保(bao)羅·狄拉克,1902年(nian)8月8日出(chu)生在(zai)英格蘭西(xi)南部的布(bu)里(li)斯(si)(si)(si)托(tuo)(tuo),成長(chang)在(zai)畢(bi)曉普斯(si)(si)(si)頓區的城市(shi)。他的父(fu)(fu)親,查爾斯(si)(si)(si)·埃(ai)卓恩·拉迪斯(si)(si)(si)拉斯(si)(si)(si)·狄拉克,是一(yi)個(ge)曾在(zai)布(bu)里(li)斯(si)(si)(si)托(tuo)(tuo)教書的法(fa)文老師,從(cong)瑞士(shi)瓦萊州的圣莫(mo)里(li)斯(si)(si)(si)移民(min)到(dao)英國。他的母(mu)(mu)親,佛羅倫斯(si)(si)(si)·漢娜(na)·狄拉克原姓霍爾滕(teng)是一(yi)位船長(chang)的女兒,曾在(zai)布(bu)里(li)斯(si)(si)(si)托(tuo)(tuo)中央(yang)圖(tu)書館擔(dan)任圖(tu)書管理員。保(bao)羅有一(yi)個(ge)妹(mei)妹(mei),叫(jiao)(jiao)阿特麗斯(si)(si)(si)·伊莎貝(bei)爾·瑪格麗特,大家稱她為貝(bei)蒂(di),還有一(yi)個(ge)哥(ge)哥(ge),雷(lei)金納(na)德·查爾斯(si)(si)(si)·費(fei)利克斯(si)(si)(si),大家叫(jiao)(jiao)他費(fei)利克斯(si)(si)(si)。費(fei)利克斯(si)(si)(si)在(zai)1925年(nian)3月自殺(sha)。狄拉克后(hou)來回憶說:“我的父(fu)(fu)母(mu)(mu)非常痛心。我不知道他們這么在(zai)乎...我從(cong)來不知道父(fu)(fu)母(mu)(mu)應該照顧(gu)自己的孩子,但自從(cong)這件(jian)事后(hou),我了解這件(jian)事。”
查爾斯(si)和(he)他(ta)(ta)(ta)的(de)孩(hai)子(zi)們(men)(men)注冊的(de)是(shi)(shi)瑞士國籍(ji)(ji),直到(dao)1919年10月(yue)22日(ri)才(cai)歸化為英國籍(ji)(ji)。狄拉克的(de)父(fu)(fu)親雖然(ran)他(ta)(ta)(ta)不贊成體(ti)罰,但卻是(shi)(shi)一(yi)個嚴(yan)格和(he)專制(zhi)的(de)人。狄拉克與他(ta)(ta)(ta)的(de)父(fu)(fu)親的(de)關系(xi)很緊張,以(yi)至于在他(ta)(ta)(ta)父(fu)(fu)親死后,他(ta)(ta)(ta)寫道:“我(wo)(wo)(wo)覺得我(wo)(wo)(wo)更自由了,我(wo)(wo)(wo)要(yao)做我(wo)(wo)(wo)自己。”查爾斯(si)為了使他(ta)(ta)(ta)的(de)孩(hai)子(zi)學習法語,強迫(po)他(ta)(ta)(ta)們(men)(men)只能(neng)說(shuo)法語。但狄拉克發現,他(ta)(ta)(ta)無法用法語表達他(ta)(ta)(ta)想說(shuo)的(de)話(hua),所以(yi)他(ta)(ta)(ta)選(xuan)擇(ze)保持(chi)沉(chen)默。
狄(di)拉克第一(yi)(yi)次受教(jiao)育是(shi)在主教(jiao)路小(xiao)學(xue)(xue),然(ran)后(hou)在男子商人合營技術(shu)學(xue)(xue)院(后(hou)來(lai)的(de)考瑟姆(mu)學(xue)(xue)校)就讀。他(ta)(ta)的(de)父親在那里是(shi)一(yi)(yi)位法(fa)語老師。這(zhe)所(suo)學(xue)(xue)校是(shi)布里斯(si)托大學(xue)(xue)內的(de)附屬機構,他(ta)(ta)們共享場地(di)和(he)人員(yuan)。這(zhe)所(suo)大學(xue)(xue)強調(diao)技術(shu)課(ke)程,如瓦(wa)工(gong)(gong)、制鞋、金屬工(gong)(gong)作和(he)現代語言。在當時仍然(ran)主要致力于經典文學(xue)(xue)的(de)英國中等教(jiao)育里,這(zhe)是(shi)一(yi)(yi)個不尋常的(de)安排(pai)。后(hou)來(lai)狄(di)拉克曾對這(zhe)些安排(pai)表示感激。
之后狄拉(la)克在布里斯托大學工程學院學習電機工程。盡管最喜歡的科目是數學,狄拉(la)克后來(lai)聲(sheng)稱工程教育(yu)對(dui)他(ta)影響深遠:
