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BIOGRAFIAS DE GRANDES CIENTISTAS
Dirac Paul Adrien Maurice. Biografia do cientista
Diretório / Biografias de grandes cientistas
O físico inglês Paul Adrien Maurice Dirac nasceu em 8 de agosto de 1902 em Bristol, na família de Charles Adrien Ladislav Dirac, natural da Suécia, professor de francês em uma escola particular, e uma inglesa, Florence Hannah (Holten) Dirac. No início, Paul estudou em uma escola comercial em Bristol. Ele então estudou engenharia elétrica na Universidade de Bristol de 1918 a 1921 e se formou em Bacharelado em Ciências. Depois disso, Paul também fez um curso de dois anos em matemática aplicada na mesma universidade. “Durante essa educação matemática, Fraser foi o que mais me influenciou... ele foi um excelente professor, capaz de inspirar seus alunos com um sentimento de admiração real pelas ideias fundamentais da matemática... - lembrou Dirac. - Aprendi duas coisas com Fraser. Primeiro, matemática rigorosa. Antes disso, eu usava apenas matemática não estrita, o que satisfez os engenheiros... Eles não se importavam com a definição exata do limite, quanto tempo para somar a série e outras coisas semelhantes. Frazer ensinou que idéias lógicas estritas às vezes eram necessárias para lidar com esses objetos ". E ainda: "A segunda coisa que aprendi com Fraser foi a geometria projetiva. Ela teve um efeito profundo em mim por causa de sua beleza matemática inerente... A geometria projetiva sempre funciona no espaço plano... ela fornece métodos como o um-para-um método de correspondência, que, como mágica, eles obtêm resultados; os teoremas da geometria euclidiana, sobre os quais você há muito atormentado, são deduzidos das maneiras mais simples, se você usar o raciocínio da geometria projetiva. Dirac continuou interessado em geometria projetiva depois de se tornar um estudante de pós-graduação na Universidade de Cambridge no final de 1923, especializando-se em física teórica com Ralph Howard Fowler. Em particular, ele participava regularmente de festas de chá na casa do professor Baker nas noites de sábado. Depois de cada um desses chás, alguém fazia um relatório sobre um problema geométrico. O próprio Dirac também "trabalhava com geometria projetiva... e fazia um dos relatórios em tal festa do chá. Foi a primeira palestra da minha vida e, claro, me lembro bem. Tratava-se de um novo método para resolver problemas projetivos”. Dirac então entrou na escola de pós-graduação em matemática na St. John em Cambridge e em 1926 defendeu sua tese de doutorado. No ano seguinte, Dirac tornou-se membro do conselho científico da mesma faculdade. Ainda na universidade, Dirac se interessou pela teoria da relatividade de Albert Einstein. Durante os anos de pós-graduação de Dirac em Cambridge, Heisenberg e Schrödinger desenvolveram suas formulações de mecânica quântica aplicando a teoria quântica para descrever o comportamento de sistemas atômicos e subatômicos e o movimento de partículas como o elétron. Dirac começou a estudar as equações de Heisenberg e Schrödinger assim que foram publicadas em 1925, fazendo várias observações úteis no processo. Uma das deficiências da mecânica quântica foi que ela foi desenvolvida apenas para partículas com velocidades baixas (em comparação com a velocidade da luz), e isso possibilitou negligenciar os efeitos considerados pela teoria da relatividade de Einstein. Os efeitos da teoria da relatividade, como o aumento da massa de uma partícula com o aumento da velocidade, tornam-se significativos apenas quando as velocidades começam a se aproximar da velocidade da luz. No Congresso Solvay em outubro de 1927, Bohr se aproximou de Dirac. Eis como o próprio Dirac se lembra disso: “Bohr veio até mim e perguntou: “No que você está trabalhando agora?” Respondi: “Estou tentando obter uma teoria relativista do elétron”. já havia resolvido esse problema.” Fiquei um pouco