Qui était Paul Dirac ?

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Quelle était l’histoire de Paul Dirac ?

Paul Dirac était un physicien théorique britannique qui a apporté des contributions fondamentales au développement de la mécanique quantique, de la théorie quantique des champs et de l’électrodynamique quantique. Il est particulièrement connu pour ses tentatives d’unification des théories de la mécanique quantique et de la relativité. Son équation de Dirac, formulée en 1928 et décrivant le comportement de fermions comme l’électron, a prédit l’existence d’antimatière comme le positron. Il a partagé le prix Nobel de physique de 1933 avec Erwin Schrödinger « pour la découverte de nouvelles formes productives de théorie atomique » et est considéré par certains comme l’un des plus grands physiciens de tous les temps.

Paul Adrien Maurice Dirac est né le 8 août 1902 à Bristol, en Angleterre. Il est élevé dans un foyer inhabituellement strict et autoritaire par son père, un immigrant suisse, et fait ses études au Merchant Venturers’ Technical College (où son père était professeur de français), un établissement rattaché à l’université de Bristol qui mettait l’accent sur les matières scientifiques et les langues modernes.

Dirac poursuit ses études à l’université de Bristol, où il obtient un diplôme en génie électrique en 1921, puis une licence en mathématiques appliquées en 1923. Il obtient une bourse pour mener des recherches au St John’s College de Cambridge, où il restera pendant la majeure partie de sa carrière, poursuivant ses intérêts dans la relativité générale et dans le domaine naissant de la théorie quantique, initialement sous la supervision de Ralph Fowler.

Il commence à travailler sur la mécanique quantique presque dès son introduction par Werner Heisenberg en 1925, et obtient un doctorat en 1926 pour sa quantification canonique de la mécanique classique basée sur la formulation matricielle de la mécanique quantique récemment proposée par Heisenberg. Son équivalent mathématique indépendant de la formulation matricielle d’Heisenberg consistait en une algèbre non-commutative pour le calcul des propriétés atomiques.

S’appuyant sur les travaux de Wolfgang Pauli sur les systèmes de spin non relativistes, il a proposé l' »équation de Dirac » en 1928 comme équation relativiste du mouvement de la fonction d’onde de l’électron. Ces travaux l’ont également conduit à prédire l’existence du positron (l’antiparticule de l’électron, identique à celui-ci sous tous les aspects sauf sa charge, dont l’existence a été observée et confirmée par Carl Anderson en 1932) et l’annihilation matière-antimatière, ainsi qu’à contribuer à l’explication de l’origine du spin quantique en tant que phénomène relativiste. Il est également responsable du développement de la notation « bra-ket » (ou notation de Dirac), la notation standard pour décrire les états quantiques dans la théorie de la mécanique quantique, composée de crochets (chevrons) et de barres verticales.

Dirac a beaucoup voyagé, surtout dans ses jeunes années, et a étudié dans diverses universités étrangères, notamment Copenhague, Göttingen, Leyden, Wisconsin, Michigan et Princeton, et s’est rendu plusieurs fois en Union soviétique. En 1929, après avoir passé cinq mois en Amérique, il poursuit son tour du monde en visitant le Japon (avec Heisenberg), puis revient par la Sibérie.

Son livre de 1930, intitulé « Principes de la mécanique quantique », est considéré comme une référence dans l’histoire des sciences et est rapidement devenu l’un des manuels standard sur le sujet (il est toujours utilisé aujourd’hui). Dans cet ouvrage, Dirac intègre les travaux antérieurs d’Heisenberg sur la mécanique matricielle et ceux d’Erwin Schrödinger sur la mécanique ondulatoire dans un formalisme mathématique unique. C’est en grande partie grâce à ce livre qu’il a obtenu sa part du prix Nobel de physique en 1933.

Il devient professeur de mathématiques Lucasian à Cambridge en 1932, poste qu’il occupera pendant les 37 années suivantes. Au début des années 1930, Dirac introduit l’idée de la polarisation du vide et développe le domaine de l’électrodynamique quantique (il est le premier à utiliser ce terme). En 1933, il montre que l’existence d’un seul monopôle magnétique dans l’univers suffirait à expliquer la quantification observée de la charge électrique (bien qu’à ce jour, aucune preuve convaincante de l’existence de monopôles magnétiques physiques n’ait encore été trouvée). En 1937, il a proposé un modèle cosmologique spéculatif basé sur l’hypothèse dite des « grands nombres » qui, bien qu’elle n’ait pas été acceptée par la physique dominante, a eu une grande influence sur les partisans d’autres cosmologies non standard.

Dirac épouse Margit « Manci » Wigner (sœur du physicien et mathématicien hongro-américain Eugène Wigner) en 1937. Il a adopté les deux enfants de Margit, Judith et Gabriel, et le couple a eu deux autres enfants ensemble, Mary et Florence. Il était connu comme un homme très précis et ordonné, mais timide, modeste et taciturne, et l’on a soutenu que son autisme a été déterminant pour son succès en tant que physicien théorique. Ses importantes contributions à la physique étaient largement motivées par des principes de beauté mathématique et il a dit un jour : « Dieu a utilisé de belles mathématiques pour créer le monde ». Cependant, il aurait dit : « Je ne reconnais aucun mythe religieux, au moins parce qu’ils se contredisent », et il a fortement critiqué la manipulation politique de la religion.

Paul Dirac a gagné le prix Nobel de physique de 1933 avec son collègue Erwin Schrödinger sur le sujet de la découverte de nouvelles formes productives de la théorie atomique. Il a également reçu la médaille royale (en 1939), la médaille Copley et la médaille Max Planck (toutes deux en 1952), entre autres distinctions, et a été élu membre de la Royal Society en 1930, et de l’American Physical Society en 1948, et a été fait membre de l’ordre du mérite britannique en 1973.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, il a travaillé sur la séparation de l’uranium et les armes nucléaires, mais ses travaux se sont éloignés de plus en plus du courant dominant à la fin de sa vie. Dans les années 1960, il a développé une théorie de la « quantification contrainte », identifiant les règles quantiques générales pour des systèmes classiques arbitraires, et son analyse des champs quantiques des vibrations d’une membrane au début des années 1960 s’est avérée extrêmement utile aux praticiens modernes de la théorie des supercordes et de son successeur étroitement lié, la M-théorie.

Après avoir enseigné comme professeur de mathématiques Lucasian à Cambridge de 1932 à 1968, il s’est installé en Floride pour être près de sa fille Mary, passant ses dernières années d’enseignement à l’université de Miami à Coral Gables et à l’université d’État de Floride à Tallahassee. Dirac est mort le 20 octobre 1984 à Tallahassee, en Floride, où il est enterré.