51]

교육

디랙은 처음에는 비숍 로드 초등학교에서[52] 교육을 받았고, 그 다음에는 아버지가 프랑스어 교사였던 상인 기술 대학(후에 코담 학교)에서 교육을 받았습니다.[53] 이 학교는 브리스톨 대학에 부속된 기관으로, 부지와 직원을 공유했습니다.[54] 벽돌 쌓기, 제화 및 금속 가공, 현대 언어와 같은 기술 과목을 강조했습니다.[55] 이것은 영국의 중등 교육이 여전히 고전에 주로 전념하고 있었고, 디랙이 나중에 감사를 표했던 어떤 것에 대해서도 여전히 헌신하고 있었던 시기에는 이례적이었습니다.[54]

디랙은 상인 벤처 기술 대학과 공동으로 위치한 브리스톨 대학교의 공학 교수진에서 전기 공학을 공부했습니다.[56] 1921년 학위를 마치기 직전, 그는 케임브리지 세인트 존스 칼리지의 입학 시험을 위해 자리를 잡았습니다. 그는 합격했고 70파운드의 장학금을 받았지만, 이것은 캠브리지에서 생활하고 공부하는 데 필요한 돈에는 미치지 못했습니다. 그는 공학 학사 학위를 수여받아 1등으로 졸업했지만, 전후 경제 불황으로 엔지니어로서의 직업을 찾을 수 없을 정도로 경제적인 상황이었습니다. 대신, 그는 브리스톨 대학에서 무료로 수학 학사 학위를 받기 위해 공부하겠다는 제안을 받았습니다. 그는 공학 학위 때문에 그 과정의 첫 해에 빠질 수 있었습니다.[57] 디랙이 최고의 수학 선생님이라고 불렀던 피터 프레이저의 영향을 받아 사영기하학에 가장 큰 관심을 가졌고, 이를 민코프스키가 개발한 상대성 이론의 기하학적 버전에 적용하기 시작했습니다.[58]

1923년 디랙은 다시 1등으로 졸업하고 140파운드의 장학금을 과학 산업 연구부로부터 받았습니다.[59] 세인트 존스 칼리지에서 받은 70파운드의 장학금과 함께, 이것은 캠브리지에서 살기에 충분했습니다. 그곳에서 디랙은 일반상대성이론에 대한 관심을 추구했는데, 이는 그가 브리스톨에서 학생일 때 일찍이 얻은 관심이었고, 양자물리학의 초기 분야에서 랠프 파울러의 지도 아래 이루어졌습니다.[60] 1925년부터 1928년까지 그는 1851년 전시회 왕립 위원회에서 1851년 연구 펠로우십을 가졌습니다.[61] 그는 1926년 6월에 양자역학에 관한 최초의 논문으로 박사학위를 마쳤습니다.[62] 그 후 그는 코펜하겐과 괴팅겐에서 연구를 계속했습니다.[61] 1929년 봄, 그는 위스콘신-매디슨 대학의 객원 교수였습니다.[63][64]

가족

1963년 7월 코펜하겐에서 폴과 만치 디랙

1937년 디랙은 물리학자 유진 위그너의[66] 여동생이자 이혼한 사람인 마르기트 위그너와 결혼했습니다[65].[67] 디랙은 마르기트의 두 자녀 주디스와 가브리엘을 마치 자신의 자식처럼 키웠습니다.[68] Paul과 Margit Dirac은 또한 Mary Elizabeth와 Florence Monica라는 두 딸을 함께 두었습니다.[69]

Manci로 알려진 Margit는 1934년에 고향인 헝가리에서 뉴저지 프린스턴에 있는 그녀의 오빠를 방문했고, Annex Restaurant에서 저녁을 먹는 동안 "옆 테이블에서 외로워 보이는 남자"를 만났습니다. 디랙을 만나 영향을 받은 한국의 물리학자 Y.S. Kim의 이 말 역시 다음과 같이 말하고 있습니다: "만치가 존경하는 폴 A를 잘 돌봐준 것은 물리학계에 매우 다행스러운 일입니다. M. 디랙. 디랙은 1939-46년 동안 11편의 논문을 발표했습니다. Dirac이 정상적인 연구 생산성을 유지할 수 있었던 것은 Manci가 다른 모든 것을 담당했기 때문입니다."[70]

성격

디랙은 정확하고 과묵한 성격으로 동료들 사이에서 잘 알려져 있었습니다. 케임브리지에 있는 그의 동료들은 농담으로 시간당 한 단어씩인 "디랙"이라고 불리는 단위를 정의했습니다.[71] 닐스 보어가 자신이 쓰고 있는 과학 기사에서 문장을 어떻게 마무리해야 할지 모른다고 불평하자 디랙은 "저는 학교에서 문장의 끝을 모른 채 절대로 시작하지 말라고 배웠습니다"라고 대답했습니다.[72] 그는 물리학자 J. Robert Oppenheimer의 시에 대한 관심을 비판했습니다: "과학의 목적은 어려운 것들을 더 단순한 방법으로 이해할 수 있게 만드는 것이고, 시의 목적은 단순한 것들을 이해할 수 없는 방법으로 진술하는 것입니다. 그 둘은 양립할 수 없습니다."[73]

