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BIOGRAPHIES DE GRANDS SCIENTIFIQUES
Dirac Paul Adrien Maurice. Biographie d'un scientifique
Annuaire / Biographies de grands scientifiques
Le physicien anglais Paul Adrien Maurice Dirac est né le 8 août 1902 à Bristol, dans la famille de Charles Adrien Ladislav Dirac, originaire de Suède, professeur de français dans une école privée, et d'une Anglaise, Florence Hannah (Holten) Dirac. Au début, Paul a étudié dans une école commerciale à Bristol. Il a ensuite étudié le génie électrique à l'Université de Bristol de 1918 à 1921 et a obtenu un baccalauréat ès sciences. Après cela, Paul a également suivi un cours de deux ans en mathématiques appliquées dans la même université. "Au cours de cette formation mathématique, Fraser m'a le plus influencé... c'était un excellent professeur, capable d'inspirer à ses élèves un sentiment d'admiration réelle pour les idées fondamentales des mathématiques... - se souvient Dirac. - J'ai appris deux choses de Fraser. D'abord, les mathématiques rigoureuses. Avant cela, je n'utilisais que des mathématiques non strictes, ce qui satisfaisait les ingénieurs... Ils ne se souciaient pas de la définition exacte de la limite, de la durée de la somme des séries, etc. Frazer enseignait que des idées logiques strictes étaient parfois nécessaires pour manier ces objets. » Et plus loin : "La deuxième chose que j'ai apprise de Fraser était la géométrie projective. Elle a eu un effet profond sur moi en raison de sa beauté mathématique inhérente... La géométrie projective fonctionne toujours sur un espace plat... elle vous fournit des méthodes telles que le one-to-one méthode de correspondance, qui, comme par magie, ils obtiennent des résultats ; les théorèmes de la géométrie euclidienne, sur lesquels vous avez longtemps tourmenté, sont déduits de la manière la plus simple, si vous utilisez les arguments de la géométrie projective. Dirac a continué à s'intéresser à la géométrie projective après être devenu étudiant diplômé à l'Université de Cambridge à la fin de 1923, spécialisé en physique théorique sous Ralph Howard Fowler. En particulier, il assistait régulièrement à des goûters chez le professeur Baker le samedi soir. Après chacun de ces goûters, quelqu'un faisait un rapport sur un problème géométrique. Dirac lui-même "a également travaillé avec la géométrie projective ... et a fait l'un des rapports lors d'un tel goûter. C'était la première conférence de ma vie et, bien sûr, je m'en souviens bien. Il s'agissait d'une nouvelle méthode pour résoudre problèmes projectifs. » Dirac entre ensuite à l'école doctorale en mathématiques de St. John à Cambridge et en 1926, il a soutenu sa thèse de doctorat. L'année suivante, Dirac devient membre du conseil scientifique du même collège. Alors qu'il était encore à l'université, Dirac s'est intéressé à la théorie de la relativité d'Albert Einstein. Pendant les années de troisième cycle de Dirac à Cambridge, Heisenberg et Schrödinger ont développé leurs formulations de la mécanique quantique en appliquant la théorie quantique pour décrire le comportement des systèmes atomiques et subatomiques et le mouvement des particules telles que l'électron. Dirac a commencé à étudier les équations de Heisenberg et Schrödinger dès leur publication en 1925, faisant plusieurs remarques utiles dans le processus. L'un des défauts de la mécanique quantique était qu'elle n'était développée que pour des particules à faible vitesse (par rapport à la vitesse de la lumière), ce qui permettait de négliger les effets considérés par la théorie de la relativité d'Einstein. Les effets de la théorie de la relativité, tels que l'augmentation de la masse d'une particule avec une vitesse croissante, ne deviennent significatifs que lorsque les vitesses commencent à se rapprocher de la vitesse de la lumière. Au congrès Solvay en octobre 1927, Bohr se rapproche de Dirac. Voici comment Dirac lui-même s'en souvient : " Bohr est venu vers moi et m'a demandé : " Sur quoi travaillez-vous maintenant ? " J'ai répondu : " J'essaie d'obtenir une théorie relativiste de l'électron. avait déjà résolu ce problème." J'étais quelque peu découragé. J'ai commencé à lui expliquer que la solution du problème de Klein basée sur l'équation de Klein-Gordon