Paul Dirac Kimdir?

Tanım

Paul Dirac, 1902-1984 yıllarında yaşamış tarihteki büyük teorik fizikçilerdendir. Dirac Denklemi ile kuantum mekaniğini yeniden şekillenmiştir. Dirac Denklemi; elektron davranışlarını açıkladı ve antimaddenin varlığına değindi. Aynı zamanda, boşluk olarak inandığımız uzayın aslında kısa ömürlü parçacık-karşıt parçacıklarla dolu olduğunu ortaya koyarak, vakum polarizasyon varlığını keşfetmeyi başardı. Dirac, atomlar içerisinde ışık fotonlarının oluşmasını ve yok olmasını açıklayan kuantum elektrodinamiği oluşturdu. Ve evrende manyetik monopol varsa, elektrik yükünün kuantizasyonunun doğal olarak gerçekleştiğini gösterdi. Ayrıca bir prototip olan sicim teorisi oluşturdu.

Başlangıçlar

Paul Adrien Maurice Dirac, 8 Ağustos 1902’de İngiltere’nin Bristol şehrinde doğdu. Babası Charles Dirac, İsviçre’den İngiltere’ye gelen bir okul öğretmeniydi. Annesi Florence Holten, eski bir kütüphaneciydi. Adını babasının hayran olduğu ve tanıştığı Florence Nightingale’den almıştır. Paul Birleşik Krallık’ta doğmuş, annesinin İngiliz olmasına rağmen babası İsviçre vatandaşı olmasını sağlamıştır. Paul, babasıyla birlikte 22 Ekim 1919’da 17 yaşında İngiliz vatandaşlığını almıştır.

Sessizlikte Acı Çekmek

Paul, anne ve babasının arasındaki anlaşmazlık nedeniyle sıklıkla gerginlik olan evlerinde mutsuz bir çocukluk geçirmişti.

Paul, küçükken babasının yalnızca Fransızca, annesinin ise yalnızca İngilizce konuştuğunu fark etti. Evlerine ziyaretçi gelmezdi ve Paul bir süre erkeklerin ve kadınların farklı diller konuştuklarını düşündü. Babası Paul ile, annesi ise Paul’un ağabeyi Felix ve küçük kız kardeşi Betty ile yemek yerdi.

Babası Paul’u Fransızca konuşmaya zorlardı ve hata yaptığında masadan kalkmasına izin verilmezdi, ki Paul her zaman hata yapardı. Paul’un mide asidi sorunu vardı fakat bu durum yaşı ilerlediğinde teşhis edildi. Bu probleminin sonucunda, babasının masadan ayrılmasına izin vermediğinden sıklıkla masada istifra etmiştir. Bu durumda konuştuğu kelime sayısını en aza indirerek Fransızca dil hatalarını en aza indirmeyi öğrendi. Sonraları hiçbir yerde Fransızca konuşmadı.

Aslında, neredeyse hiç konuşamayacak duruma gelmişti. Kendi içine çekildi. Asla sohbet başlatmaz ve onunla sohbet etmeye çalışanlara verdiği yanıtların kısalığıyla da ünlü olmuştur.

Okullar

Paul ilkokulu Piskopos Yolu İlkokulu’nda okudu. 12 yaşında, babasının öğretmenlik yaptığı Merchant Venturers Teknik Koleji’nde liseye başladı. Paul’un babasından miras aldığı gibi çok çalışıyor ve neredeyse tüm sınıflarının en iyisi oluyordu.

Bristol Üniversitesi

Paul Dirac 1918’de 16 yaşında, Bristol Üniversitesi’nde elektrik mühendisliği lisans eğitimine başladı. 1921’de birinci sınıf onur derecesi ile mezun oldu. Laboratuvar becerileri az olmasına rağmen, matematiksel yetenekleri olağanüstüydü. Mühendisliği  tamamladıktan sonra, Cambridge Üniversitesi’nde matematik okumak istiyordu, fakat bursu yetersizdi. Bu nedenle, Bristol Üniversitesi’nde ücretsiz olarak devam etti. İki yıllık eğitimden sonra matematikten birinci sınıf onur derecesi ile 21 yaşında mezun oldu. Bristol’de aldığı derslerden biri de projektif geometriydi.  Ve yalnızca birkaç yıl sonra projektif geometri, kuantum mekaniğindeki muhteşem sonuçlarından bazılarını elde etmesine yardımcı oldu.