디랙 자신은 대학원 시절 일기에 자신의 연구에만 집중했고, 혼자서 긴 산책을 하는 일요일에만 멈췄다고 썼습니다.[74]

2009년 전기의 리뷰에서 언급된 일화는 베르너 하이젠베르크와 디랙이 1929년 8월 일본에서 열린 회의에 참석하기 위해 원양 정기선을 타고 항해했다는 것입니다. "둘 다 아직 20대이고, 미혼인 그들은 이상한 커플을 만들었습니다. 하이젠베르크는 끊임없이 추파를 던지고 춤을 추는 여성 남성이었고, 전기 작가 그레이엄 파멜로의 말처럼 '에드워드 괴짜'인 디랙은 사교적이거나 소소한 이야기를 하도록 강요받으면 고통을 겪었습니다. '왜 춤을 추나요?' 디랙은 그의 동료에게 물었습니다. "착한 소녀들이 있을 때, 그것은 기쁨입니다"라고 하이젠베르크는 대답했습니다. 디랙은 이 생각에 대해 생각한 다음 불쑥 말했다: '하지만 하이젠베르크, 당신은 그 소녀들이 착하다는 것을 어떻게 사전에 알 수 있습니까?'[75]

마르기트 디랙은 1960년대에 조지 가모프와 안톤 카프리에게 그녀의 남편이 한 집 방문객에게 "이제는 내 아내가 된 위그너의 여동생을 소개시켜 주겠다"[76][77]고 말했다고 말했습니다.

디랙에 대한 또 다른 이야기는 그가 한 학회에서 젊은 리차드 파인만을 처음 만났을 때, 그는 오랜 침묵 후에 "저는 방정식이 있습니다. 당신도 있습니까?"[78]

그가 한 학회에서 강연을 한 후, 한 동료는 손을 들어 "칠판의 오른쪽 상단 모서리에 있는 방정식을 이해할 수 없다"고 말했습니다. 오랜 침묵 끝에 사회자는 디랙에게 질문에 대답하고 싶냐고 물었고, 디랙은 "그건 질문이 아니라 코멘트였습니다"라고 대답했습니다.[79][80]

디랙은 또한 그의 개인적인 겸손함으로 유명합니다. 그는 양자역학 연산자의 시간 진화에 대한 방정식을 "하이젠베르크 운동 방정식"이라고 불렀습니다. 대부분의 물리학자들은 반 정수 스핀 입자에 대한 페르미-디랙 통계와 정수 스핀 입자에 대한 보스-아인슈타인 통계에 대해 말합니다. 디랙은 말년에 강의하면서 항상 전자를 "페르미 통계학"이라고 부르자고 주장했습니다. 그는 후자를 "보즈 통계"라고 언급한 이유로 "대칭성"에 대해 설명했습니다.[81]

종교관

하이젠베르크는 1927년 솔베이 회의에서 볼프강 파울리, 하이젠베르크, 디랙 사이의 종교에 대한 아인슈타인과 플랑크의 견해에 대한 젊은 참가자들의 대화를 회상했습니다. 디랙의 공헌은 종교의 정치적 목적에 대한 비판이었고, 보어는 나중에 하이젠베르크로부터 이를 들었을 때 상당히 명석하다고 여겼습니다.[82] 무엇보다도 하이젠베르크는 디랙이 다음과 같이 말할 것이라고 생각했습니다.

