| |
PAUL DIRAC und die Quantenelektrodynamik. Lebensdaten:1902 1984.Auftritt Dirac« schreibt Abraham Pais zum histo schen Augenblick der Physik in den 20er Jahren, als Pau Dirac zu einer der zentralen Gestalten der Quantenmechanik wurde. Als WERNER HEISENBERG und ERWIN SCHRÖDINGER ihre Gleichungen entwickelten, schlug Dirac (1927) eine »Feldtheorie« vor, die die Wechselwirkung von Licht mit Materie beschreibt - ein bemerkenswerte Moment in der Geschichte der Wissenschaften. Ausgehen von relativistischen Grundlagen, kam er 1928 zu einer Gleichung, die das Verhalten der Elektronen vorherbestimmte -der erste wichtige Schritt in der Entwicklung der modernen Theorie der Quantenelektrodynamik (QED). Daneben sagte er die Existenz des Positrons voraus, des positiv geladenen Gegenstücks zum negativ geladenen Elektron. Positronen wurden 1932 aufgespürt und waren die ersten masselosen »Antiteilchen«, die von der Quantentheorie prophezeit wurden. Diracs Einfluß auf die Physik war enorm, drückte sich allerdings ausschließlich in abstrakten Gleichungen aus. Ihm fehlte das leidenschaftliche Interesse, mit dem sich NIELS BOHR , Heisenberg und Schrödinger den philosophischen Konsequenzen der neuen Physik widmeten. Paul Adrien Maurice Dirac wurde am 8. August 1902 als Sohn von Charles Adrien Ladislav Dirac und Florence Hannah, geb. Holton, in Bristol geboren. Diracs Beziehung zu seinem Vater, einem Französischlehrer Schweizer Herkunft, war nicht zuletzt wegen dessen strikter Disziplin äußerst gespannt, die Familienumgebung war angefüllt mit seelischem Leid. Dirac, als Erwachsener auffällig still, erklärte später, daß sein Vater sozialen Kontakten kaum Wert beigemessen und darauf bestanden hatte, daß er sich mit ihm auf Französisch unterhielt, einer Sprache, die er kaum beherrschte. »Die Folge war, ich sprach überhaupt nicht mehr, es sei denn, ich wurde angesprochen. Ich war sehr introvertiert und verbrachte meine Zeit damit, über Probleme der Natur nachzudenken.« Als sein Vater 1935 starb, schrieb er seiner Frau Margit: »Ich fühle mich nun sehr viel freier.« Am Merchant Venturer's College, der weiterführenden Schule, an der sein Vater unterrichtete, war er in Mathematik außergewöhnlich gut. Am Bristol College studierte er Elektrotechnik, obwohl ihn das Fach kaum interessierte. 1921 erhielt er seinen Abschluß mit Auszeichnung. Als er wegen der hohen Arbeitslosigkeit keine Anstellung finden konnte, wurde ihm ermöglicht, in Bristol weiterhin Mathematik zu unterrichten. Seine herausragenden Fähigkeiten wurden schnell bemerkt, und 1923 erhielt er ein Stipendium, als Forschungsstudent ans St. John's College in Cambridge zu gehen. Dort dernte er die Atomtheorie kennen und traf auf Niels Bohr. Diracs Bedeutung für die Quantenmechanik basiert auf einem historischen Zufall; er kam zu einem Zeitpunkt nach Cambridge, als sich die Quantentheorie in einer großen Krise befand. Obwohl sich das Bohr-Rutherford-Atommodell mit Hilfe der Quantenmechanik durchgesetzt hatte, war es der neuen Theorie nicht möglich, das Verhalten der Elektronen vorherzusagen - mit Ausnahme des einfachsten Atoms, des Wasserstoffs. Die Naturwissenschaftler, die nun Teilchen untersuchten, deren Durchmesser kaum mehr als den zweihundertmillionsten Teil eines Millimeters maß, hatten längst die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung überschritten. Matrizenrechnung und Wellenmechanik, die beiden quantenmechanischen Lösungen, waren rein mathematische Modelle und - anders als in der klassischen Physik - nicht mehr anschaulich zu fassen. Sie waren unabhängig voneinander 1925 und 1926 von Heisenberg und Schrödinger entwickelt worden. Und an diesem