“原先,我只對(dui)完全(quan)正確的(de)(de)方程(cheng)感(gan)興趣(qu)。然(ran)而我所接受的(de)(de)工程(cheng)訓(xun)練教導我要容許近似,有(you)(you)時候我能夠從(cong)這些理(li)論(lun)中發現(xian)驚人的(de)(de)美,即使它是(shi)以近似為(wei)基(ji)礎...如果沒有(you)(you)這些來(lai)(lai)自工程(cheng)學的(de)(de)訓(xun)練,我或許無法在后(hou)來(lai)(lai)的(de)(de)研究(jiu)作(zuo)出任(ren)何成果...我持續(xu)在之后(hou)的(de)(de)工作(zuo)運用(yong)這些不完全(quan)嚴謹的(de)(de)工程(cheng)數學,我相信你們可(ke)以從(cong)我后(hou)來(lai)(lai)的(de)(de)文章中看出來(lai)(lai)...那些要求所有(you)(you)計(ji)算推導上完全(quan)精確的(de)(de)數學家(jia)很(hen)難在物(wu)理(li)上走得很(hen)遠。”
就(jiu)在1921年獲(huo)得(de)(de)學(xue)位(wei)(wei)的(de)前不久,他參(can)加了(le)劍橋(qiao)大(da)學(xue)圣約(yue)翰學(xue)院的(de)入(ru)學(xue)測驗。他通過入(ru)學(xue)考試并獲(huo)得(de)(de)一筆70英(ying)鎊(bang)的(de)獎學(xue)金,然而(er)這不足以支(zhi)付在劍橋(qiao)就(jiu)讀及生活所需的(de)龐大(da)金額。盡(jin)管(guan)以第一級榮(rong)譽工(gong)程(cheng)學(xue)士(shi)的(de)成績畢業,在當時英(ying)國戰(zhan)后經濟衰退(tui)的(de)環境下仍無法找到工(gong)程(cheng)師的(de)工(gong)作。因(yin)此,他選擇接受免學(xue)費攻讀布里斯托(tuo)大(da)學(xue)數學(xue)學(xue)士(shi)學(xue)位(wei)(wei)的(de)機會。由于已完成的(de)工(gong)程(cheng)學(xue)位(wei)(wei),他被允許(xu)抵免第一年的(de)課(ke)程(cheng)。
1923年狄(di)拉克再度以第一級榮譽的成績畢業并獲得140英鎊的獎(jiang)學(xue)金。加上來自約翰學(xue)院的70英鎊,這筆錢足(zu)夠(gou)他在劍橋(qiao)居住與求學(xue)。
原(yuan)(yuan)(yuan)先,狄(di)(di)拉克希望研究一直以來感興趣(qu)的(de)(de)相(xiang)對論,然而(er)在拉爾(er)(er)夫·福(fu)勒的(de)(de)指導下,狄(di)(di)拉克開始接觸(chu)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)理論。福(fu)勒將原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)理論中最新的(de)(de)概念如(ru)尼爾(er)(er)斯·玻爾(er)(er)等人的(de)(de)理論介紹給(gei)了狄(di)(di)拉克,對此狄(di)(di)拉克曾回憶到:
“還(huan)記得我(wo)(wo)(wo)頭一(yi)回看到(dao)玻爾(er)的(de)理論(lun),我(wo)(wo)(wo)相(xiang)當(dang)驚訝...讓人驚奇的(de)是在(zai)特(te)定的(de)條(tiao)件下(xia),我(wo)(wo)(wo)們(men)居然(ran)能將牛頓(dun)定律用在(zai)原(yuan)子(zi)里的(de)電(dian)(dian)子(zi)。第(di)一(yi)個條(tiao)件是忽略(lve)電(dian)(dian)子(zi)輻射,第(di)二則(ze)是放入(ru)量子(zi)條(tiao)件。我(wo)(wo)(wo)仍記得很清楚,玻爾(er)的(de)理論(lun)當(dang)時給了我(wo)(wo)(wo)多大的(de)震撼。我(wo)(wo)(wo)相(xiang)信在(zai)發展量子(zi)力學(xue)上,玻爾(er)引入(ru)的(de)這(zhe)個概念是最大的(de)突破。”
之后狄拉克(ke)(ke)也(ye)嘗(chang)試著將(jiang)玻(bo)爾(er)的(de)(de)(de)(de)理論(lun)作(zuo)延伸。1925年維爾(er)納·海(hai)森堡(bao)提(ti)出了(le)著眼(yan)于(yu)可(ke)觀(guan)察的(de)(de)(de)(de)物(wu)理量的(de)(de)(de)(de)理論(lun),當(dang)中牽(qian)涉(she)到(dao)矩陣(zhen)相乘的(de)(de)(de)(de)不(bu)可(ke)交換性。