fbTrack
REKLAMA
REKLAMA

Historia

Paul Dirac. Nerd, który dostał Nobla

Od 1953 roku Paul Dirac był wykładowcą Uniwersytetu w Oksfordzie
florida state university libraries
Co łączy Chopina, Myszkę Miki, piosenkarkę Cher i fizykę kwantową? Fizyk teoretyczny Paul Dirac, który za pomocą równań matematycznych namalował kwantowy obraz świata.

W piątek 8 grudnia 1933 roku Paul Adrien Maurice Dirac w towarzystwie matki dopłynął do szwedzkiego portu Malmö. Zmierzali do Sztokholmu, aby odebrać Nagrodę Nobla przyznaną mu za odkrycia w dziedzinie mechaniki kwantowej. Dworcowa kawiarnia, w której oczekiwali na pociąg, dość nieoczekiwanie stała się miejscem, gdzie znaleźli ich dziennikarze. Tam odbyła się konferencja prasowa z „bardzo cichym i nieśmiałym młodzieńcem” oraz „żywą i rozmowną damą”. Na pytanie skierowane do Diraca: czy nagroda go zaskoczyła, matka odpowiedziała: „Och nie, zupełnie nie. Czekałam na to, aż mój syn dostanie tę nagrodę tak samo wytrwale, jak on na nią pracował”. Dirac również wydawał się pobudzony zainteresowaniem prasy. Odpowiadał jednak w sposób charakterystyczny dla siebie i zupełnie inny, niż oczekiwali tego dziennikarze. Reporter „Svenska Dagabladet” zapytał, jak mechanika kwantowa odnosi się do codziennego życia. Naukowiec z rozbrajającą szczerością odpowiedział: „Moja praca nie ma żadnego praktycznego znaczenia. (…) Nie jestem zainteresowany literaturą, nie chodzę do teatru i nie słucham muzyki. Zajmuję się wyłącznie teoriami atomowymi”.

Trudne dzieciństwo

Paul Dirac urodził się w 8 sierpnia 1902 r. w Bristolu w Anglii. Jego ojciec pochodził ze Szwajcarii. Był nauczycielem francuskiego słynącym z wysokich wymagań i wielkiej surowości. Dom był zimny i pozbawiony miłości. Trudno wyobrazić sobie taką sytuację, ale w domu Diraców ojciec jadał posiłki z Paulem w salonie, rozmawiając z nim po francusku, a matka z pozostałą dwójką rodzeństwa w kuchni, gdzie używano angielskiego. Być może dlatego Paul źle wspominał dzieciństwo, jak sam po latach podkreślał, nie znał na tyle dobrze francuskiego, aby powiedzieć ojcu, co czuje.

Matka nastoletniego Paula bardzo troszczyła się o niego, choć wyraźnie kształtowała jego wygląd według swoich upodobań. Starannie układała mu loki i zakładała pumpy, mimo że dawno wyszły już z mody. Ubiór nie pozostawał niezauważony przez szkolnych kolegów, podobnie jak fascynacja naukami ścisłymi i nowoczesną technologią. Dziś powiedzielibyśmy, że Paul Dirac był klasycznym nerdem, który unikał kontaktów towarzyskich, kompletnie nie interesował się sportem, a jego zainteresowania znacznie przekroczyły granicę określaną jako hobby.

Szkoła, do której uczęszczał, miała bardzo wysoki poziom nauczania przedmiotów ścisłych. Pierwsza wojna światowa spowodowała, że starsi uczniowie wylądowali w okopach. Dzięki temu młodsi, w tym Dirac, uzyskali swobodny dostęp do dobrze wyposażonych pracowni i mogli uczyć się w mniejszych grupach. Paradoksalnie, to dzięki wojnie Paul uzyskał indywidualny tok nauczania, a ponieważ uczył się sam, już jako szesnastolatek rozpoczął studia na Wydziale Inżynierskim Uniwersytetu w Bristolu.

Charles Adrien Ladislas Dirac i Florence Hannah Dirac z trojgiem swoich dzieci: najmłodszą Betty, Paulem i najstarszym Reginaldem Charles'em Félixem
florida state university libraries

Rewolucja w nauce

7 listopada 1919 r. dziennik „The Times” opublikował liczący 900 słów artykuł pod tytułem „Rewolucja w nauce”, donosząc o prawdopodobnej weryfikacji teorii Einsteina, która obaliła koncepcje Newtona i „całkowicie zrewolucjonizowała akceptowalną fizykę fundamentalną”. To wówczas Einstein znalazł się w obszarze zainteresowania mediów i to prawdopodobnie wówczas Dirac zachwycił się teorią względności – ideą „prowadzącą do nowego sposobu myślenia”.