desencorajado. Comecei a explicar a ele que a solução do problema de Klein com base na equação de Klein-Gordon é insatisfatória, pois não pode ser consistente com minha interpretação física geral da mecânica quântica. , não consegui explicar nada a Bohr, pois nossa conversa foi interrompida no início da palestra e a pergunta ficou no ar." Dirac não gostou. Ele procurou obter equações para um único elétron, e não para um sistema de partículas com cargas diferentes. Ele conseguiu o que queria, mas a decisão o surpreendeu. As partículas de Pauli bidimensionais, que descrevem bem o spin no caso não relativístico, estavam claramente ausentes. O elétron em teoria tinha um grau extra de liberdade - a liberdade, como se viu, da transição para um estado com energia negativa. Parecia tão selvagem que era justo abandonar tudo o que havia sido feito. Em busca de uma saída, Dirac teve uma ideia estranha. Ele sugeriu que todos os elétrons do universo ocupam níveis com energia negativa, de acordo com o princípio de Pauli, formando um fundo não observável. Apenas elétrons com energia positiva são observáveis. "Elétrons", escreve Dirac, "estão distribuídos por todo o mundo com alta densidade em cada ponto. O vazio perfeito é a região onde todos os estados com energia negativa estão ocupados". "Estados desocupados com energia negativa aparecerão como algo com energia positiva, pois para que desapareçam é preciso introduzir nele um elétron de energia negativa. Supomos que esses estados desocupados de energia negativa sejam prótons." A teoria de Dirac foi recebida com ceticismo. O fundo hipotético dos elétrons causava desconfiança, além disso, a teoria de Dirac, em suas palavras, "era muito simétrica em relação aos elétrons e prótons". Mas o próton difere do elétron não apenas no sinal de carga, mas também na massa. A descoberta do pósitron, uma partícula verdadeiramente simétrica ao elétron, forçou uma nova apreciação da teoria de Dirac, que previa essencialmente a existência do pósitron e de outras antipartículas. Na Conferência de Leningrado de 1933, Dirac expôs a essência da teoria dos pósitrons da seguinte forma: “Vamos supor que no mundo que conhecemos, quase todos os estados eletrônicos com energia negativa são ocupados por elétrons. níveis, devido à sua homogeneidade, não podem ser percebidos por nossos sentidos e instrumentos de medição, e apenas os níveis não ocupados por elétrons, sendo algo excepcional, algum tipo de violação de homogeneidade, podem ser percebidos por nós exatamente da mesma forma que percebemos os estados ocupados de elétrons com energias positivas. energia, ou seja, um "buraco" na distribuição de elétrons com energia negativa será percebido por nós como uma partícula com energia positiva, pois a ausência de energia cinética negativa equivale à presença de energia cinética positiva, já que menos por menos dá um mais... Parece razoável identificar tal "buraco" Compósitron, ou seja, para afirmar que o pósitron é um "buraco" na distribuição de elétrons com energia negativa. "De acordo com a teoria de Dirac", escreveu F. Joliot, "um elétron positivo em colisão com um elétron negativo livre ou fracamente ligado pode desaparecer, formando dois fótons emitidos em direções opostas". Há também um processo inverso - a "materialização" de fótons, quando "fótons com energia suficientemente alta podem criar elétrons positivos ao colidir com núcleos pesados ... Um fóton, interagindo com um núcleo, pode criar dois elétrons com cargas opostas". Derivada por um cientista inglês e publicada em 1928, a equação é agora chamada de equação de Dirac. Permitiu chegar a um acordo com os dados experimentais. Em particular, o spin, que antes era uma hipótese, foi confirmado pela equação de Dirac. Este foi o triunfo de sua teoria. Além disso, a equação de Dirac permitiu prever as propriedades magnéticas do elétron (momento magnético). Dirac também pertence à previsão teórica