狄拉克(ke)(ke)起初對此并不(bu)特(te)別欣賞,然(ran)而約莫兩個星期之后,他(ta)意識到(dao)當(dang)中的(de)(de)(de)(de)不(bu)可(ke)交換性帶有(you)重要的(de)(de)(de)(de)意義(yi),并且發現了(le)經典力(li)(li)學(xue)中泊松括(kuo)號與(yu)海(hai)森堡(bao)提(ti)出的(de)(de)(de)(de)矩陣(zhen)力(li)(li)學(xue)規(gui)則(ze)的(de)(de)(de)(de)相似之處(chu)。基(ji)于(yu)這(zhe)項發現,他(ta)得(de)出更(geng)明確的(de)(de)(de)(de)量子(zi)化(hua)規(gui)則(ze)(即正則(ze)量子(zi)化(hua))。這(zhe)份名為(wei)《量子(zi)力(li)(li)學(xue)》的(de)(de)(de)(de)論(lun)文發表于(yu)1926年,狄拉克(ke)(ke)也(ye)憑(ping)借這(zhe)項工作(zuo)獲得(de)博(bo)士學(xue)位。
同時埃(ai)爾溫·薛(xue)定(ding)諤以物(wu)質波(bo)的(de)(de)(de)波(bo)方程提出了自己的(de)(de)(de)量子理論(lun)。狄拉克很(hen)快地發現到海森堡與薛(xue)定(ding)諤兩人的(de)(de)(de)理論(lun)是(shi)彼此互補的(de)(de)(de),并開始研究起薛(xue)定(ding)諤的(de)(de)(de)波(bo)動力(li)學(xue)。
1926年9月,在(zai)福勒的(de)建議之(zhi)下,狄(di)(di)拉(la)克(ke)前往位于(yu)哥(ge)本哈(ha)根的(de)尼爾(er)斯·玻爾(er)研究(jiu)所作了一段時間的(de)研究(jiu)。在(zai)哥(ge)本哈(ha)根的(de)這(zhe)段期間,狄(di)(di)拉(la)克(ke)持續量子力(li)(li)學(xue)的(de)研究(jiu),發(fa)展(zhan)出了涵蓋波動力(li)(li)學(xue)與矩陣(zhen)力(li)(li)學(xue)的(de)廣義理論。這(zhe)個方法與經(jing)典哈(ha)密(mi)頓(dun)力(li)(li)學(xue)理正則變(bian)換相(xiang)類似,允(yun)許(xu)使用不同(tong)組的(de)變(bian)量基底(di)。此外,為了處理連續的(de)變(bian)量,狄(di)(di)拉(la)克(ke)引入了新(xin)的(de)數學(xue)工(gong)具—狄(di)(di)拉(la)克(ke)δ函數。
狄拉(la)克也(ye)開(kai)始研究輻射(she)理(li)論(lun)(lun)。在(zai)他(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)文章(zhang)“吸收和放出(chu)輻射(she)的(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)理(li)論(lun)(lun)”中,他(ta)(ta)運用二次(ci)量(liang)子(zi)(zi)化的(de)(de)(de)(de)技巧將(jiang)波函數量(liang)子(zi)(zi)化,進一步將(jiang)光子(zi)(zi)輻射(she)與玻色(se)-愛因斯(si)坦統(tong)計(ji)連結(jie)起來(lai)。在(zai)這個方(fang)法(fa)中,粒(li)子(zi)(zi)集(ji)合的(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)態是(shi)以(yi)其粒(li)子(zi)(zi)在(zai)各能態中的(de)(de)(de)(de)分(fen)布來(lai)表(biao)示,并(bing)以(yi)粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)創造與消滅來(lai)對量(liang)子(zi)(zi)態作改變。狄拉(la)克展示了兩種方(fang)法(fa)是(shi)等(deng)價的(de)(de)(de)(de),將(jiang)電(dian)磁場以(yi)光子(zi)(zi)處理(li)或(huo)將(jiang)場作量(liang)子(zi)(zi)化。事(shi)實上,這個工作引發了新的(de)(de)(de)(de)物理(li)課題—量(liang)子(zi)(zi)場論(lun)(lun),而二次(ci)量(liang)子(zi)(zi)化則成為后(hou)來(lai)量(liang)子(zi)(zi)電(dian)動力(li)學的(de)(de)(de)(de)基礎。
1927年2月狄拉克(ke)來到哥(ge)廷根,在此他待了幾個月并結識了赫(he)爾曼·外爾、馬(ma)克(ke)斯·玻恩(en)、羅伯特(te)·奧本海默等人。