Dirac starał się dowiedzieć, na czym polega ta rewolucja naukowa. Zadanie nie było proste, ponieważ mało kto, łącznie z nauczycielami akademickimi, rozumiał, na czym polega przełom. Wbrew swoim nauczycielom ze studiów inżynierskich zrozumiał, że nie ma lepszego sposobu na interpretację zjawisk naturalnych niż zastosowanie do tego procesu zaawansowanej matematyki. Nie oznacza to, że nie doceniał inżynierskich metod wykonywania obliczeń. Imponowały mu one, ponieważ były znacznie szybsze niż techniki stosowane przez matematyków. Mówił o nich jak o „jakimś rodzaju magii” i stosował w trakcie swoich późniejszych prac. Te rozwiązania nie były zbyt dokładne, jednak Dirac uważał, że nauka rozwija się poprzez poszukiwanie teorii coraz ściślejszych, zatacza kręgi, zbliżając się do sedna, i w związku z tym musimy się pogodzić z pewnymi przybliżeniami. Pięćdziesiąt lat później pisał o swoim podejściu do matematyki: „W ogóle nie zadawałem sobie trudu, aby znaleźć ścisłe matematyczne znaczenie (niektórych moich symboli) lub wykazać się jakąkolwiek precyzją w postępowaniu z nimi. Myślę, że można tu dostrzec efekty inżynierskiego doświadczenia. Chciałem tylko szybko uzyskać wyniki, którym, moim zdaniem, będzie można choć odrobinę zaufać”.

W 1921 r. ukończył studia inżynierskie, a następnie rozpoczął studia matematyczne na Uniwersytecie w Bristolu. Skromne stypendium pozwoliło mu rozpocząć w 1923 r. studia na słynnym St John’s College w Cambridge. Tam pogłębiał wiedzę dotyczącą fizyki i matematyki, ale pracował również naukowo nad teoriami Bohra dotyczącymi atomu. Teorie te rozczarowały go. Znalazł w nich wiele niedoskonałości.

Przełom

W trakcie studiów magisterskich napisał pięć prac naukowych i był wysoko oceniany przez wykładowców. Ebenezer Cunningham, matematyk St John’s College, określił go jako „prawdopodobnie najbardziej oryginalnego studenta, jakiego poznałem w dziedzinie fizyki matematycznej”. W dalszym ciągu pozostawał dziwakiem i odludkiem.

Życie Paula Diraca zmieniło się na początku września 1925 r. Wówczas to listonosz przyniósł do jego domu pewną przesyłkę. Zawierała ona piętnaście stron pracy Wernera Heisenberga, która pokazywała zupełnie nowe podejście do zrozumienia budowy atomów. Zaczynała się ona od słów „Niniejszy artykuł ma na celu stworzenie podstawy dla teoretycznej mechaniki kwantowej opierającej się wyłącznie na związkach pomiędzy wielkościami, które z założenia są obserwowane”. Heisenberg podważał założenie Bohra, zastępując je „czysto matematyczną teorią elektronu”. W ten sposób pokazał całkowicie abstrakcyjną metodę przedstawiania obiektów, która dla fizyków jest najdokładniejszą metodą odwzorowania rzeczywistości. Dirac dostrzegł w tej pracy klucz do nowego podejścia do fizyki kwantowej. Był bardzo podekscytowany. Kilka lat później jego matka wspominała, że był to jedyny raz, kiedy opowiadał rodzicom o swojej pracy.

Dirac skupił się na tej teorii. Zdawał sobie sprawę, że jeśli jest prawdziwa, to dalsze analizowanie teorii Bohra jest bezwartościowe. Postawione problemy nie opuszczały go. Podczas jednego z niedzielnych spacerów doznał olśnienia. To ono i kilka tygodni nieprzerwanej pracy pozwoliło Diracowi na stworzenie matematycznej podstawy teorii kwantowej. Z pracy wyłonił się nowy obraz najmniejszych cząstek materii. Tych cząstek nie można było opisać za pomocą takich wielkości fizycznych jak położenie, prędkość czy pęd. Dirac opisał je za za pomocą „abstrakcyjnych wielkości matematycznych, które odpowiadają dobrze znanym wielkościom klasycznym”. Powstało równanie, które jest jednym z fundamentów fizyki kwantowej. Tylko najwytrwalsi i najlepsi fizycy potrafili zrozumieć ten opis. Wszyscy inni uważali go za nierzeczywisty. Z enigmatycznych symboli, po przeprowadzeniu operacji matematycznych wyłaniały się konkretne liczby, których wartość można zweryfikować doświadczalnie.