da possibilidade do nascimento de um par elétron-antieletrônico a partir de um fóton de energia suficientemente alta. O antielétron previsto por Dirac foi descoberto em 1932 por Carl D. Andersen e recebeu o nome de pósitron. Mais tarde, a suposição de Dirac sobre a possibilidade do nascimento de um casal também foi confirmada. Posteriormente, Dirac levantou a hipótese de que outras partículas, como o próton, também devem ter suas contrapartes de antimatéria, mas uma teoria mais sofisticada seria necessária para descrever esses pares de partículas e antipartículas. A existência do antipróton foi confirmada experimentalmente em 1955 por Owen Chamberlain. Muitas outras antipartículas são agora conhecidas. A equação de Dirac permitiu esclarecer o problema do espalhamento de raios X pela matéria. A radiação de raios X primeiro se comporta como uma onda, depois interage com um elétron como uma partícula (fóton) e depois de uma colisão é novamente como uma onda. A teoria de Dirac forneceu uma descrição quantitativa detalhada dessa interação. Dirac descobriu mais tarde a distribuição estatística de energia em um sistema de elétrons, agora conhecido como estatística de Fermi-Dirac. Este trabalho foi de grande importância para o entendimento teórico das propriedades elétricas de metais e semicondutores. Dirac também previu a existência de monopolos magnéticos - partículas magnéticas positivas ou negativas isoladas, semelhantes a partículas elétricas carregadas positiva ou negativamente. As tentativas de detectar experimentalmente monopolos magnéticos até agora não tiveram sucesso. Todos os ímãs conhecidos têm dois pólos - norte e sul, que são inseparáveis um do outro. Dirac também sugeriu que constantes físicas naturais, como a constante gravitacional, podem não ser constantes no sentido exato das palavras, mas mudam lentamente com o tempo. O enfraquecimento da gravidade, se é que existe, é tão lento que é extremamente difícil de detectar e, portanto, permanece hipotético. Dirac e Schrödinger receberam o Prêmio Nobel de Física de 1933 "pela descoberta de novas formas produtivas da teoria atômica". Em sua palestra, Dirac apontou a possibilidade da existência de "estrelas constituídas principalmente de pósitrons e antiprótons" decorrentes da simetria entre cargas elétricas positivas e negativas.Talvez metade das estrelas pertença a um tipo e a outra a outro. Esses dois tipos de estrelas deveriam ter os mesmos espectros, e seria impossível distingui-los pelos métodos da astronomia moderna." Em 1937, Dirac casou-se com Margit Wigner, irmã do físico Eugen P. Wigner. Eles tiveram duas filhas. É geralmente aceito que Dirac é uma pessoa taciturna e pouco sociável. Assim foi. Preferia trabalhar sozinho e tinha poucos alunos diretos, mas junto com isso tinha a capacidade de uma amizade sincera e profunda. Dirac encontrou dois de seus amigos mais próximos na União Soviética. Eles eram Pyotr Kapitsa e Igor Tamm. As memórias da filha de Tamm, Irina, sobre Dirac são curiosas: “Por dois anos seguidos, P. A. M. Dirac, que veio para Moscou, ficou conosco, com quem papai conheceu e se tornou amigo em 28 na Ehrenfest em Leiden. segunda visita à noite, um Dirac radiante entra e, levantando o dedo, declara solenemente: “Tamm, você tem mudanças grandiosas”. No outono de 1934, Kapitsa não foi autorizado a retornar à Inglaterra, ao laboratório de que estava encarregado, e foi forçado a permanecer na URSS a princípio sem oportunidade de trabalho científico. Dirac queria vir para a União Soviética para tentar ajudar Kapitza. Esse problema foi discutido em detalhes na correspondência entre ele e a esposa de Kapitsa, Anna Alekseevna, que estava então em Cambridge. Dirac estava lecionando nos Estados Unidos naquele ano. Para resgatar Kapitsa, ele até coletou assinaturas sob uma carta coletiva de físicos americanos ao governo da URSS, juntamente com R. Milliken fez uma visita à embaixada