Cambridge Üniversitesi

Dirac 1923’te 21 yaşında, genel görelilik ve kuantum mekaniği üzerine araştırma yaptığı Cambridge’deki lisansüstü eğitimi için aile evininden ayrıldı. Doktora danışmanı, matematiksel fizikçi olan Ralph Fowler, Dirac’ı Niels Bohr’un yeni atom modeliyle tanıştırdı. Bohr’un modelinde elektronlar, çekirdeğin etrafındaki tanımlanmış dairesel yörüngelerle sınırlıydı. Bir elektron herhangi bir miktarda enerjiye sahip olamaz. Sadece bulunduğu yörüngede tanımlanan özgül enerjiye sahip olabilir. Bir elektron yüksek enerjili yörüngeden daha düşük bir yörüngeye düşerse, enerjiyi ışık olarak serbest bırakır. Benzer şekilde, gelen ışık bir elektronun daha yüksek enerjili yörüngeye sıçramasına neden olduğunda, bu ışık atom tarafından emilir. 1924 sonlarında Dirac, kuantum teorisinde tamamen ustalaşmıştı fakat görünüşünden memnun değildi. Einstein’ın genel görelilik kuramını incelemiş ve Bohr kuramının yerini alması için güzel bir şeye ihtiyacı olduğunu düşünmüştü.

Heisenberg’den Garip Bir Kağıt

Fowler, 1925 Eylül’ünde, Dirac’a Werner Heisenberg’den aldığı yayınlanmamış bir makale hakkında fikrini sordu. Heisenberg, çizgide ileri geri hareket etmekle sınırlı elektron hayal etmişti. Elektronun daha yüksek bir enerji düzeyine atlama olasılığı, bir dizi sayıyla(matrisle) temsil edildi. Heisenberg’in matrislerinde açıklayamadığı bir özellik vardı: Çarpılma sırasını değiştirirsek, farklı bir sonuç elde ederiz.(Matematiksel olarak 5 x 4’ün 4 x 5’ten farklı olmasına benzer.) Heisenberg sayı dizilerinin değişmediğini keşfetti.

Bir Yıldız Doğuyor

Dirac, Heisenberg’den daha fazla matematiksel yöntem biliyordu: William Rowan Hamilton’ın kuaterniyonları konusunda uzmandı, Grassmann cebirine aşinaydı ve projektif geometride yetenekliydi. Heisenberg’in makalesini okuduktan sonra Dirac, kuantum mekaniğindeki AB ≠ BA sorusunu düşünüyordu. Poisson parantez denen bir şeyi hatırladı. Ve bu Heisenberg’in çalışmasından daha derin bir anlam çıkarmanın anahtarıydı. Dirac 24 saat çalışarak Kasım ayı başlarında, Kuantum Mekaniğinin Temel Denklemleri adını verdiği bir makale yazdı. Heisenberg’inkinden tamamen farklı bir yaklaşım benimseyen Dirac, kuantum mekaniğini Isaac Newton’un klasik mekaniğiyle bağlantıları netleştirecek şekilde sundu. Nezaket gereği, makalesinin bir kopyasını Werner Heisenberg’e gönderdi. Makalesinin Royal Society tarafından üç hafta içerisinde yayınlandı. Werner Heisenberg ve Almanya’daki Göttingen Üniversitesi’ndeki başkanı Max Born, Dirac’ın makalesine hayran kaldı. Heisenberg, Dirac’a hızla geri döndü ve bazı teknik sorular sordu.

Heisenberg ve Dirac ömür boyu arkadaş oldular. Dirac artık tanınmaya başlamıştı. Henüz doktorasını tamamlamasına rağmen diğer Cambridge öğrencilerine ve profesörlerine kuantum mekaniğinde en son gelişmeler dersi veriyordu. Dirac doktora derecesini 23 yaşında Haziran 1926’da aldı.

Kopenhag ve Göttingen

Doktorasını alan Dirac, kuantum mekaniği merkezleri olan Kopenhag ve Göttingen’de çalışmak için 1927’de Cambridge’den ayrıldı.