Teoria Diraca stała się znacznie bardziej ambitnym przedsięwzięciem niż prototyp Heisenberga. Pozwalała na wytłumaczenie większości zachowań atomów, które już znano z doświadczeń. Przyjmowała też sukces koncepcji Bohra, bez zakładania, że elektrony znajdują się na orbitach jak planety wokół gwiazdy. Mimo że teoria Diraca wyrasta z koncepcji Heisenberga, to on stworzył most łączący mechanikę kwantową z newtonowską.

Drzwi zostały otwarte

To były pierwsze kroki. Mechanika kwantowa w zasadzie jeszcze nie istniała. Tak naprawdę dopiero zaczęła się nią interesować grupa fizyków, różnych specjalności, podejrzewając, że dotychczasowe ustalenia mogą być wadliwe. Nikt nie wiedział, co oznaczają odkrycia ani do czego je stosować. Po latach Dirac często podkreślał, że „mechanika kwantowa była pierwszą teorią, która została odkryta, zanim ktokolwiek wiedział, co ona oznacza”.

Zanim teoria kwantowa stała się pełnoprawną dziedziną wiedzy, pracowało nad nią ok. 50 fizyków. Większość tych młodych ludzi była przed trzydziestką. Ponieważ nie mieli żadnych formalnych przywódców, każdy zajmował się tym wycinkiem wiedzy, który najbardziej mu odpowiadał. Mimo sporów większość naukowców współpracowała, dzieląc się pomysłami. Zdarzało się jednak, że nieporozumienia przybierały nieoczekiwany obrót i stawały się poważnymi konfliktami. We wspomnieniach Francisa Fergussona zachowała się opowieść, jak to Robert Oppenheimer wszedł w zatarg z kilka lat od siebie starszym fizykiem doświadczalnym Patrickiem Blackettem. Oppenheimer, niczym macocha Śnieżce, podrzucił mu zatrute chemikaliami jabłko. Przed konsekwencjami i karnym usunięciem z uczelni ocaliły go jedynie wpływy rodziców. Zaledwie kilku fizyków, w tym Dirac, wolało pracować w samotności.

Wszystkie fotony i elektrony świata

W 1926 r., w wieku 24 lat, Dirac opublikował pracę doktorską pod tytułem „Mechanika kwantowa”. Była to pierwsza praca dotycząca tego przedmiotu. Odniosła wielki sukces. Jednak fizyk nie zaniechał badań. Tym razem zainteresował się cząstkami fundamentalnymi. Są to cząstki, które, jak się uważa, nie posiadają żadnej struktury wewnętrznej – klasyczne przykłady to foton i elektron – ich istnienie pozwala wyjaśnić formy i zachowania materii. Mało tego, wszystkie elektrony i fotony są identyczne w całym wszechświecie. Nieważne, czy elektron znajduje się na Ziemi, czy w odległej galaktyce, są zawsze takie same. Podobnie fotony. Zarówno ten emitowany przez żarówkę, jak i ten emitowany przez słońce są identyczne. Niestety, zrozumienie niektórych aspektów zachowania elektronów było trudne. Obserwowane zjawiska zdawały się wzajemnie wykluczać. Klasyczna statystyka zupełnie sobie z tym problemem nie radziła.

W 1925 r. fizyk Wolfgang Pauli zaproponował zasadę wykluczenia. Ta teoria wyjaśniała „niechęć elektronów do własnego towarzystwa” i przyjmowania określonych stanów energetycznych. Dirac pochylił się nad tym pomysłem. Analizował pomysły Schrödingera, dodał do nich rozważania Heisenberga, dorzucił kilka swoich i pod koniec lata 1926 r. pokazał światu kilka wzorów, które są używane do dziś przez naukowców badających przepływ ciepła i ładunków w metalach i półprzewodnikach. Od tamtej pory wszystkie elektrony stosują się do zasad spisanych przez Diraca. Choć nie do końca, ponieważ osiem miesięcy wcześniej do tych samych wniosków doszedł włoski fizyk Enrico Fermi. Obaj zastosowali różne podejście do problemu, ale wyniki otrzymali jednakowe. Jedno z największych odkryć fizyki kwantowej – równania opisujące rozkład cząstek oraz stanów energetycznych – znane jest do dziś jako statystyka Fermiego-Diraca.