soviética. Amigos e conhecidos de Paul Dirac muitas vezes ficaram surpresos com sua reação inesperada e às vezes "estranha" aos tópicos que surgem na conversa. É verdade, então ficou óbvio que suas observações eram uma resposta natural e lógica, e que eram apenas as associações puramente automáticas e impensadas de todos os outros que faziam esperar algo mais dele. A mesma propriedade se manifestou em sua física. A semelhança é tão clara que muitas das famosas histórias sobre o cientista podem ser correlacionadas diretamente com alguns de seus artigos. Aqui, por exemplo, está a história das pílulas em uma garrafa, contada por H. R. Ulm. Ulm se desculpou pelo barulho no bolso, explicando que a garrafa não estava mais cheia e, portanto, fazendo barulho. Dirac comentou: "Acho que faz mais barulho quando está meio cheio". Ele percebeu que a garrafa não faz barulho, não só quando está vazia, o que é óbvio, mas também quando está completamente cheia. Este pensamento é semelhante à ideia subjacente à sua "teoria do buraco". Em outro episódio, a conversa durante o chá se voltou para o fato de que entre as crianças nascidas recentemente de físicos em Cambridge, havia uma proporção surpreendentemente grande de meninas. Quando alguém comentou levianamente: "Deve haver algo no ar!" - Dirac acrescentou depois de uma pausa: "Ou talvez na água." Ele tomou a expressão "no ar" não em seu sentido convencional, mas literalmente, vendo uma possível aplicação. Essa tendência se reflete em muitas de suas obras. Talvez tenha surgido pela primeira vez na maneira como ele usou a observação de Heisenberg de que as variáveis quânticas não comutam. Para o próprio Heisenberg, isso parecia uma característica feia do formalismo. Dirac, ao contrário, mostrou que essa circunstância ocupa um lugar muito importante na nova teoria. Outra característica de Dirac apareceu na história que aconteceu em Copenhague. Amigos notaram que o famoso físico Pauli está ganhando peso muito rapidamente. Então, pediram a Dirac que cuidasse para não comer demais. Pauli participou desse jogo e perguntou a Dirac quantos torrões de açúcar ele poderia colocar em seu café. "Acho que um será suficiente para você", disse Dirac, acrescentando um pouco mais tarde: "Acho que um é suficiente para todos". Depois de mais alguma reflexão: "Acho que as peças são feitas de tal forma que uma é suficiente para todos." Tal crença na ordem do mundo é muitas vezes refletida em seus escritos e, sobretudo, em uma observação em um artigo que mostra que o monopolo magnético não contradiz as leis conhecidas da mecânica quântica: "Seria surpreendente se a natureza não use-o." Quando Dirac falou sobre seu trabalho, pareceu ao público que ele não explicava tanto o mundo existente, mas, como um criador, cria o seu próprio, belo, matematicamente rigoroso. Só no final ele volta à realidade. Comparando seu mundo com o mundo real, Dirac às vezes encontrava surpresas que outros considerariam um golpe esmagador na teoria. Mas isso é exatamente o que Dirac não tinha. O critério decisivo de verdade para ele era o isolamento lógico. Assim, ele nunca poderia chegar a um acordo com a moderna teoria dos campos quânticos relativísticos com base no método de renormalização. Depois de concluir seu trabalho em mecânica quântica relativística, Dirac viajou muito, visitando universidades no Japão, na União Soviética e nos Estados Unidos. De 1932 até se aposentar em 1968, foi professor de física em Cambridge. Depois que Dirac deixou Cambridge, ele foi convidado para a Universidade da Flórida, onde permaneceu como professor até o fim de sua vida. Em 1973, Dirac foi premiado com a Ordem do Mérito Britânico. Foi eleito membro estrangeiro da Academia Nacional Americana de Ciências (1949) e membro da Pontifícia Academia de Ciências (1961). Dirac morreu em Tallahassee em 20 de outubro de 1984. Autor: Samin D. K.
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