Paul Dirac

Paul Dirac (8.8. 1902 – 20.10. 1984), podivínský génius, který předpověděl antihmotu, vyrůstal v dysfunkční rodině, kde musel s otcem mluvit jen francouzsky, a raději mlčel – což z něj udělalo nejmlčenlivějšího génia historie. Ve 26 letech napsal rovnici, která spojila kvantovou mechaniku s relativitou, a o tři roky později z čisté matematické elegance předpověděl existenci antihmoty – rok předtím, než ji někdo objevil. Za to dostal Nobelovu cenu v pouhých 31 letech.

Dětství v tichém pekle

Jeho otec Charles, švýcarský imigrant učící francouzštinu, vytvořil doma totalitní režim s jediným pravidlem: s otcem se mluví jen francouzsky. Jestli Paul neuměl něco říct francouzsky, prostě zmlkl. Z tohoto absurdního pravidla se zrodil jeden z nejmlčenlivějších géniů historie. Paul později vzpomínal, že si jako dítě dokonce myslel, že muži a ženy mluví různými jazyky!

Rodina žila v malém domě na ulici Monk Road v bristolském předměstí Bishopston. Nikdy je nikdo nenavštívil. Atmosféra byla tak tísnivá, že Paul později řekl: „Neměl jsem jako dítě vůbec žádný společenský život.“ Matka Florence z Cornwallu pracovala jako knihovnice a mluvila jen anglicky. Zajímavostí je, že byla pojmenována po Florence Nightingale samotným kapitánem, který legendární zdravotnici potkal během krymské války. Paul měl staršího bratra Felixe a mladší sestru Beatrice.

Vzdělaný inženýr, který nenašel práci

Diracovo formální vzdělání začalo na Bishop Road Primary School. Ve 12 letech přešel na Merchant Venturers‘ Technical College – školu zaměřenou na praktické vědy a moderní jazyky místo klasické latiny a řečtiny. Ironicky tam učil i jeho otec francouzštinu. Paul byl téměř perfektní student, prakticky v každém předmětu byl nejlepší – jedinou výjimkou byl kurz Pevnosti materiálů, kde skončil druhý.

V roce 1918, v pouhých 16 letech, nastoupil na University of Bristol studovat elektrotechniku. Absolvoval v roce 1921 s vyznamenáním. Jenže následovala katastrofa: kvůli poválečné depresi nemohl najít práci jako inženýr! Dostal sice stipendium £70 na Cambridge, ale to nestačilo na životní náklady. Zdálo se, že jeho akademická kariéra skončila, než začala. Pak přišla záchrana: University of Bristol mu nabídla studium matematiky zdarma. Paul přijal – a objevil svou skutečnou vášeň.

Tragédie, která změnila všechno

V roce 1923 Paul absolvoval matematiku s vyznamenáním a konečně mohl odjet do Cambridge na St John’s College jako výzkumný student. Začal studovat obecnou relativitu a kvantovou mechaniku pod vedením Ralpha Fowlera. Pak přišel březen 1925 a Paul dostal dopis od své tety Nell: „… tvůj bratr Felix spáchal sebevraždu.“

Felix pracoval ve strojírenské továrně v Birminghamu. Tatínek mu odmítl financovat lékařskou fakultu, kterou chtěl studovat. Žil z úspor, nešťastný a osamělý. Pak prostě skončil. Paulova reakce byla šokující. Když se vrátil domů a viděl zhroucené rodiče, řekl: „Moji rodiče byli strašně rozrušení. Nevěděl jsem, že jim na tom tolik záleží… Nikdy jsem nevěděl, že rodiče mají pečovat o své děti, ale od té chvíle jsem to věděl.“ Tento cynický komentář odhaluje hloubku dysfunkce v Diracově rodině. Po smrti bratra se jeho vztah s otcem prakticky ukončil. Práce se stala jeho útočištěm.

Zlatá éra: Když mladík změnil fyziku

Konec září 1925 byl osudný. Ralph Fowler dal Diracovi přečíst korekturní výtisk článku mladého Wernera Heisenberga o kvantové teorii. Dirac strávil týdny přemýšlením nad jednou tajemnou matematickou strukturou. Pak, během procházky po venkovské krajině Cambridge, ho to zasáhlo: Heisenbergovy komutátory měly stejnou strukturu jako Poissonovy závorky z klasické mechaniky! Byla to klíčová souvislost mezi starým a novým světem.

O měsíc později, 1. prosince 1925, byla publikována Diracova práce „Fundamental Equations of Quantum Mechanics“. Ten samý den byla podepsána smlouva z Locarna mezi Francií, Německem a Belgií. Zatímco Evropa hledala mír, Dirac zakládal novou říši – kvantový vesmír.