왜 우리가 종교에 대해 논의하는지 모르겠습니다. 만약 우리가 정직하고 과학자들이 그렇게 해야 한다면, 우리는 종교가 현실적으로 근거가 없는 거짓 주장들의 뒤섞임을 인정해야 합니다. 하나님에 대한 바로 그 생각은 인간의 상상력의 산물입니다. 오늘날 우리보다 훨씬 더 자연의 압도적인 힘에 노출되어 있던 원시인들이 두려움과 떨림 속에서 이 힘들을 의인화했어야 하는 이유는 충분히 이해할 수 있습니다. 그러나 오늘날 우리가 너무나 많은 자연적 과정을 이해하고 있기 때문에 그러한 해결책이 필요하지 않습니다. 전능하신 하나님의 공준이 어떤 식으로든 우리를 돕는 것을 평생 볼 수 없습니다. 제가 볼 수 있는 것은 이러한 가정이 하나님께서 왜 그렇게 많은 불행과 불의를 허락하시는지, 부자들의 가난한 사람들에 대한 착취, 그리고 하나님께서 막으셨을 수도 있는 다른 모든 공포들에 대한 비생산적인 질문들로 이어진다는 것입니다. 종교가 아직도 가르쳐지고 있다면 그것은 결코 종교의 생각이 우리를 설득하기 때문이 아니라 단지 우리들 중 일부가 하층계급을 조용히 하고 싶어하기 때문입니다. 조용한 사람들은 떠들썩하고 불만스러운 사람들보다 통치하기가 훨씬 쉽습니다. 그들은 또한 훨씬 쉽게 이용할 수 있습니다. 종교는 아편의 일종으로 국가가 희망적인 꿈을 꾸게 하고 그래서 국민들에게 자행되고 있는 부당함을 잊게 해줍니다. 그래서 국가와 교회라는 두 거대한 정치세력 사이의 긴밀한 동맹관계가 형성된 것입니다. 둘 다 불의에 맞서 일어나지 않은 모든 사람들에게 친절한 하나님이 보답해 주신다는 환상이 필요합니다. - 땅 위는 아니더라도 하늘에서 말입니다. 그렇기 때문에 신은 인간의 상상력의 산물일 뿐이라는 정직한 주장이 모든 인간의 죄악 중에서 가장 나쁜 것으로 낙인찍히는 것입니다.[83]

하이젠베르크의 견해는 관대했습니다. 가톨릭 신자로 길러진 파울리는 몇 번의 최초 발언 이후 침묵을 지켰지만, 마침내 그가 의견을 물었을 때, "글쎄요, 우리의 친구 디랙은 종교를 가지고 있고, 그 종교의 지도 원칙은 '신은 없고, 폴 디랙은 그의 예언자입니다'입니다"라고 말했습니다. 디랙을 포함한 모든 사람들이 웃음을 터뜨렸습니다.[84][85]

말년에 디랙은 1963년 5월 Scientific American지에 등장하는 하나님에 대한 기사를 썼습니다.

근본적인 물리 법칙들이 거대한 아름다움과 힘을 가진 수학 이론의 관점에서 설명되는 것은 자연의 근본적인 특징들 중의 하나인 것 같습니다. 그것을 이해하기 위해서는 꽤 높은 수준의 수학이 필요합니다. 궁금하실 겁니다. 자연은 왜 이러한 선을 따라 구성되는 것일까요? 우리의 현재 지식이 자연이 그렇게 구성되어 있다는 것을 보여주는 것 같다고 대답할 수밖에 없습니다. 우리는 그것을 받아들이기만 하면 됩니다. 아마도 하나님은 매우 고차원적인 수학자이며, 우주를 구성하는 데 매우 발전된 수학을 사용했다고 말할 수 있을 것입니다. 수학에 대한 우리의 미약한 시도는 우주를 조금 더 이해할 수 있게 해주고, 점점 더 높은 수학을 발전시켜 가면서 우리는 우주를 더 잘 이해하기를 바랄 수 있습니다.[86]

1971년 회의에서 디랙은 신의 존재에 대한 자신의 견해를 밝혔습니다.[87] 디랙은 과거에 일어날 것 같지 않은 사건이 일어날 경우에만 신의 존재가 정당화될 수 있다고 설명했습니다.

삶을 시작하는 것이 매우 어려울 수 있습니다. 생명을 시작하는 것이 너무 어려워서 모든 행성 중에서 단 한 번 일어난 일일 수도 있습니다. 추측처럼, 우리가 적절한 신체 조건을 가졌을 때 생명이 시작될 확률은−100 10이라고 생각해 봅시다. 저는 이 수치를 제안할 논리적인 이유가 없습니다, 가능성으로 생각해 주셨으면 합니다. 그런 조건에서... 삶이 시작되지 않았을 것이 거의 확실합니다. 그리고 그 조건에서 삶을 시작하기 위해 신의 존재를 가정할 필요가 있을 것이라고 생각합니다. 그러므로 저는 신의 존재와 물리적 법칙들 사이에 이러한 연관성을 설정하고자 합니다. 만약 물리적 법칙들이 생명을 시작하는 것이 지나치게 작은 가능성을 수반한다면, 단지 맹목적인 우연에 의해서 생명이 시작되었을 것이라고 가정하는 것은 타당하지 않을 것입니다. 그리고 그런 신은 아마도 나중에 일어나는 양자 점프에서 그의 영향력을 보여줄 것입니다. 반면에 생명이 아주 쉽게 시작할 수 있고 어떤 신의 영향도 필요하지 않다면, 저는 신이 없다고 말할 것입니다.[88]

디랙은 어떤 확실한 견해에 헌신하지는 않았지만, 신의 질문에 과학적으로 대답할 수 있는 가능성을 묘사했습니다.[88]

직업

1927년 브뤼셀에서 열린 세계 최고의 물리학자들의 모임 솔베이 회의. 디랙은 알버트 아인슈타인 뒤에 앉은 가운데 줄 중앙에 있습니다.
1942년 더블린 고등연구소의 에아몽 드 발레라(왼쪽에서 네 번째), 에르빈 슈뢰딩거(오른쪽에서 두 번째) 옆에 디랙(왼쪽에서 세 번째).