Punkt betritt Dirac die Bühne. Seinen ersten Beitrag zur Quantentheorie lieferte Dirac 1925, als er Heisenbergs ersten Artikel über die Matrizenrechnung sah. Dirac erkannte in ihr Ähnlichkeiten mit einer alten klassischen Formel aus dem 19. Jahrhundert; von ihr ausgehend kam er zu einer äquivalenten Formel - und schrieb daraufhin Heisenberg, womit er in Göttingen für erhebliche Aufregung sorgte. Als dann einige Monate später die Gleichungen Schrödingers deutlich machten, daß Elektronen als Wellen aufgefaßt werden können, war Dirac erneut in der Lage, sie mit älteren Formeln aus der klassischen Physik zu verbinden. Dirac zeigte nichts weiter, als daß die klassische Mechanik als Sonderfall der Quantenmechanik gesehen werden konnte. Die Arbeit über Heisenbergs Matrizenmechanik wurde zu seiner Dissertation, 1926 erhielt er vom St. John's College in Cambridge seinen Doktor in Physik. Im Frühjahr dieses Jahres verließ er England, um in Deutschland mit Heisenberg und in Kopenhagen mit Niels Bohr zusammenzuarbeiten. Im Herbst verfügte er über eine »Transformationstheorie«, die Heisenbergs Matrizenrechnung und Schrödingers Wellenmechanik in einer einzigen abstrakten Formel vereinte. 1927 wurde seine Theorie auf der 5. Solvay Konferenz in Brüssel vorgestellt. Naturwissenschaftler waren von Dirac fasziniert und konnten ihm nur schwer folgen. Erwin Schrödinger klagte Bohr sein Leid, daß Dirac keine Vorstellung habe, wie schwierig seine Artikel für Normalsterbliche seien. Zu den Einschränkungen der neuen Quantentheorie gehörte es, daß sie zwar wunderbare Beschreibungen für Elektronen liefern konnte, wenn sich diese langsam bewegten, bei Lichtgeschwindigkeit was häufig vorkam aber versagte. Wellen und Matrizenmechanik konnten präzise Ergebnisse für Atome im einfachen Zustand liefern - aber was geschieht, wenn zum Beispiel Licht von einer Wand zurückgeworfen wird? Um Ereignisse wie diese zu beschreiben, mußte man auf Einsteins Relativitätstheorie zurückgreifen. Ende 1926 begann Dirac mit der Arbeit an einer Gleichung, die diese Ereignisse erfaßte. Das Ergebnis war eine »Feldtheorie« und sein berühmter Artikel »Die Quantentheorie der Emission und Absorption von Strahlung.« Wie wichtig es war, über eine Quantenmechanik zu verfügen, die den Grundsätzen der Relativität gehorchte, wurde schnell offensichtlich. In seiner weiteren Arbeit versuchte Dirac, zu einer vollständigen Erklärung des Elektronenverhaltens zu kommen. Einige Jahre vorher war der Gedanke aufgetaucht, daß Elektronen einen »Spin« besitzen, einen Eigendrehimpuls, wodurch sich bestimmte Probleme im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Röntgenstrahlspektren der Elemente lösen ließen. Dirac fügte nun diese Vorstellung in seine Gleichung ein und kam so zu einer eleganteren und umfassenderen Erklärung des Elektronenverhaftens als vorher. Die Dirac-Gleichung, wie sie genannt wurde, wies einem Elektron nicht mehr einen Punkt im Raum zu, sondern in Übereinstimmung mit der Quantentheorie eine ganze Bandbreite von möglichen und wahrscheinlichen Aufenthaltsorten. Die Theorie sagte ein Magnetfeld um das Elektron voraus und weist den vier »Quantenzahlen«, die benötigt werden, um die Bewegung des Elektrons zu berechnen, die vier Dimensionen des Raum-Zeit-Kontinuums zu. Die Gleichung war, wie Dirac später sagte, »eine in sich stimmige Theorie, die, soweit bislang bekannt, den experimentellen Tatsachen entspricht.