n'est pas satisfaisante, car elle ne peut pas être cohérente avec mon interprétation physique générale de la mécanique quantique. Cependant , je n'ai rien pu expliquer à Bohr, car notre conversation a été interrompue par le début de la conférence et la question est restée en suspens." Dirac n'était pas content. Il a cherché à obtenir des équations pour un seul électron, et non pour un système de particules de charges différentes. Il a réussi, mais la décision l'a surpris. Les particules de Pauli bidimensionnelles, qui décrivent bien le spin dans le cas non relativiste, faisaient clairement défaut. L'électron avait en théorie un degré de liberté supplémentaire - la liberté, en fin de compte, de la transition vers un état d'énergie négative. Cela avait l'air si sauvage qu'il était juste d'abandonner tout ce qui avait été fait. À la recherche d'une issue, Dirac a eu une idée étrange. Il a suggéré que tous les électrons de l'univers occupent des niveaux d'énergie négative, selon le principe de Pauli, formant un arrière-plan inobservable. Seuls les électrons d'énergie positive sont observables. "Les électrons", écrit Dirac, "sont distribués dans le monde entier avec une densité élevée à chaque point. La vacuité parfaite est la région où tous les états d'énergie négative sont occupés." "Les états inoccupés à énergie négative apparaîtront comme quelque chose à énergie positive, car pour qu'ils disparaissent, il est nécessaire d'y introduire un électron à énergie négative. Nous supposons que ces états inoccupés à énergie négative sont des protons." La théorie de Dirac a été accueillie avec scepticisme. L'arrière-plan hypothétique des électrons a suscité la méfiance, de plus, la théorie de Dirac, selon ses propres termes, "était très symétrique par rapport aux électrons et aux protons". Mais le proton diffère de l'électron non seulement par le signe de sa charge, mais aussi par sa masse. La découverte du positon, une particule véritablement symétrique à l'électron, a forcé une nouvelle appréciation de la théorie de Dirac, qui prédisait essentiellement l'existence du positron et d'autres antiparticules. Lors de la conférence de Leningrad de 1933, Dirac a exposé l'essence de la théorie des positrons comme suit : "Supposons que dans le monde que nous connaissons, presque tous les états électroniques à énergie négative sont occupés par des électrons. Cet ensemble d'électrons assis à une énergie négative les niveaux, en raison de son homogénéité, ne peuvent pas être perçus par nos sens et nos instruments de mesure, et seuls les niveaux non occupés par des électrons, étant quelque chose d'exceptionnel, une sorte de violation de l'homogénéité, peuvent être remarqués par nous exactement de la même manière que nous remarquons les états occupés des électrons d'énergie positive, c'est-à-dire un "trou" dans la répartition des électrons d'énergie négative seront perçus par nous comme une particule d'énergie positive, car l'absence d'énergie cinétique négative équivaut à la présence de énergie cinétique positive, puisque moins par moins donne un plus ... Il semble raisonnable d'identifier un tel "trou" avecpositron, c'est-à-dire affirmer que le positron est un "trou" dans la distribution des électrons d'énergie négative. "Selon la théorie de Dirac", écrit F. Joliot, "un électron positif peut disparaître lors d'une collision avec un électron négatif libre ou faiblement lié, formant deux photons émis dans des directions opposées". Il existe également un processus inverse - la "matérialisation" des photons, lorsque "des photons d'énergie suffisamment élevée peuvent créer des électrons positifs lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux lourds... Un photon, interagissant avec un noyau, peut créer deux électrons de charges opposées". Dérivée par un scientifique anglais et publiée en 1928, l'équation s'appelle maintenant l'équation de Dirac. Elle a permis de s'accorder avec les données expérimentales. En particulier, le spin, qui était auparavant une hypothèse, a été confirmé par l'équation de Dirac. Ce fut le triomphe de sa théorie. De plus, l'équation de Dirac a permis de prédire les propriétés magnétiques de l'électron (moment magnétique). Dirac appartient également à la prédiction théorique de la possibilité de