二次大(da)戰開戰之(zhi)后,由于缺乏(fa)足夠的教職人員,狄(di)拉(la)克(ke)在(zai)(zai)教學(xue)上的負擔加(jia)重(zhong)。另外,他(ta)還(huan)必(bi)須指(zhi)導許多研究生(sheng)(sheng)。在(zai)(zai)之(zhi)前,狄(di)拉(la)克(ke)一(yi)向試圖避(bi)免這類的責任,而更傾向獨自一(yi)人作研究。 其(qi)中的例外是在(zai)(zai)1930到(dao)(dao)1931年接手(shou)指(zhi)導了(le)福勒的學(xue)生(sheng)(sheng)錢德拉(la)塞卡,以及1935到(dao)(dao)1936年因為馬(ma)克(ke)斯·玻(bo)恩離開劍橋去了(le)愛丁堡(bao)而收了(le)兩個原(yuan)先(xian)玻(bo)恩指(zhi)導的學(xue)生(sheng)(sheng)。一(yi)生(sheng)(sheng)之(zhi)中,狄(di)拉(la)克(ke)所指(zhi)導的學(xue)生(sheng)(sheng)不到(dao)(dao)十二人(大(da)部分在(zai)(zai)1940、50年代)。
戰爭(zheng)期間(jian),狄(di)拉(la)克投(tou)入研發同位素分(fen)離法(fa)(fa)以(yi)取(qu)得鈾235。這在原子能的(de)應用(yong)上是極關鍵的(de)技術。他與彼得·卡(ka)皮查嘗試開發用(yong)離心機將(jiang)氣體混合物分(fen)離的(de)方(fang)法(fa)(fa),但其實驗后來因(yin)卡(ka)皮查受困俄國而停擺。
1941年,狄拉(la)克與牛津大學法(fa)蘭西(xi)斯·西(xi)蒙的團(tuan)隊展開合作,提供了許多(duo)對于統計方法(fa)的實(shi)用(yong)意(yi)見。這些方法(fa)在今日人們依然在使用(yong)。
此外,他還是伯明翰團隊在(zai)計算臨界(jie)質量上的非正式(shi)顧問。
1984年(nian),狄(di)(di)(di)拉克在(zai)(zai)佛羅(luo)里達州塔拉哈西過世,并埋葬(zang)于當地的羅(luo)斯蘭公墓。狄(di)(di)(di)拉克童年(nian)在(zai)(zai)布里斯托所(suo)居(ju)住的房(fang)子(zi)掛(gua)上(shang)了藍色牌(pai)(pai)匾,房(fang)子(zi)所(suo)在(zai)(zai)的道路也被命(ming)名(ming)為狄(di)(di)(di)拉克路以彰顯(xian)他(ta)與(yu)這個地區的聯(lian)結(jie)。當地主教路小(xiao)學的墻(qiang)上(shang)掛(gua)上(shang)了一塊牌(pai)(pai)子(zi),秀出了狄(di)(di)(di)拉克最著名(ming)的狄(di)(di)(di)拉克方(fang)程(cheng)。
1991年8月1日(ri),狄(di)拉克父親家鄉的(de)圣莫里斯花園立起了紀念石。1995年11月13日(ri),一塊以伯靈頓綠色板巖作為原料(liao)并刻上了狄(di)拉克方程的(de)紀念石板在(zai)西(xi)敏寺(si)首(shou)次(ci)亮相。牧(mu)師團(tuan)長(chang)愛德華·卡彭特曾(ceng)因狄(di)拉克是(shi)無神論者而反對此事(shi),其意見被置之不理。
1975年,狄(di)拉(la)(la)克(ke)在新南威爾(er)士(shi)(shi)大學給了(le)一系列(lie)五個演(yan)講(jiang)(jiang)。這系列(lie)演(yan)講(jiang)(jiang)后來(lai)集(ji)結出版(ban)成了(le)《物理學的方向(xiang)》(1978年)一書(shu)。他將(jiang)這本(ben)書(shu)的版(ban)稅捐給新南威爾(er)士(shi)(shi)大學設立了(le)狄(di)拉(la)(la)克(ke)系列(lie)講(jiang)(jiang)座。狄(di)拉(la)(la)克(ke)銀質獎章(zhang)便(bian)是在這個場合下由校方所(suo)頒發的獎項。
在狄(di)拉(la)(la)克(ke)去世之后,立即有兩個研究(jiu)機構設了年(nian)(nian)(nian)度(du)獎(jiang)項(xiang)來紀念狄(di)拉(la)(la)克(ke):英(ying)國(guo)物(wu)理學會頒(ban)發狄(di)拉(la)(la)克(ke)獎(jiang)章(zhang)和獎(jiang)金以表(biao)揚“在理論(包含(han)數學和計算方法)物(wu)理上的(de)杰出貢獻(xian)”。最初(chu)的(de)三個獲獎(jiang)人分別為史蒂芬(fen)·霍金(1987年(nian)(nian)(nian))、約翰·斯圖(tu)爾特·貝爾(1988年(nian)(nian)(nian))和羅杰·彭羅斯(1989年(nian)(nian)(nian));國(guo)際理論物(wu)理中心(International Centre for Theoretical Physics,簡稱(cheng):ICTP)在每年(nian)(nian)(nian)8月8日(狄(di)拉(la)(la)克(ke)的(de)生日)頒(ban)發ICTP狄(di)拉(la)(la)克(ke)獎(jiang)章(zhang)。另外,英(ying)國(guo)物(wu)理學會在布里斯托的(de)出版總部(bu)取名作(zuo)狄(di)拉(la)(la)克(ke)樓。