« Der außergewöhnlichste Aspekt der Theorie aber lag darin, daß sie die Vermutung, Atome würden von einem Meer von »virtuellen« oder masselosen Teilchen umspült, konkretisierte. »Dirac«, schreiben Robert P. Crease und Charles G. Mann, »hat den Beginn der modernen Theorie des Elektromagnetismus eingeleitet er hat den ersten soliden Baustein zum allgemein anerkannten Modell geliefert , damit aber auch unwissentlich eine Lawine begrifflicher Dämonen ausgelöst, die unsere Vorstellung von Raum und Materie veränderten.« Diracs Theorie »gab den Blick frei auf ein fürchterliches Chaos, das auf der untersten Materieebene herrscht. Die Räume um und im Atom, die man bis dahin für leer gehalten hatte, waren nun mit einer brodelnder Suppe geisterhafter Teilchen gefüllt.« 1930 sagte Dirac die Existenz eines Elementarteilchens voraus, welches das Gegenstück zum Elektron darstellt, allerdings positiv geladen ist. Für viele klang das damals seltsam, fast exotisch, aber erst kurz vorher hatten Experimentalphysiker »kosmische Strahlung« entdeckt, die vom Weltraum die Atmosphäre der Erde bombardiert. Und am California Institute for Technology entdeckte man bei der Untersuchung dieser Strahlung dann wirklich Spuren von Teilchen, die dasselbe Gewicht wie Elektronen hatten, aber positiv geladen waren. Es waren Positronen, die man 1932 gefunden hatte die erste Form der »Antimaterie«. 1933 wurde Paul Dirac der Nobelpreis für Physik verliehen. 1927 war Dirac zum Mitglied des St. John's College gewählt worden, 1932 wurde er in Cambridge zum Lucasianischen Professor für Physik ernannt. Obwohl er oft im Ausland lehrte und dort Vorlesungen hielt, hatte er diese Stellung bis 1969. Ende der 60er Jahre siedelte er nach Florida um und war von 1972 bis 1984 Professor für Physik an der Florida State University. Dirac war mit Margit Wigner verheiratet, der Schwester des großen ungarischen Wissenschaftlers Eugene Wigner. Sie hatten zwei Töchter. Dirac war eine berühmte Gestalt in der Physik, exzentrisch, angesehen und bewundert, »scheu wie eine Gazelle und sittsam wie ein viktorianisches Hausmädchen«, wie eine Zeitung ihn einmal beschrieb. Zum Amüsement seiner Kollegen schien er oft zu konkretem Denken, wie es die Psychologen bezeichnen, Zuflucht genommen zu haben. Als jemand die Konversation mit der Floskel begann, es sei »sehr windig heute«, erhob sich Dirac vom Speisetisch, ging zur Eingangstür, öffnete sie, kehrte zum Tisch zurück und sagte »ja.« Als Wolfgang Pauli abnehmen wollte, fragte er Dirac, wie viele Zuckerstücke er in seinen Kaffee tun sollte. »Ich denke, einer reicht für Sie«, antwortete Dirac, dachte einen Moment nach und präzisierte: »Ich denke, die Zuckerstückchen sind so gemacht, daß für jeden eines reicht.« Politisch stand Dirac der Linken nahe, wegen seines Kontakts mit sowjetischen Wissenschaftlern wurde ihm während des Kalten Krieges von den USA das Visum verweigert. Sein ausgeprägtes Desinteresse an Kunst oder Kosmische Strahlung besteht aus den Atomkernen der gewöhnlichen Elemente )wie aus Elektronen, Positronen und anderen Elementarteilchen. Sie wurde ereits 1911 entdeckt und 1925 benannt. Ihr Ursprung allerdings ist unbekannt. Literatur erinnert an RICHARD FEYNMAN, der die Quantenelektrodynämik weiterentwickelte. Im letzten Abschnitt seiner Karriere versteifte sich Dirac auf die idiosynkratische Vorstellung von »mathematischer Schönheit«. Helge S. Kragh glaubt, einer der Gründe dafür liege in der Tatsache, daß das Jahr 1935 eine wichtige Trennlinie für ihn markierte: »Alle seine großen Entdeckung liegen davor, nach 1935 gelang ihm nichts mehr auf dem Gebiet der Physik, das von bleibendem Wert war.« Das mindert nicht die Tatsache, daß es Dirac war, der die Quantentheorie in ihre »definitive Form« brachte, wie John C. Taylor schreibt, »und eine Theorie schuf, die so zwingend war wie die Newtonische Mechanik.« Paul Dirac starb am 20. Oktober 1984. |
|