Dirac Kuantum Elektrodinamiğini Doğuruyor

Kuantum elektrodinamiği (QED), ışık ve maddenin kuantum etkileşimini tanımlar. Dirac, QED’i 1927’de yayımladığı ‘Emisyon ve Radyasyonun Absorpsiyonunun Kuantum Teorisi’ adlı makalesiyle başlattı. Yeni teorisi, ışık dalgası ve ışık kuantumu fenomenlerini birleştirdi. Bir atom bir fotonu emdiğinde ışığın evrenden kaybolduğunu söyleyen ilk teoriydi. Bunun öncesinde hiçbir teori, fotonlar gibi kuantumun oluşmasını ve yok olmasını açıklamamıştı. Dirac, atomlara enerji verilirse gerçek fotonlar olarak serbest kalabilecek sonsuz sıfır enerjili foton kaynağı içerdiği bir evreni resmetti.

Dirac Denklemi

Ekim 1927’de Cambridge’de Dirac, kapsamlı bir elektron teorisi oluşturmak için kuantum mekaniğini Einstein’ın özel görelilik teorisiyle birleştirmeye çalıştı. Schrödinger’in dalga denklemiyle başladı. Haftalarca denklemler, matrisler ve görelilik ile oynayarak zamanı bir kuantum değişkeni olarak ele aldı. Yavaş yavaş kuantum dünyasını elektronun matematiksel bir tanımını olarak ortaya çıkarmaya çalıştı. Aralık ayının başında Dirac, elektronun göreceli teorisinin temel dalga denklemi olan Dirac Denklemi’ni  oluşturdu.

Dirac denkleminin matematiksel sembolleri elektronu yarattı. Elektronun dönüşü ve manyetik alanı, denklemden doğal olarak ortaya çıktı. Şubat 1928’de, Dirac’ın Elektoronun Kuantum Teorisi adlı makalesi Kraliyet Cemiyeti tarafından yayınlandı. Dünyanın her yerinden fizikçiler şaşkınlık ve hayranlık içinde baktılar. Dirac’ın Elektronun Kuantum Teorisi, şimdiye kadar yazılmış en büyük fizik makalelerinden biri olarak kabul edilmektedir.

Dirac Denklemi Anti Maddeyi Öngörüyor

Dirac ve diğerleri, yeni denkleminin bir yönü karşısında şaşkındılar. Dirac anti maddenin varlığını bildirdiği makalesi Eylül 1931’de yayınlandı. 1932’de California Teknoloji Enstitüsü’nden Carl Anderson, bulut odası deneylerinde Dirac’ın pozitif yüklü elektronunu keşfetti. Dirac’ın anti-elektronu şimdilerde pozitron olarak adlandırılmaktadır. Ve böylece Dirac denkleminin matematiksel sembollerindeki bir parçacığın gerçek olduğu ortaya çıktı (Bu parçacık bugün pozitron emisyon tomografisi aracılığıyla kanserleri tespit etmek için kullanılıyor.).

Kuantum Mekaniğinin Gurusu

Dirac, Kuantum Mekaniğinin İlkeleri adlı kitabını 1930’da tamamladı. Dirac’ın Cambridge’deki yıllık ders kursu bir efsaneye dönüştü. Dirac 1932’de 30 yaşındayken bir zamanlar Isaac Newton’un elinde olan Cambridge’in Lucasian Matematik Kürsüsü’ne atandı.

Nobel Ödülü

Dirac ve Schrödinger, 1933 Nobel Fizik Ödülü’nü “atom teorisinin yeni üretken biçimlerinin keşfi” için paylaştılar.

Manyetik Monopoller

1931 başlarında, Dirac şaşırtıcı yeni bir teori üretti. Sorularla başladı: elektrik yükü neden nicelleştirilir? Neden elektrik yükü her zaman elektron ve proton üzerinde bulunan yükün tam sayı katlarına eşit miktarlarda paketlenir? Ve denklemi, evrende bir veya daha fazla manyetik monopol bulunduğu için elektrik yükünün nicelleştirildiğini gösterdi. Bunun yanısıra, tarihte hiçbir zaman izole edilmiş bir manyetik kutup görülmedi. Manyetik monopoller hala görülmedi, ancak evren, yük kuantizasyonunun gizlenmesi için gereken tek monopol için büyük bir yer! Araştırmalar devam ediyor.

Parçacıklarla Vakum Yıkama

1933 yılında yapılan 7. Solvay Konferansı dünyanın en büyük fizikçilerini ve kimyagerlerini bir araya getirdi. Dirac, boşlukla ilgili anlayışın değişmesi gerektiğini söyledi: Boşluk artık boş olarak görülemezdi. Aslında parçacık-karşıt parçacık çiftlerinin oluşturulması ve doğrudan tespit edilemeyecek kadar hızlı bir şekilde yok edilmesiyle dolup taşıyordu.