佛羅里(li)達(da)州立大學(xue)的(de)狄拉克(ke)-赫爾曼獎(jiang)是由布魯斯·赫爾曼博士(狄拉克(ke)最后一個博士學(xue)生)于1997年所設(she)立以獎(jiang)勵(li)該校理論物理研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)的(de)杰出表現(xian)。
位于佛(fo)羅里(li)達州立大學的(de)(de)保羅·狄拉(la)克(ke)科學圖書(shu)館,1989年由(you)曼琪(qi)所(suo)成立。狄拉(la)克(ke)生(sheng)前的(de)(de)論文都收藏于此,館外則設有其銅像。佛(fo)羅里(li)達州塔拉(la)哈西國(guo)家強(qiang)磁實(shi)驗室所(suo)在的(de)(de)那條(tiao)路(lu)被命(ming)名(ming)為(wei)(wei)“Paul Dirac Drive”。而在他的(de)(de)家鄉布里(li)斯托,迪高特鎮上的(de)(de)一條(tiao)路(lu)被命(ming)名(ming)為(wei)(wei)“Dirac Way”。英國(guo)廣(guang)播公司將其開發的(de)(de)一種影像壓(ya)縮(suo)格(ge)式以(yi)狄拉(la)克(ke)命(ming)名(ming)。
狄拉克因創立有效的(de)、新型(xing)式的(de)原(yuan)子理(li)論而獲得1933年的(de)諾貝爾(er)物理(li)學獎。
狄拉克(ke)發(fa)展了(le)量子(zi)力學,提出了(le)著(zhu)名的狄拉克(ke)方程,并且從理論上預(yu)言(yan)了(le)正電子(zi)的存在。
狄拉克原來從(cong)事相對(dui)論動力學(xue)的研(yan)究(jiu),自(zi)從(cong)1925年(nian)海森伯訪(fang)問劍橋大(da)學(xue)以后,狄拉克深受影響(xiang),把精力轉向量子力學(xue)的研(yan)究(jiu)。
1928年他把相(xiang)對論(lun)引進(jin)了量(liang)子(zi)(zi)力學,建立了相(xiang)對論(lun)形式的(de)(de)薛定諤方(fang)(fang)程,也就(jiu)是(shi)著名的(de)(de)狄拉克(ke)方(fang)(fang)程。這(zhe)一(yi)方(fang)(fang)程具(ju)有兩個(ge)(ge)特點:一(yi)是(shi)滿足相(xiang)對論(lun)的(de)(de)所有要(yao)求,適(shi)用于運動(dong)速度無(wu)論(lun)多快電(dian)子(zi)(zi);二(er)是(shi)它能(neng)自(zi)動(dong)地(di)(di)導(dao)出(chu)(chu)電(dian)子(zi)(zi)有自(zi)旋的(de)(de)結論(lun)。這(zhe)一(yi)方(fang)(fang)程的(de)(de)解很特別,既包(bao)括(kuo)正(zheng)能(neng)態(tai),也包(bao)括(kuo)負能(neng)態(tai)。狄拉克(ke)由此做(zuo)出(chu)(chu)了存在(zai)正(zheng)電(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)預(yu)(yu)言,認(ren)為正(zheng)電(dian)子(zi)(zi)是(shi)電(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)一(yi)個(ge)(ge)鏡像,它們具(ju)有嚴格相(xiang)同(tong)的(de)(de)質(zhi)量(liang),但是(shi)電(dian)荷(he)符號相(xiang)反(fan)(fan)。狄拉克(ke)根(gen)據這(zhe)個(ge)(ge)圖(tu)象,還預(yu)(yu)料存在(zai)著一(yi)個(ge)(ge)電(dian)子(zi)(zi)和一(yi)個(ge)(ge)正(zheng)電(dian)子(zi)(zi)互相(xiang)湮(yin)滅放出(chu)(chu)光(guang)(guang)子(zi)(zi)的(de)(de)過(guo)程;相(xiang)反(fan)(fan),這(zhe)個(ge)(ge)過(guo)程的(de)(de)逆過(guo)程,就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)(ge)光(guang)(guang)子(zi)(zi)湮(yin)滅產生(sheng)出(chu)(chu)一(yi)個(ge)(ge)電(dian)子(zi)(zi)和一(yi)個(ge)(ge)正(zheng)電(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)過(guo)程也是(shi)可能(neng)存在(zai)的(de)(de)。