1902年8月8日,保罗·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)出生于英国格洛斯特郡布里斯托。他是量子力学和量子电动力学的创建者之一,提出了电子的相对性量子理论,并预言了反粒子的存在。
狄拉克的母亲是英国人。他的父亲来自瑞士,在学校教法语。狄拉克在校在家里都笼罩在父亲的威慑下,因此童年并不快乐,长大后内向、少言。他从不主动找人说话,不会聊闲天。但一旦说起话来,用词用语相当精确;
写起论文和书来,数学表达和文字描述几近完美,堪称大师之作。
他喜欢独处思考,长时间步行。
他缺少社交技能
,朋友不多但非常亲密。

狄拉克很早就显示了超群的数学能力,他对文学和艺术毫不感兴趣。依父亲的期望,狄拉克在布里斯托大学学习电机工程(1918-1921年)。毕业后,他没找到工作,就又学了两年应用数学。
阿尔伯特·爱因斯坦的相对论1919年后开始盛名远扬。狄拉克受到吸引,自学了相对论。后来,根据他的数学教授的建议,狄拉克1923年到剑桥大学读研究生,并获得了奖学金。
狄拉克的导师拉尔夫·福勒(Ralph Fowler)是剑桥大学里唯一熟悉新量子理论的教授,这些理论刚刚在德国和丹麦发展起来。1925年8月,福勒带给给狄拉克一篇沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)待发表的论文。这篇论文开启从玻尔原子模型到新量子力学的革命。
始于海德堡的观点,狄拉克继而发表了一系列论文及1926年的博士论文。同期,海森堡、马克思·玻恩(Max Born)、帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)、沃尔夫冈·泡利( Wolfgang Pauli)联合提出了矩阵表示。两者的结果一致。相比之下,狄拉克的表达形式更通用
1926年秋天,狄拉克和约当分别独立完成,矩阵形式、薛定谔波动力学、玻恩统计诠释的统一形成了更普遍的“变换理论”,这是对量子力学首次完整数学描述。在此过程中,狄拉克提出了费米-狄拉克统计。
狄拉克对"自然做选择”这一诠释很满意,即统治微观粒子的物理定律是概率性的。他于是把研究中心放到相对论量子理论上。1927年,他关于辐射的量子理论被视为量子电动力学的真正开端。狄拉克找到了量化电磁波的方法,创造了所谓的二次量子化。由此,从描述单个粒子转变到描述众多粒子的系统。1928年,狄拉克发表了他最伟大的成就——电子的相对论波方程。为了满足相对不变性条件,狄拉克方程需要整合四个波方程和一个新的数学量(旋量)。一个意外的收获是,此前无法合理解释但很重要的电子自旋(磁矩),也因此获得描述
从一开始,狄拉克就意识到,他杰出的成就中存在严重的问题:存在一组解对应的能量是负值,它不具备任何物理意义。1930年,狄拉克提议,换一种思路,把能量为负的电子海中的真空看作是带正电荷的“空穴”。如果这些“空穴”是质子,就有希望得到物质(当时已知的基本粒子只有电子和质子)的统一理论。但其他人证明了,一个“空穴”的质量必须和一个电子相等,而质子要重一千多倍。因此,狄拉克于1931年认为,他的理论如果正确,就意味着存在“一种实验还未观察到的新的粒子,和电子质量相同但电荷相反。”一年后,美国的物理学家卡尔·安德森在研究宇宙射线时,意外地发现了这种粒子——电子反粒子(antielecron)或“正电子(positron)”。
狄拉克方程原先存留的问题,成为一个意外的成果。这是狄拉克1933年获得诺贝尔物理学奖的主要原因。(见“
几只青椒”的往期推送:狄拉克和诺贝尔物理学奖
。)

新的理论要想说服人,最有效的是它能预测到意想不到的自然现象。在这个点上,量子理论中的正电子,经常被人类比为海王星。19世纪海王星的发现,完美展现了经典牛顿力学的能做精准的预测。
这次经历,让狄拉克总结出了一个方法论,即理论物理学家在寻找新的定律时,要对数学更有信心,跟着数学的引导,即便当时的物理理解还跟不上。狄拉克后来经常表达这个观点,即一个基础理论要想正确,必须具备数学上的美
狄拉克于1931年预测了另一个新的粒子——磁单极。它从数学上看是很美,但至今还未被发现。1932年之后,实验物理学家发现了不少基本粒子,但这些基本粒子经常比理论学家的数学推导来得奇怪或杂乱。不过,这些新粒子都存在反粒子,这个普遍真理是狄拉克最早发现的
狄拉克后期对自己的作品进行持续的重大改写,进一步澄清量子力学的逻辑和数学表示。尤其是教材《量子力学原理》(The Principles of Quantum Mechanics),曾三次大改版。现代理论物理的专业术语,包括名字和数学符号,都得益于狄拉克,例如费米子、玻色子、观察量、对易、本征返程、δ函数、ℏ、狄拉克符号等
狄拉克的量子力学有清晰的逻辑。相比之下,相对论量子理论并不完备。20世纪30年代,量子电动力学遭遇到严重的问题,特别是多处数学计算都出现了无穷大。狄拉克更加困扰的是,相对性不变量与从直接主方程直接推导的不相符。为了找到解决办法,狄拉克1932-1933年引入了“相互作用表示”和量子中的最小化原理。后期理查德·费曼在此基础上提出了路径积分。这些概念以及狄拉克对真空极化的理解(1934年),帮助二战之后的新一代理论学家去除了量子电动力学中物理观察量的无穷大计算值,让量子电动力学的观察量成为有限值。虽然在使用计算中非常有效,但这种“重正化”在狄拉克看来,是一种聪明的技巧而非对基本问题的原则性解决。他希望基本原理能有革命性变化,能让理论(和非相对性量子力学那样)某种程度上逻辑自洽。虽然狄拉克对量子力学的贡献可能比其它物理学家都要多,但他去世时对自己的脑力创造成果并不满意。
狄拉克博士毕业后留剑桥大学教书。1932年,他被任命为卢卡斯数学教授(艾萨克·牛顿曾是卢卡斯数学教授)。虽然狄拉克带的学生并不多,但他在研究界很活跃,参与国际研讨会,因此影响了很多人。狄拉克同时代的很多物理学家,后来都转向了核物理,狄拉克却没有转。他在二战中只是在外围参与了原子弹开发。
狄拉克1969年从剑桥大学退休,在多处担任过访问教授。他从1971年开始任佛罗里达州教授,直到去世。
资料来源:

https://www.britannica.com/biography/Paul-Dirac
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