디랙은 양자역학의 가장 일반적인 이론을 세웠고, 전자의 상대론적 방정식을 발견했고, 지금은 그의 이름이 붙어 있습니다. 각각의 페르미온 입자에 대한 반입자, 예를 들어 전자에 대한 반입자로서 양전자라는 놀라운 개념은 그의 방정식에서 비롯됩니다. 그는 오늘날 아원자 입자 또는 "초" 입자에 대한 모든 이론적 작업의 기초가 되는 양자장 이론을 개발한 최초의 사람이었습니다. 이 이론은 자연의 힘에 대한 우리의 이해의 기초가 되는 작업입니다. 그는 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 방정식에 더 큰 대칭을 가져다 주는 방법으로 아직 경험적으로 알려지지 않은 물체인 자기홀극의 개념을 제안하고 조사했습니다. 그는 양자 전기역학을 만들고 용어를 만드는 것과 함께 양자장 이론을 만든 사람으로 인정받고 있습니다.[10][12] 디랙은 또한 "퍼미온"과 "보손"이라는 용어를 만들었습니다.[89]

피터 고다드는 "디랙은 이론물리학에서 앞으로 나아갈 길을 선택하는 궁극적인 기준으로 수학적 아름다움을 꼽았습니다"[90][91]라고 말하며, 디랙은 수학적 아름다움의 원리에 동기부여를 받았습니다. 디랙은 수학적으로 재능이 있는 것으로 인정받았는데, 이는 그가 대학에 있을 때 학자들이 디랙이 "수학 물리학에서 가장 높은 수준의 능력을 가지고 있다"[92]고 단언했기 때문이며, 에벤저 커닝햄은 디랙이 "수학 물리학 분야에서 만난 가장 독창적인 학생"이라고 말했습니다.[93] 그러므로, 디랙은 "새로운 물리학을 창조하기 위해 새로운 수학을 발명하는 능력과 결합된 놀라운 물리적 직관"으로 유명합니다.[16] 그의 경력 동안, 디랙은 디랙 델타 함수, 디랙 대수, 디랙 연산자를 포함하여 수학 과목에 수많은 중요한 기여를 했습니다.

양자론

디랙은 1925년 9월 말에 새로운 양자 이론에 첫발을 내딛었습니다. 그의 연구 감독관인 랄프 파울러는 보어와 소머펠트의 오래된 양자 이론의 틀에서 베르너 하이젠베르크에 의한 탐사 논문의 증명 사본을 받았습니다. 하이젠베르크는 보어의 대응 원리에 크게 의존했지만 방정식을 직접 관찰 가능한 양을 포함하도록 변경하여 양자역학의 행렬 공식화로 이어졌습니다. 파울러는 하이젠베르크의 논문을 브리스톨에서 휴가를 보내고 있는 디랙에게 보내 이 논문을 자세히 들여다보라고 부탁했습니다.[94]

디랙의 관심은 하이젠베르크가 설정한 언뜻 이해할 수 없는 신비한 수학적 관계에 끌렸습니다. 몇 주 후 케임브리지로 돌아온 디랙은 갑자기 이 수학적 형태가 입자 운동의 고전 역학에서 나타나는 포아송 대괄호와 같은 구조를 가지고 있다는 것을 알아차렸습니다.[94] 당시 포아송 괄호에 대한 그의 기억은 다소 모호했지만 E.T.를 발견했습니다. 입자와 강체에 대한 휘태커의 해석적 역학 조명.[95] 그의 새로운 이해로부터, 그는 통근하지 않는 동적 변수에 기초한 양자 이론을 개발했습니다. 이것은 그를 지금까지 양자역학의 가장 심오하고 중요한 일반적인 공식으로 이끌었습니다.[96] 디랙 괄호를 사용한 그의 참신한 공식은 그가 양자화 규칙을 참신하고 더 조명적인 방식으로 얻을 수 있게 해주었습니다. 1926년에 출판된 [97]이 연구로 디랙은 캠브리지에서 박사학위를 받았습니다. 이는 고체와 액체의 전자와 같은 많은 동일한 스핀 1/2 입자로 구성된 시스템에 적용되는 페르미-디랙 통계의 기초를 형성했습니다.