Delta Diraca

Fizycy tamtych czasów chcieli zostawić swój trop na ścieżce mechaniki kwantowej. Rozwiązywali drobne problemy, licząc, że to poprowadzi ich do wielkich odkryć. Podczas pobytu w Danii Dirac trafił w ich środowisko. Zespołem przewodził Niels Bohr. Paul znakomicie rozwijał się wśród życzliwych mu ludzi, choć jak zwykle zachowywał się dziwnie. To prawdopodobnie wówczas koledzy z zespołu stworzyli nową jednostkę fizyczną nazwaną „1 Dirac”, a określającą najmniejszą liczbę słów, jaką człowiek może wypowiedzieć w towarzystwie. Kiedy po zajęciach większość fizyków relaksowała się przy piwie, Dirac chodził po Kopenhadze i myślał. Zapewne dzięki jego temperamentowi w późniejszych wywiadach Bohr porównywał go do grabarza z „Hamleta”.

Paul spędzał dni w bibliotece, gdzie zapisywał kolejne strony bez jakichkolwiek poprawek. W niej właśnie powstawało coś, co zostanie uznane za jedno z jego największych odkryć.

Wiązało się ono z teoriami kwantowymi Schrödingera i Heisenberga. Teorie te dawały jednakowe wyniki, „choć różniły się w takim stopniu, w jakim język polski różni się od języka japońskiego”. Prowadząc prace, był o krok od odkrycia jednej z najważniejszych zasad w mechanice kwantowej. Niestety, Heisenberg był szybszy. Zasada nieoznaczoności została nazwana jego imieniem.

Dirac stworzył jednak pewną funkcję, która matematykom stawiała włosy na głowie, znakomicie jednak sprawdzała się w mechanice kwantowej. Nazwał ją delta i traktował jak własne dziecko. Delta zadecydowała o sukcesie metody Diraca wiążącej mechanikę klasyczną z kwantową i wyjaśniła związki między teoriami Schrödingera i Heisenberga. Albert Einstein, który był zagorzałym zwolennikiem jego pomysłu, powiedział o Diracu: „To balansowanie na oszałamiająco wąskiej linie pomiędzy geniuszem a szaleństwem jest okropne”.

Pole widzę ogromne

Kolejne prace Paule Diraca dotyczyły teorii pola Maxwella. Powiązał każdy akt powstawania i znikania fotonu z funkcją matematyczną. Fotony powstają wszędzie, tworzą je gwiazdy, włókno żarówki czy płonący ogień, znikają, kiedy zderzą się z przeszkodą, może nią być liść czy ludzkie oko. W jego obrazie pole elektromagnetyczne przenika cały wszechświat, a powstanie fotonu to wzbudzenie tego pola w określonym miejscu i czasie, zniknięcie oznacza brak pobudzenia, odprężenie, czyli relaksację.

Dirac postanowił stworzyć jednolitą teorię pola elektrycznego i magnetycznego. Zlikwidowała ona sprzeczność nad dwoma teoriami światła, tą, która opisywała rozchodzenie się światła, czyli teorią falową, a tą, która wyjaśniała oddziaływanie z materią, czyli teorią cząstek. Wybór między teoriami stał się zbędny. Zastąpiła go jednolita teoria pola. Prowadziła ona do tych samych wniosków co teorie Einsteina, ale była bardziej spójna matematycznie.

Dla Bohra Dirac był „absolutnym geniuszem logiki”. Z jego analitycznym umysłem i specyficznym sposobem interpretacji wiążą się anegdoty, jak choćby ta o wyprawie z Bohrem do Kopenhaskiej Galerii Sztuki, gdzie oglądali malarstwo impresjonistyczne. Jeden z obrazów Dirac skomentował jako niedokończony, o drugim powiedział: „Ten mi się podoba, bo stopień niedokładności jest wszędzie taki sam”. Ta jego odmienność, ekscentryczność, niechęć do wypowiedzi, ale jednocześnie matematyczna precyzja i sposób dosłownego traktowania świata stały się przyczyną powstania niezliczonej liczby „historii o Diracu”. Największe zamiłowanie do ich opowiadania miał właśnie Bohr. Dla niego Paul był „przedziwnym człowiekiem”, geniuszem, który miał gigantyczną wiedzę tylko w jednej dziedzinie, a nie przejawiał zainteresowania praktycznie żadną inną.

Kolejnym tematem, który zaprzątał myśli Diraca, była relatywistyczna teoria kwantowa elektronu – równanie, którym można opisać elektron. Zdawał sobie sprawę, że w tym przypadku musi zaufać szczęściu. Wypróbowywał jedną formułę po drugiej, odrzucał je, a jednocześnie, po inżyniersku, zawężał obszar poszukiwań. Pod koniec 1927 r. udało mu się. Stworzył równanie, które opisywało wszystkie elektrony we wszechświecie i całkowicie potwierdzało wyniki eksperymentalne. Nazwano je równaniem Diraca. Jak określił je fizyk Frank Wilczek „było przejmująco piękne”, „na podobieństwo równań ogólnej teorii względności Einsteina wzór Diraca był uniwersalny, lecz fundamentalnie prosty”. Heisenberg stwierdził, że z Dirakiem nie warto było rywalizować.