naissance d'une paire électron-antiélectronique à partir d'un photon d'énergie suffisamment élevée. L'antiélectron prédit par Dirac a été découvert en 1932 par Carl D. Andersen et a été nommé positron. Plus tard, l'hypothèse de Dirac sur la possibilité de la naissance d'un couple a également été confirmée. Par la suite, Dirac a émis l'hypothèse que d'autres particules, telles que le proton, devaient également avoir leurs homologues d'antimatière, mais une théorie plus sophistiquée serait nécessaire pour décrire de telles paires de particules et d'antiparticules. L'existence de l'antiproton a été confirmée expérimentalement en 1955 par Owen Chamberlain. De nombreuses autres antiparticules sont maintenant connues. L'équation de Dirac a permis de clarifier le problème de la diffusion des rayons X par la matière. Le rayonnement X se comporte d'abord comme une onde, puis interagit avec un électron comme une particule (photon) et après une collision, il redevient comme une onde. La théorie de Dirac a fourni une description quantitative détaillée de cette interaction. Dirac découvrit plus tard la distribution statistique de l'énergie dans un système d'électrons, maintenant connue sous le nom de statistique de Fermi-Dirac. Ce travail a été d'une grande importance pour la compréhension théorique des propriétés électriques des métaux et des semi-conducteurs. Dirac a également prédit l'existence de monopôles magnétiques - des particules magnétiques positives ou négatives isolées, semblables à des particules électriques chargées positivement ou négativement. Les tentatives de détection expérimentale des monopôles magnétiques ont jusqu'à présent été infructueuses. Tous les aimants connus ont deux pôles - nord et sud, qui sont inséparables l'un de l'autre. Dirac a suggéré que les constantes physiques naturelles, telles que la constante gravitationnelle, peuvent ne pas être constantes au sens exact des mots, mais changer lentement avec le temps. L'affaiblissement de la pesanteur, s'il existe, est si lent qu'il est extrêmement difficile à détecter, et reste donc hypothétique. Dirac et Schrödinger ont reçu le prix Nobel de physique en 1933 "pour leur découverte de nouvelles formes productives de théorie atomique". Dans sa conférence, Dirac a souligné la possibilité de l'existence "d'étoiles constituées principalement de positrons et d'antiprotons" résultant de la symétrie entre les charges électriques positives et négatives. Peut-être que la moitié des étoiles appartient à un type et l'autre à un autre. Ces deux types d'étoiles auraient dû avoir le même spectre, et il serait impossible de les distinguer par les méthodes de l'astronomie moderne." En 1937, Dirac épouse Margit Wigner, sœur du physicien Eugen P. Wigner. Ils ont eu deux filles. Il est généralement admis que Dirac est une personne taciturne et peu sociable. Donc c'était ça. Il préférait travailler seul et avait peu d'élèves directs, mais parallèlement à cela, il avait la capacité d'une amitié sincère et profonde. Dirac a trouvé deux de ses amis les plus proches en Union soviétique. Il s'agissait de Peter Kapitsa et Igor Tamm. Les mémoires de la fille de Tamm, Irina, sur Dirac sont curieuses: "Pendant deux années consécutives, P. A. M. Dirac, qui est venu à Moscou, est resté avec nous, avec qui papa s'est rencontré et est devenu ami en 28 à Ehrenfest à Leiden. Je me souviens comment sur mon Deuxième visite du soir, un Dirac radieux entre et, levant le doigt, déclare solennellement : « Tamm, tu as des changements grandioses. » En réponse à la stupéfaction de tous, il explique : « Maintenant, la lumière est allumée dans les toilettes. À l'automne 1934, Kapitsa n'a pas été autorisé à retourner en Angleterre, dans le laboratoire dont il était responsable, et il a d'abord été contraint de rester en URSS sans possibilité de travail scientifique. Dirac voulait venir en Union soviétique pour essayer d'aider Kapitsa. Ce problème a été discuté en détail dans la correspondance entre lui et la femme de Kapitsa, Anna Alekseevna, qui était alors à Cambridge. Dirac donnait des conférences aux États-Unis cette année-là. Pour sauver Kapitsa, il a même recueilli des signatures dans le cadre d'une lettre collective de physiciens américains au gouvernement de l'URSS, avec R. Milliken