디랙은 양자론에서 해석의 문제에 신경 쓰지 않았던 것으로 유명합니다. 사실, 그를 기리기 위해 책으로 출판된 논문에서, 그는 이렇게 썼습니다: "양자역학의 해석은 많은 저자들에 의해 다루어져 왔고, 저는 여기서 그것을 논의하고 싶지 않습니다. 좀 더 근본적인 것들을 다루고 싶습니다."[98] 그러나 1964년에 그는 양자론의 하이젠베르크 그림을 바탕으로 양자장 이론의 해석에 관한 짧은 글을 썼고, 그의 주요 요점은 슈뢰딩거 모델이 이러한 목적을 위해 작동하지 않는다는 것이었습니다.[99]

디랙 방정식

자세한 정보: 디랙 방정식

1928년 볼프강 파울리의 비상대론적 스핀계에 대한 연구와는 독립적으로 발견한 것으로 알려진 2×2개의 스핀 행렬을 기반으로 구축했습니다. (디랙은 에이브러햄 파이스에게 "저는 파울리로부터 독립적으로 이 [행렬들]을 얻었다고 생각하고, 아마도 파울리는 저로부터 독립적으로 얻었을 것입니다.").[100] 그는 전자의 파동함수에 대한 상대론적 운동방정식으로 디랙 방정식을 제안했습니다.[101] 이 작업으로 디랙은 전자의 반입자인 양전자의 존재를 예측하게 되었고, 이를 디랙 바다라고 불리게 된 측면에서 해석했습니다.[102] 양전자는 1932년 칼 앤더슨에 의해 관측되었습니다. 디랙의 방정식은 양자 스핀의 기원을 상대론적 현상으로 설명하는 데도 기여했습니다.

1934년 엔리코 페르미의 베타 붕괴 이론에서 페르미온(물질)이 생성되고 파괴될 필요성에 따라 디랙의 방정식은 스핀 ħ/2의 점입자에 대한 "고전적" 필드 방정식으로 재해석되었으며, 그 자체는 반통전자를 포함하는 양자화 조건에 종속됩니다. 따라서 1934년 베르너 하이젠베르크에 의해 모든 기본 물질 입자를 정확하게 기술하는 (양자) 필드 방정식으로 재해석되었으며, 이 디랙 필드 방정식은 맥스웰, 양-밀스 및 아인슈타인 필드 방정식만큼 이론 물리학의 중심입니다. 디랙은 양자전기역학의 창시자로 여겨지며, 이 용어를 처음 사용했습니다. 그는 또한 1930년대 초에 진공 분극에 대한 아이디어를 소개했습니다. 이 작업은 차세대 이론가들, 특히 슈윙거, 파인만, 신이티로 토모나가 및 다이슨이 양자 전기역학을 공식화함으로써 양자역학을 개발하는 데 핵심적인 역할을 했습니다.

1930년에 출판된 디랙의 양자역학의 원리는 과학의 역사에서 획기적인 사건입니다. 그것은 빠르게 그 주제에 대한 표준 교과서 중 하나가 되었고 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 그 책에서 디랙은 행렬역학에 대한 베르너 하이젠베르크의 이전 연구와 파동역학에 대한 에르빈 슈뢰딩거의 이전 연구를 물리적 시스템의 상태를 설명하는 벡터의 힐베르트 공간에 작용하는 연산자와 측정 가능한 양을 연관시키는 단일 수학 형식주의에 통합했습니다. 이 책은 디랙 델타 함수도 소개했습니다. 1939년 그의 글에 이어,[103] 그는 또한 그의 책의 세 번째 판에 브래지어-켓 표기법을 포함시켜 오늘날 보편적인 사용에 기여했습니다.[104]

자기홀극

1931년, 디랙은 우주에 하나의 자기홀극이 존재하면 전하의 양자화를 설명하기에 충분하다고 제안했습니다.[105] 1975년,[106][108][109][110] 1982년[107], 2009년 흥미로운 결과는 자기홀극의 검출 가능성을 시사했지만, 현재까지 자기홀극의 존재에 대한 직접적인 증거는 없습니다(자기홀극 검색 참조).

중력

디랙은 중력장을 양자화했습니다.[40][111] 그의 연구는 표준 양자 중력의 기초를 마련했습니다.[112] 1959년 린다우 회의에서 디랙은 중력파가 "물리적 중요성"을 갖는 이유에 대해 논의했습니다.[113] 디랙은 1964년에 중력파가 에너지 밀도를 잘 정의했을 것이라고 예측했습니다.[111] 디랙은 1959년 여러 강의에서 중력장의 에너지가 양자로 나와야 한다고 언급하면서 "중력자"라는 용어를 재도입 용어 방식으로 재도입했습니다.[114][115]

끈이론

디랙은 디랙 막과 디랙-본-인펠트 작용에 대한 그의 연구로 끈이론을 예상한 것으로 여겨집니다.[30][31] 그는 또한 오늘날의 게이지 이론과 초끈 이론의 기초를 이루는 [116][117][30]역학적 제약을 가진 양자장의 일반 이론을 개발했습니다.[30][40][118]