1932年,美(mei)國(guo)物理(li)學家(jia)安(an)德森(sen)(1923-)在(zai)研究宇宙射(she)線簇射(she)中高能(neng)電(dian)子(zi)(zi)徑(jing)跡的(de)(de)時候,奇怪(guai)地(di)(di)發現(xian)強磁場中有一(yi)半電(dian)子(zi)(zi)向(xiang)一(yi)個(ge)(ge)方(fang)(fang)向(xiang)偏(pian)轉(zhuan),另(ling)一(yi)半向(xiang)相(xiang)反(fan)(fan)方(fang)(fang)向(xiang)偏(pian)轉(zhuan),經過(guo)仔細辨認(ren),這(zhe)就(jiu)是(shi)狄拉克(ke)預(yu)(yu)言的(de)(de)正(zheng)電(dian)子(zi)(zi)。后來很快又發現(xian)了γ射(she)線產生(sheng)電(dian)子(zi)(zi)對,正(zheng)、負電(dian)子(zi)(zi)碰撞“湮(yin)滅”成光(guang)(guang)子(zi)(zi)等(deng)現(xian)象,全面印證了狄拉克(ke)預(yu)(yu)言的(de)(de)正(zheng)確性。狄拉克(ke)的(de)(de)工作,開創(chuang)了反(fan)(fan)粒(li)子(zi)(zi)和反(fan)(fan)物質(zhi)的(de)(de)理(li)論(lun)和實(shi)驗研究。
狄(di)(di)(di)拉(la)克是量(liang)子輻射(she)理(li)(li)論的(de)(de)創始人,曾經和費米各自獨立(li)發(fa)(fa)現(xian)了(le)(le)費米-狄(di)(di)(di)拉(la)克統(tong)計(ji)法。狄(di)(di)(di)拉(la)克還在美(mei)國佛(fo)羅里達州立(li)大學(xue)發(fa)(fa)表過大量(liang)有(you)關宇(yu)宙(zhou)學(xue)方面的(de)(de)論文(wen),推(tui)動宇(yu)宙(zhou)學(xue)研究的(de)(de)發(fa)(fa)展。特別值得一提的(de)(de)是,狄(di)(di)(di)拉(la)克早在本世(shi)紀三十年代,就從理(li)(li)論上提出(chu)可能(neng)存(cun)在磁單極(ji)的(de)(de)預言。近(jin)代物(wu)理(li)(li)學(xue)來有(you)關磁單極(ji)的(de)(de)理(li)(li)論研究和實驗探測取得了(le)(le)迅速發(fa)(fa)展。1982年國外已(yi)有(you)報(bao)道,宣稱有(you)人發(fa)(fa)現(xian)了(le)(le)磁單極(ji)存(cun)在的(de)(de)證據。當然,假(jia)如真(zhen)能(neng)從實驗上證實磁單極(ji)存(cun)在,一定(ding)會引起物(wu)理(li)(li)理(li)(li)論的(de)(de)深(shen)刻變化。
總結起來,狄(di)(di)拉(la)克(ke)對物(wu)理學(xue)的主要貢獻是:給(gei)出描述相對論(lun)(lun)(lun)性費米粒(li)子的量子力學(xue)方(fang)程(狄(di)(di)拉(la)克(ke)方(fang)程),給(gei)出反粒(li)子解;預(yu)言(yan)磁單極;費米—狄(di)(di)拉(la)克(ke)統計。另(ling)外在量子場論(lun)(lun)(lun)尤其是量子電動(dong)力學(xue)方(fang)面也作出了奠基(ji)性的工作。在引(yin)力論(lun)(lun)(lun)和引(yin)力量子化方(fang)面也有杰出的工作。
到了1927年(nian),由(you)于許多開創性(xing)的(de)(de)(de)工作(zuo),狄拉(la)克已成了科學(xue)界(jie)中(zhong)知名的(de)(de)(de)人物。證據就是他受到邀請參加(jia)了第五屆索爾(er)維(wei)會議(電子與光子)。同(tong)年(nian),狄拉(la)克被選為(wei)圣約(yue)翰學(xue)院(yuan)院(yuan)士,并(bing)在1929年(nian)被任(ren)命(ming)為(wei)數學(xue)物理的(de)(de)(de)高級講師(shi)。 此時(shi),狄拉(la)克正著手電子的(de)(de)(de)相對論(lun)性(xing)量子理論(lun)。當時(shi)雖然(ran)已經有了克萊因-戈爾(er)登方程(cheng),但(dan)狄拉(la)克認為(wei)問題并(bing)未被解決。這(zhe)個(ge)方程(cheng)可能給出負(fu)值的(de)(de)(de)概率,量子力學(xue)對概率的(de)(de)(de)詮(quan)釋無法(fa)解釋這(zhe)個(ge)問題。