Lagrange

1932’de Dirac, belirsiz Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion dergisinde Kuantum Mekaniğinde Lagrange Teorisi’ni yayınladı. Bir elektronun dalga fonksiyonunun Lagrange formülasyonuyla zaman içinde sonsuz küçüklükte nasıl ileriye taşınabileceğini gösterdi. 1941’de Richard Feynman, Dirac’ın makalesini okudu ve genişleterek Feynman diyagramları üretti.

Renormalizasyon

Dirac, 1927’de kuantum elektrodinamiğini kurdu, Fakat 1940’larda QED krizdeydi. Daha doğru bir cevap bulma umuduyla art arda QED hesaplamaları yapması, denklemlerdeki terimleri birbirinden uzaklaştırarak sorunlu hale getirdi. 1947’de Willis Lamb hidrojen gazı üzerinde bir deney yaparak Lamb Shift(Deşişimi)’i keşfetti. Hidrojende Dirac Denklemi dahil herhangi bir kuantum teorisinin tahmin etmediği bir elektron enerji seviyesi olduğunu gösterdi. Dirac’ın 1933’te Solvay Konferansı’nda yeni enerji düzeyinin nedeninin boşluktaki kısa ömürlü parçacıklar olduğu ortaya attı. Bu Lamb Shift, Hans Bethe’nin ihtiyaç duyduğu ipucuydu. Ve Renormalizasyon adı verilen bir teknik buldu. Bu QED hesaplamalarında görünen anlamsız sonsuz niceliklerin anlamlı niceliklerden ayrılmasına izin verdi. Renormalizasyon, teori ve deneysel sonuçlar arasında mükemmel bir uyum sağladı. Dirac’ın ve Richard Feynman’ın çekincelerine rağmen, renormalizasyon modern fizikte önemli bir rol oynamaya devam ediyor.

Sicim Teorisi

1955’te Dirac, elektronlar gibi parçacıklarında tek boyutlu sicimler olduğunu öne sürdü. Bu, QED’de sakıncalı bulduğu kavramlardan vazgeçmesini sağladı. Bu teori hedefine ulaştı fakat popüler olmadı. Parçacıkların tek boyutlu sicimler olarak temsil edildiği sicim teorisi, Dirac’ın anlayışından farklı olmasına rağmen, 1960 ve 1970’lerde yeniden doğdu.

Bazı Kişisel Ayrıntılar ve Son

Dirac yaşamının ilk yıllarında işkolikti. Haftanın her günü uzun saatler çalışırdı. Ve pazar günleri uzun yürüyüşlere çıkardı.

Evlilik

Dirac’ın çalışması, 1934’te New Jersey Princeton’daki İleri Araştırma Enstitüsü’nde çalışmak üzere Cambridge’den izin aldığı 32 yaşındayken bocaladı. Öğleden sonralarını ortak salonlarda masa oyunları oynayarak geçirirdi. Fizikçi Eugene Wigner’ın 1937’de evlendiği kız kardeşi Margit Wigner ile de tanıştı. Margit’in önceki evliliğinden bir oğlu ve kızı vardı ve Dirac onların üvey babası oldu. Dirac ve Margit’in iki kızı vardı: Monica ve Mary.

Reklam Yok

Dirac reklam sevmezdi. Ernest Rutherford’un reddetmesinin kabul etmesinden daha fazla reklam olacağını söylemesiyle Nobel Ödülü’nü kabul etti. Fakat 1953’te kendisine sunulan şövalyelik de dahil olmak üzere birçok ödülü reddetti.

Rahatlatıcı

1969’da 67 yaşındayken Cambridge Lucasian Kürsüsü’nden emekli oldu. Miami Üniversitesi ve Florida Eyalet Üniversitesi’nde araştırma yaptığı Florida, ABD’ye taşındı. Florida’nın yaz sıcağından kaçınmak için Cambridge’de tatil yaptı. 20 Ekim 1984’te Florida, Tallahassee’de 82 yaşında öldü. Tallahassee’nin Roselawn Mezarlığı’na gömüldü. Karısı Margit, 2002’de ölümünden sonra onun yanına gömüldü.

Kaynak: https://www.famousscientists.org/paul-dirac/

Görsel Kaynak: https://www.belajarsampaimati.com/2008/04/siapakah-paul-dirac.html

Editör: Yasemin CANKAT