케임브리지 대학교

디랙은 1932년부터 1969년까지 케임브리지 대학교의 루카시안 수학 교수였습니다. 그는 1934년 헬리콘 소용돌이 동위원소 분리 과정을 구상했습니다.[119][120] 1937년, 그는 큰 수 가설에 근거한 사변적 우주론적 모델을 제안했습니다. 제2차 세계대전 중 그는 기체 원심분리기에 의한 우라늄 농축에 관한 중요한 이론을 수행했습니다.[121] 그는 1941년에 분리 작업 단위(SWU)를 도입했습니다.[122] 그는 제2차 세계 대전 동안 원자 폭탄을 연구하고 건설하기 위한 영국 프로그램인 튜브 합금 프로젝트에 기여했습니다.[123][21]

디랙의 양자전기역학(QED)은 종종 무한대의 예측을 했고 따라서 허용될 수 없는 예측을 했습니다. 재규격화(renormalization)라고 알려진 해결책이 개발되었지만 디랙은 이를 받아들이지 않았습니다. 1975년에 그는 "저는 이 상황에 매우 불만이 있다고 말해야겠습니다. 왜냐하면 소위 '좋은 이론'은 방정식에 나타나는 무한을 무시하고 임의적인 방식으로 무시하는 것을 포함하기 때문입니다."라고 말했습니다. 이것은 단지 합리적이지 않은 수학입니다. 분별력 있는 수학이란 어떤 양이 작을 때 그것을 무시하는 것을 포함합니다 – 그것이 무한히 크고 여러분이 그것을 원하지 않기 때문에 그것을 무시하는 것이 아닙니다!"[124] 그가 재규격화를 받아들이지 않은 것은 그 주제에 대한 그의 연구가 점점 주류에서 멀어지게 하는 결과를 낳았습니다.

그러나 그는 한 번 거절당한 노트에서 그가 공식화한 해밀턴 형식주의에 기초한 "논리적 기반"에 양자 전기역학을 적용하는 데 성공했습니다. 그는 1963년에 하이젠베르크 그림을 사용하고 바이스코프와 프랑스, 그리고 현대 QED의 두 선구자인 슈윙거와 파인만에 의해 사용된 결합 방법을 사용하지 않고 비정상적인 자기 모멘트 "슈윙거 항"과 양의 이동을 유도하는 다소 새로운 방법을 발견했습니다. 그건 토모나가-슈윙거 2년 전의 일입니다.–파인만 QED는 노벨 물리학상을 수상하여 공식적인 인정을 받았습니다.

바이스코프와 프렌치(FW)는 램 시프트와 전자의 비정상적인 자기 모멘트에 대한 정확한 결과를 처음으로 얻어냈습니다. 처음에 FW 결과는 파인만과 슈윙거의 부정확하지만 독립적인 결과에 동의하지 않았습니다.[125] Dirac이 Yeshiva University에서 양자장 이론에 대해 강의한 1963-1964년 강의는 1966년 벨퍼 과학 대학원, 모노그래프 시리즈 넘버 3으로 출판되었습니다.

플로리다 주립 대학교와 마이애미 대학교

플로리다 주립대학의 폴 디랙 흉상.

큰 딸 메리 곁으로 가기 위해 플로리다로 이사한 뒤, 디랙은 플로리다 코랄 게이블스에 있는 마이애미 대학교와 플로리다 탈라해시에 있는 플로리다 주립 대학교에서 그의 삶과 물리학 연구의 마지막 14년을 보냈습니다.

1950년대에 더 나은 QED를 찾기 위해 폴 디랙은 1949년 캐나다 국제 수학 대회에서 강연한 내용을 바탕으로 해밀턴의 제약[126] 이론을 개발했습니다. 디랙은[127] 또한 슈윙거를 넣는 문제를 해결했습니다.–토모나가 방정식은 슈뢰딩거 표현으로[128] 스칼라 중간자 필드(스핀 제로 파이온 또는 슈도스칼라 중간자), 벡터 중간자 필드(스핀 하나 로메손) 및 전자기장(스핀 하나의 질량 없는 보손, 광자)에 대한 명시적인 표현을 제공합니다.

제약된 시스템의 해밀토니안은 디랙의 많은 걸작 중 하나입니다. 그것은 곡선 시공간에서도 여전히 유효한 해밀턴 이론의 강력한 일반화입니다. 해밀턴 방정식은 상태가 고려되는 표면의 각 점에 대해 {\ p에 의해 설명되는 6개의 자유도만을 포함합니다. m = 0, 1, 2, 3)은 운동 방정식에서 임의의 계수로 발생하는 변수 g(- - / 를 통해서만 이론에 나타납니다. 표면 = 상수의 각 점에 대해 네 가지 제약 조건 또는 약한 방정식이 있습니다. 개의 {\ H_r}}는 표면에서 4개의 벡터 밀도를 형성합니다. 제4 은 표면 H ≈ 0; H ≈ 0 (r = 1, 2, 3)에서의 3차원 스칼라 밀도