就在(zai)1928年(nian)狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)提(ti)出了描(miao)述電(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)相(xiang)對論(lun)性方程——狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)方程,并(bing)獨(du)立(li)于(yu)沃爾夫(fu)岡(gang)·泡利的(de)(de)(de)工作發(fa)現(xian)了描(miao)述自旋的(de)(de)(de)2x2矩陣。亞伯拉(la)(la)罕·派斯(si)曾引(yin)述狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)如此說(shuo)道:“我(wo)(wo)(wo)相(xiang)信我(wo)(wo)(wo)獨(du)立(li)得到(dao)了它(自旋矩陣),泡利也許也是獨(du)立(li)于(yu)我(wo)(wo)(wo)得到(dao)這(zhe)個結果。” 然(ran)而狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)方程與克(ke)萊因-戈登方程有相(xiang)同的(de)(de)(de)問題,存在(zai)無法解(jie)釋(shi)的(de)(de)(de)負能量解(jie)。這(zhe)促使狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)預測(ce)電(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)反粒子(zi)(zi)——正電(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)存在(zai)。他詮(quan)釋(shi)正電(dian)(dian)子(zi)(zi)來自于(yu)填滿(man)電(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)之海。正電(dian)(dian)子(zi)(zi)于(yu)1932年(nian)由卡爾·安德森在(zai)宇宙射線中觀察到(dao)而證實。狄(di)(di)拉(la)(la)克(ke)方程同時能夠(gou)解(jie)釋(shi)自旋是作為(wei)一種相(xiang)對論(lun)性的(de)(de)(de)現(xian)象。
由于恩里科·費米在1934年(nian)的(de)(de)β衰變(bian)理(li)論(lun)牽涉(she)到粒子的(de)(de)毀滅(mie)與(yu)創(chuang)造(zao),使狄(di)拉(la)克方(fang)程(cheng)詮釋(shi)作(zuo)(zuo)任意自旋?/2之點(dian)粒子的(de)(de)場方(fang)程(cheng),其中場量子化的(de)(de)過程(cheng)包含(han)了反交換律。因此(ci)在1934年(nian),海(hai)森(sen)堡(bao)將狄(di)拉(la)克方(fang)程(cheng)重新詮釋(shi)作(zuo)(zuo)所有基本粒子(夸克與(yu)輕子)的(de)(de)場方(fang)程(cheng)——狄(di)拉(la)克場方(fang)程(cheng)。在理(li)論(lun)物理(li)中,這個場方(fang)程(cheng)處于與(yu)麥克斯(si)韋(wei)方(fang)程(cheng)、楊-米爾斯(si)規(gui)范理(li)論(lun)、愛因斯(si)坦場方(fang)程(cheng)同等核心的(de)(de)地位。狄(di)拉(la)克被視作(zuo)(zuo)量子電(dian)動(dong)力(li)學的(de)(de)奠基者(zhe),也是(shi)第一個使用量子電(dian)動(dong)力(li)學這個名詞的(de)(de)人。
另外(wai)在1930年代(dai)早期(qi),他也(ye)提出了真空(kong)極化的(de)概念。對于(yu)下(xia)一(yi)個世代(dai)的(de)理論學(xue)者施溫格(ge)、費曼(man)、朝(chao)永振(zhen)一(yi)郎、戴(dai)森等人(ren)而言,這個工作是量子電動力(li)學(xue)發展(zhan)的(de)關鍵(jian)。