FRS, czyli pierwsza nagroda

Dirac nie miał śmiałości do kobiet, a romantyczne związki zupełnie go nie interesowały. Choć jest też bardzo prawdopodobne, że w ogóle nie rozumiał, na czym te związki polegają. Zapytał nawet Heisenberga, który lubił taniec i często bywał na potańcówkach, czemu marnuje czas na takie rozrywki. Ten odparł, że przyjemnie jest zatańczyć z atrakcyjną i interesującą kobietą. Dirac spytał: „Heisenberg, skąd wiesz a priori, że kobieta jest atrakcyjna?”.

Wyjazd do Getyngi w 1928 r. doprowadził go do pierwszych kontaktów z płcią przeciwną. Nie wytrąciły go one jednak z głównego nurtu zainteresowań. Ożenił się dopiero w 1937 r. z Margit Wigner, siostrą fizyka Eugene’a Wignera, która stworzyła mu szczęśliwą rodzinę z czworgiem dzieci. Dirac przedstawiał ją podobno jako „siostrę Wignera, ostatnio swoją żonę”.

Jedynym spoza fizycznych zamiłowań, prócz spacerów i chodzenia po górach, którym uległ Dirac, była Myszka Miki. Filmy animowane z jej udziałem, będące kontynuacją komiksów, które czytał jako chłopiec, wprost uwielbiał.

W 1930 r. po raz pierwszy naprawdę doceniono osiągnięcia Diraca. Został on wybrany na jednego z 447 członków Royal Society. Było to najwyższe osiągnięcie w brytyjskiej nauce. Członkiem Royal Society zostawali zazwyczaj naukowcy po czterdziestce lub pięćdziesiątce, Dirac miał zaledwie 27 lat.

Najmłodszy noblista

W następnych latach Paul Dirac podróżował po świecie, prowadząc wykłady i pisząc artykuły. Napisał także entuzjastycznie przyjęty podręcznik „Podstawy mechaniki kwantowej”. Nie zaniechał prac nad równaniem Diraca, co po wielu matematyczno-fizycznych perypetiach doprowadziło do odkrycia pozytonu, czyli elektronu o ładunku dodatnim, oraz potwierdzenia jego istnienia na drodze eksperymentów.

W czwartek 9 listopada 1933 r. Dirac otrzymał pewien telefon z zagranicy. Być może spodziewał się go, ale nigdy się do tego nie przyznał. Głos ze Sztokholmu poinformował go, że wraz ze Schrödingerem otrzymał Nagrodę Nobla za „odkrycie nowych i możliwych do realnego zastosowania form teorii atomowej”. Paul Dirac otrzymał nagrodę, mając trzydzieści jeden lat, i był najmłodszym laureatem, który otrzymał ją w dziedzinie fizyki. Nominował go angielski krystalograf William Bragg, przy sprzeciwie Einsteina.

Dirac nie chciał opowiadać o fizyce za pomocą codziennej terminologii. Uważał, że można ją opisać jedynie za pomocą matematycznych abstrakcji. Stwierdził, że „piękno matematyczne jest jakością, której nie da się określić, podobnie jak piękna w sztuce nie da się określić, ale ludzie, którzy studiują matematykę, nie mają zazwyczaj żadnej trudności w rozpoznawaniu go”. Dopiero pod koniec lat siedemdziesiątych przyznał w chwili szczerości, że prócz matematyki uwielbia walce Fryderyka Chopina, filmy z Myszką Miki i programy telewizyjne z piosenkarką Cher. Ten niepozorny, milczący człowiek wprowadził do współczesnej fizyki pojęcia, bez których dziś nie rozumielibyśmy pewnych zjawisk i procesów. To dzięki temu ekscentrycznemu nerdowi wiemy o istnieniu pozytonu i możemy używać pojęcia antymaterii.

Cytaty pochodzą z książki Grahama Farmelo „Przedziwny człowiek. Sekretne życie Paula Diraca, geniusza mechaniki kwantowej” oraz artykułu Zofii Gołąb-Meyer „Paul Dirac (1902–1984) – oryginał i samotnik” z pisma „Foton”

Źródło: Rzeczpospolita
REKLAMA
REKLAMA
REKLAMA
NAJNOWSZE Z RP.PL
REKLAMA
REKLAMA