1950년대 후반, 그는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 해밀토니안 형태로[129][130] 주조하고 중력의 양자화 문제를 기술적으로 완성하고 Salam과 DeWitt에 따라 물리학의 나머지 영역에도 더 가깝게 만들기 위해 자신이 개발한 해밀토니안 방법을 적용했습니다. 1959년에 그는 미국 물리학회의 뉴욕 회의에서 "중력장의 에너지"에 대한 초청 강연을 하기도 했습니다.[131] 1964년에 그는 양자역학에 관한 강의를 출판했습니다. 학술적) 곡선 시공간의 양자화를 포함한 비선형 동적 시스템의 제한된 역학을 다루는. 그는 1967년 ICTP/IAEA 트리에스테 현대 물리학 심포지엄에서 "중력장의 양자화"라는 논문을 발표하기도 했습니다.

1970년 9월부터 1971년 1월까지 디랙은 탈라해시에 있는 플로리다 주립 대학의 초빙 교수였습니다. 그 기간 동안 그는 그곳에서 영구적인 자리를 제안 받았고, 그것을 수락했고, 1972년 정교수가 되었습니다. 그가 그곳에서 보낸 현대의 기록은 그가 분명히 여름 더위를 억압하고 있다는 것을 발견하고 캠브리지로 탈출하는 것을 좋아했다는 것을 제외하고는 그것을 행복하다고 묘사합니다.[132]

그는 매일 약 1마일을 걸어서 출근했고, 근처에 있는 두 호수 중 하나(실버레이크와 로스트레이크)에서 수영하는 것을 좋아했고, 또한 수업과 세미나를 하는 것 외에 주로 집에서 일하는 캠브리지 대학에서 그랬던 것보다 더 사교적이었습니다. 플로리다 주에서, 그는 보통 낮잠을 자기 전에 동료들과 점심을 먹었습니다.[133]

디랙은 지난 12년 동안 일반 상대성 이론에 관한 짧은 책을 포함하여 60편 이상의 논문을 발표했습니다.[134] 그의 마지막 논문(1984)은 "양자장 이론의 불충분성"이라는 제목으로 양자장 이론에 대한 그의 최종 판단을 담고 있습니다: "이러한 재규격화 규칙은 놀랍게도 실험과 지나치게 잘 일치합니다. 따라서 대부분의 물리학자들은 이러한 작동 규칙이 옳다고 말합니다. 저는 그것이 적절한 이유가 아니라고 생각합니다. 그 결과가 관찰과 일치한다고 해서 자신의 이론이 옳다는 것을 증명하는 것은 아닙니다." 이 논문은 다음과 같이 끝납니다. "저는 수년 동안 해밀턴 이론을 가져올 사람을 찾았지만 아직 찾지 못했습니다. 저는 제가 할 수 있는 한 계속 작업할 것이고 다른 사람들도 그러한 선을 따르기를 바랍니다."[135]

학생들

그의 많은 학생들[3][136] 중에는 호미 J. 바하,[1] 프레드 호일, 존 폴킹혼[5], 프리먼 다이슨이 있었습니다.[137] 폴킹혼은 디랙이 "그의 근본적인 믿음이 무엇인지"에 대해 질문을 받은 적이 있다고 회상합니다. 그는 칠판으로 성큼성큼 걸어가서 자연의 법칙은 아름다운 방정식으로 표현되어야 한다고 썼습니다."[138]

아너즈

디랙은 1933년 에르빈 슈뢰딩거와 함께 노벨 물리학상을 수상했습니다.[18] 디랙은 1939년에 왕립 훈장을, 1952년에는 코플리 훈장과 막스 플랑크 훈장을 동시에 받았습니다. 1930년 왕립학회 회원, 1938년 미국철학회 회원,[139][6][140] 1948년 미국물리학회 명예회원, 1949년 미국국립과학원 회원,[141] 1950년 미국예술과학원 회원,[142] 그리고 1971년 런던 물리학 연구소 명예 연구원. 그는 1969년 제1회 J. Robert Oppenheimer 기념상을 수상했습니다.[143][144] 디랙은 1973년 기사 작위를 거부한 뒤 1973년 훈장을 받았습니다.[75][145]

죽음.

플로리다주 탈라해시의 로셀론 묘지에 있는 디랙 부부의 묘비. 2007년 1월 20일 사망한 그들의 딸 메리 엘리자베스 디랙이 그들 옆에 묻혀 있습니다.
웨스트민스터 사원에 있는 기념 표지.