1930年(nian)狄拉克(ke)(ke)(ke)出版(ban)了(le)他的(de)(de)量子(zi)(zi)力學著(zhu)作(zuo)(zuo)著(zhu)作(zuo)(zuo)《量子(zi)(zi)力學原理(li)》,這是(shi)物理(li)史上(shang)重要的(de)(de)里程碑,至今(jin)仍(reng)是(shi)量子(zi)(zi)力學的(de)(de)經典教材。在(zai)這本(ben)書中(zhong)(zhong),狄拉克(ke)(ke)(ke)將海森堡在(zai)矩陣力學以及薛定諤在(zai)波(bo)動力學的(de)(de)工作(zuo)(zuo)整(zheng)合成一個(ge)數(shu)學體系,當中(zhong)(zhong)連結了(le)可觀測量與希(xi)爾伯特(te)空間中(zhong)(zhong)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)子(zi)(zi)的(de)(de)關(guan)系。書中(zhong)(zhong)也介紹了(le)量子(zi)(zi)力學中(zhong)(zhong)廣泛應用(yong)(yong)的(de)(de)狄拉克(ke)(ke)(ke)δ函(han)數(shu)。延續狄拉克(ke)(ke)(ke)在(zai)1939年(nian)的(de)(de)文章,1939年(nian)他在(zai)此書第三版(ban)中(zhong)(zhong)加入了(le)他的(de)(de)數(shu)學符號(hao)系統——狄拉克(ke)(ke)(ke)符號(hao)。直到今(jin)天,狄拉克(ke)(ke)(ke)符號(hao)仍(reng)然是(shi)最(zui)廣泛使用(yong)(yong)的(de)(de)一套(tao)量子(zi)(zi)力學符號(hao)系統。
1932年狄拉(la)克(ke)接替約瑟夫·拉(la)莫爾(er)擔任劍橋大學(xue)盧卡斯數學(xue)教授。1933年狄拉(la)克(ke)與薛定諤共同獲得諾(nuo)(nuo)貝爾(er)物(wu)理(li)獎。他卻對(dui)盧瑟福(fu)說(shuo),他不(bu)想(xiang)出名(ming),他想(xiang)拒絕這個(ge)榮譽。盧瑟福(fu)對(dui)他說(shuo):“如果你這樣做,你會更(geng)出名(ming),人家更(geng)要來(lai)麻煩你。” 1933年12月12日,狄拉(la)克(ke)在斯德哥爾(er)摩發表了諾(nuo)(nuo)貝爾(er)獎得獎演說(shuo),題(ti)目為“電子與正電子的理(li)論”。
1931年在(zai)一(yi)(yi)(yi)篇“量子化電磁場(chang)中的(de)(de)奇點”的(de)(de)文(wen)章中,狄(di)(di)拉克探討了磁單(dan)極(ji)這個想法。1933年,延續了其1931年的(de)(de)論文(wen),狄(di)(di)拉克證(zheng)明了單(dan)一(yi)(yi)(yi)磁單(dan)極(ji)的(de)(de)存在(zai)就(jiu)足以解釋(shi)電荷的(de)(de)量子化。在(zai)1975年、1982年以及2009年都有研究結(jie)果指出磁單(dan)極(ji)可(ke)能存在(zai)。但到目前為止,仍沒有磁單(dan)極(ji)存在(zai)的(de)(de)直接證(zheng)據(ju)。即使如此,某些大統一(yi)(yi)(yi)理(li)(li)論仍包含磁單(dan)極(ji),用(yong)于解釋(shi)宇宙結(jie)構(gou)的(de)(de)形成。狄(di)(di)拉克的(de)(de)磁單(dan)極(ji)是第(di)一(yi)(yi)(yi)次將拓樸學(xue)的(de)(de)概(gai)念用(yong)于處理(li)(li)物理(li)(li)問題。
在(zai)(zai)(zai)1937年(nian),狄拉克提(ti)出了大數(shu)假說(shuo)。他(ta)比(bi)較了兩個不帶(dai)量綱的(de)量值:基本作用(yong)力(li)(在(zai)(zai)(zai)此為引(yin)力(li)與(yu)電磁(ci)力(li))的(de)比(bi)值與(yu)宇宙年(nian)齡的(de)尺度,發(fa)現(xian)兩者皆落在(zai)(zai)(zai)約(yue)39個數(shu)量級。狄拉克猜(cai)測這(zhe)可能并非巧合,兩者或(huo)許(xu)存在(zai)(zai)(zai)某種(zhong)關(guan)聯性。參(can)考(kao)了愛德華(hua)·亞瑟·米(mi)爾(er)恩(en)的(de)理論,允許(xu)引(yin)力(li)常數(shu)隨時間(jian)改變。基于這(zhe)些假設,他(ta)設計了一個自己的(de)宇宙學的(de)模型。