en visite à l'ambassade soviétique. Les amis et connaissances de Paul Dirac ont souvent été étonnés par sa réaction inattendue et parfois "étrange" aux sujets abordés dans la conversation. Certes, alors il devenait évident que ses propos étaient une réponse naturelle et logique, et que ce n'étaient que les associations purement automatiques et irréfléchies de tous les autres qui faisaient attendre autre chose de lui. La même propriété se manifestait dans sa physique. La ressemblance est si évidente que de nombreuses histoires célèbres sur le scientifique peuvent être directement corrélées avec certains de ses articles. Voici, par exemple, l'histoire des pilules dans un flacon, racontée par H. R. Ulm. Ulm s'est excusé pour le bruit dans sa poche, expliquant que la bouteille n'était plus pleine et faisait donc du bruit. Dirac a fait remarquer: "Je pense que ça fait le plus de bruit quand c'est à moitié plein." Il a saisi le fait que la bouteille ne fait pas de bruit, non seulement lorsqu'elle est vide, ce qui est évident, mais aussi lorsqu'elle est complètement pleine. Cette pensée est similaire à l'idée qui sous-tend sa "théorie des trous". Dans un autre épisode, la conversation autour d'un thé s'est tournée vers le fait que parmi les enfants nés récemment de physiciens à Cambridge, il y avait une proportion étonnamment élevée de filles. Quand quelqu'un a fait remarquer avec désinvolture, "Il doit y avoir quelque chose dans l'air!" - Dirac a ajouté après une pause: "Ou peut-être dans l'eau." Il a pris l'expression "dans les airs" non pas dans son sens conventionnel, mais au pied de la lettre, y voyant une application possible. Cette tendance se reflète dans plusieurs de ses œuvres. Peut-être est-il apparu pour la première fois dans la façon dont il a utilisé l'observation de Heisenberg selon laquelle les variables quantiques ne commutent pas. Pour Heisenberg lui-même, cela semblait être une vilaine caractéristique du formalisme. Dirac, au contraire, a montré que cette circonstance occupe une place très importante dans la nouvelle théorie. Un autre trait caractéristique de Dirac est apparu dans l'histoire qui s'est déroulée à Copenhague. Des amis ont remarqué que le célèbre physicien Pauli prenait du poids trop rapidement. Ensuite, on a demandé à Dirac de veiller à ce qu'il ne mange pas trop. Pauli a participé à ce jeu et a demandé à Dirac combien de morceaux de sucre il pouvait mettre dans son café. "Je pense qu'un seul vous suffira", a déclaré Dirac, ajoutant un peu plus tard: "Je pense qu'un seul suffit pour tout le monde." Après réflexion : "Je pense que les pièces sont faites de telle manière qu'une seule suffit à tout le monde." Une telle croyance en l'ordre du monde se reflète souvent dans ses écrits et, surtout, dans une remarque d'un article montrant que le monopôle magnétique ne contredit pas les lois connues de la mécanique quantique : « Il serait étonnant que la nature ne utilise le." Lorsque Dirac a parlé de son travail, il a semblé aux auditeurs qu'il n'expliquait pas tellement le monde existant, mais, comme un créateur, crée le sien, beau, mathématiquement rigoureux. Ce n'est qu'à la fin qu'il revient à la réalité. En comparant son monde avec le monde réel, Dirac a parfois rencontré des surprises que d'autres considéreraient comme un coup écrasant à la théorie. Mais c'est exactement ce que Dirac n'avait pas. Le critère décisif de la vérité pour lui était l'isolement logique. Ainsi, il n'a jamais pu accepter la théorie moderne des champs quantiques relativistes basée sur la méthode de renormalisation. Après avoir terminé ses travaux sur la mécanique quantique relativiste, Dirac a beaucoup voyagé, visitant des universités au Japon, en Union soviétique et aux États-Unis. De 1932 jusqu'à sa retraite en 1968, il a été professeur de physique à Cambridge. Après que Dirac ait quitté Cambridge, il a été invité à l'Université de Floride, où il est resté professeur jusqu'à la fin de sa vie. En 1973, Dirac a reçu l'Ordre britannique du mérite. Il a été élu membre étranger de l'Académie nationale américaine des sciences (1949) et membre de l'Académie pontificale des sciences (1961). Dirac est décédé à Tallahassee le 20 octobre 1984. Auteur : Samin D.K.
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