1984년, 디랙은 플로리다주 탈라해시에서 사망하였고, 탈라해시의 로셀론 묘지에 안장되었습니다.[146] 브리스톨 비숍스턴에 있는 디랙의 어린 시절 집은 푸른 명판으로 기념되고 있으며,[147] 근처의 디랙 로드는 브리스톨 시와 그의 관계를 인정받아 이름이 지어졌습니다. 1991년 8월 1일, 그의 아버지 가족의 고향인 스위스 생 모리스의 한 정원에 기념비가 세워졌습니다. 1995년 11월 13일, 벌링턴 그린 슬레이트로 제작되고 디랙 방정식이 새겨진 기념 마커가 웨스트민스터 사원에서 공개되었습니다.[146][148] 웨스트민스터의 학장 에드워드 카펜터는 디랙을 반기독교적인 사람이라고 생각하면서 처음에는 기념비에 대한 허락을 거부했지만, 결국 (5년 이상의 기간 동안) 설득당했습니다.[149]

레거시

디랙의 연구의 영향력과 중요성은 수십 년 동안 증가해 왔고, 물리학자들은 그가 개발한 개념과 방정식을 매일 사용합니다.

1975년에 디랙은 뉴사우스웨일스 대학교에서 다섯 번의 강의를 했고, 그 후에 물리학의 방향(Directions in Physics, 1978)이라는 책으로 출판되었습니다. 그는 이 책의 저작권료를 디랙 강의 시리즈의 설립을 위해 대학에 기부했습니다. 이론물리학 발전을 위한 실버 디랙 메달은 뉴사우스웨일스 대학교에서 강의를 기념하기 위해 수여하는 상입니다.[150]

그가 죽은 직후, 두 개의 전문 물리학자 단체가 디랙을 추모하기 위해 매년 상을 제정했습니다. 영국의 물리학자들을 위한 전문 기관인 물리학 연구소는 폴 디랙 메달을 "이론적(수학적, 계산적) 물리학에 대한 뛰어난 공헌"으로 수여합니다.[151] 첫 세 명의 수상자는 스티븐 호킹 (1987), 존 스튜어트 벨 (1988), 로저 펜로즈 (1989)였습니다. 1985년부터, 국제 이론 물리학 센터는 매년 디랙의 생일(8월 8일)에 ICTP의 디랙 메달을 수여하고 있습니다.[152]

플로리다 주립 대학의 디랙 헬만상은 브루스 P가 수여한 상입니다. 1997년 FSU 연구원들의 이론 물리학 분야의 뛰어난 업적을 기리기 위해 헬만.[153] 폴 오전. 1989년 12월에 Manci가 개관한 플로리다 주립 대학교의 Dirac Science Library는 [154]그를 기리기 위해 이름이 지어졌고, 그의 논문들이 그곳에 보관되어 있습니다.[155] 바깥에는 가브리엘라 볼로바스의 동상이 있습니다.[156] 플로리다 탈라해시의 이노베이션 파크(Innovation Park)에 있는 국립 고유전계 연구소(National High Magnetic Laboratory)가 위치한 거리의 이름은 폴 디랙 드라이브(Paul Dirac Drive)입니다. 그의 고향인 브리스톨뿐만 아니라 옥스포드셔의 디코트에도 그의 이름을 딴 디랙 플레이스라는 도로가 있습니다.[157]

BBC는 그를 기리기 위해 디랙이라는 비디오 코덱을 이름 지었습니다. 1983년에 발견된 소행성은 디랙의 이름을 따서 붙여졌습니다.[158] DiRAC(Advanced Computing)와 Dirac 소프트웨어를 이용한 분산 연구는 그를 기리기 위해 이름 지어졌습니다.

출판물

  • 양자역학의 원리 (1930): 이 책은 디랙 자신이 크게 발전시킨 현대 형식주의를 이용한 양자역학의 아이디어를 정리한 책입니다. 책의 마지막에 그는 또한 그가 개척한 전자의 상대론적 이론(디랙 방정식)에 대해서도 이야기합니다. 이 작업은 양자역학에 관한 다른 글을 언급하지 않습니다.
  • 양자역학 강의 (1966): 이 책의 대부분은 휘어진 시공간에서 양자역학을 다루고 있습니다.
  • 양자장이론 강의 (1966): 이 책은 해밀턴 형식주의를 이용하여 양자장 이론의 기초를 다집니다.
  • 힐베르트 공간의 스피너 (1974): 1969년 미국 플로리다주 코랄 게이블스 마이애미 대학에서 진행된 강의를 바탕으로 한 이 책은 실제 힐버트 공간 형식주의에서 출발하는 스피너의 기본적인 측면을 다루고 있습니다. 디랙은 "페르미온 변수의 수가 무한하다면 페르미온 변수만으로 시작하는 이론에 보손 변수가 자동적으로 나타난다"고 예언적인 말로 마무리합니다. 전자와 연결된 보손 변수가 있을 것입니다.."
  • 일반 상대성 이론 (1975): 69페이지에 달하는 이 작품은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 요약한 것입니다.

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