Diracova rovnice (1928)

Začátkem roku 1928 publikoval článek „The Quantum Theory of the Electron“ s rovnicí, která spojila kvantovou mechaniku a speciální relativitu. Tato elegantní rovnice popisovala pohyb elektronu relativistickými rychlostmi a přirozeně vysvětlovala spin elektronu. Ale měla problém: dvě řešení – jedno pro pozitivní energii, jedno pro negativní. Negativní energie? To nedávalo smysl! Werner Heisenberg dokonce napsal Paulimu: „Nejsmutnější kapitola moderní fyziky je a zůstává Diracova teorie.“

Předpověď antihmoty (1931)

Dirac zpočátku váhal. Bál se, že kolegové budou myslet, že udělal chybu. Ale vytrvál. V roce 1931 publikoval článek „Quantized Singularities of the Electromagnetic Field“, ve kterém tvrdil: musí existovat „anti-elektron“ – částice se stejnou hmotností jako elektron, ale s opačným nábojem.

2. srpna 1932 Carl Anderson pozoroval při studiu kosmického záření v mlžné komoře stopu podivné částice – měla pozitivní náboj a hmotnost elektronu. Nazval ji positron. Antihmota byla objevena! Heisenberg to nazval „možná největším skokem v moderní fyzice.“ V roce 1933 dostal Dirac Nobelovu cenu společně se Schröddingerem.

Další průlomové příspěvky

V roce 1939 Dirac vytvořil bra-ket notaci – elegantní matematický jazyk pro kvantovou mechaniku (⟨bra|ket⟩), který se dnes používá univerzálně. Vytvořil také Fermi-Diracovu statistiku, která popisuje chování fermionů – částic s polovičním spinem. Dirac ji skromně nazýval jen „Fermiho statistika“ kvůli „symetrii“.

Vytvořil základy kvantové elektrodynamiky – oboru popisujícího interakci světla a hmoty. Sám termín „quantum electrodynamics“ vymyslel. Jeho delta funkce se používá všude od signálového zpracování po kvantovou mechaniku. A jeho učebnice „The Principles of Quantum Mechanics“ (1930) je dodnes považována za mistrovské dílo – elegantní, přesná, kompletní.

Podivín mezi podivíny

Niels Bohr prý řekl, že Dirac byl „nejpodivnější návštěvník“, jaký kdy přišel do jeho institutu v Kodani. A to bylo v partě, kde byli Heisenberg, Pauli a další excentrici!

Mlčení bylo jeho umění. Dirac mohl sedět hodiny beze slova. Když ho někdo pozval na procházku a pak ho urazil, že během ní nic neříkal, Dirac odpověděl: „Vy jste mě pozval na procházku, ne na rozhovor.“ Byl extrémně doslovný. Když někdo během přednášky řekl „Nerozumím rovnici na tabuli,“ Dirac zůstal stát a čekal. Po chvíli organizátor řekl: „Profesore Dirac, to byla otázka.“ Dirac odpověděl: „To nebylo otázka, bylo to tvrzení.“

Jeho přítelkyně (později manželka) Manci mu psala dlouhé, vášnivé dopisy. On odpovídal jednou větou. Wolfgang Pauli vtipkoval: „Náš přítel Dirac má náboženství, jehož základní princip zní: Bůh není a Paul Dirac je jeho prorok.“ Přesto miloval Mickey Mouse, detektivky, film 2001: Vesmírná odysea a dokonce zpěvačku Cher!

Mnoho psychologů spekuluje, že Dirac mohl mít Aspergerův syndrom – extrémní potřeba rutiny, obtíže se sociální interakcí, doslovné vnímání jazyka, mimořádné zaměření na detail. Eugene Wigner (bratr Diracovy manželky) jednou řekl: „Richard Feynman je druhý Dirac, jen tentokrát lidský.“

Láska, nakonec

V roce 1934, když Dirac navštívil Institute for Advanced Study v Princetonu, potkal Margit (Manci) Wigner – sestru fyzika Eugena Wignera. Byla to rozvedená Maďarka s dvěma dětmi. V roce 1937 se vzali.

Manci byla v mnoha ohledech Diracovým opakem: vřelá, přátelská, společenská. Dirac adoptoval její děti Judith a Gabriela jako vlastní. Společně měli ještě dvě dcery: Mary Elizabeth a Florence Monica. Manci byla možná jediný člověk, který dokázal Diraca „rozluštit“. Nechávala ho pracovat podle potřeby, ale také ho vyvedla ze skořápky.

Když Dirac dostal v roce 1933 Nobelovu cenu, jeho první myšlenka byla odmítnout – nenáviděl publicitu. Když mu řekli, že odmítnutí přinese ještě větší publicitu, přijal. Na ceremoniál pozval matku – ale ne otce.

Pozdější roky a odkaz

Po své zlaté éře pokračoval Dirac v práci na hranicích fyziky. V letech 1932–1969 zastával pozici Lucasian Professor of Mathematics v Cambridge – titul, který měl i Isaac Newton. Zkoumání magnetických monopólů, velká čísla a kosmologie, pokus o sjednocení kvantové mechaniky a obecné relativity – to vše ho zaměstnávalo až do konce života.

V roce 1972 se přestěhoval na Florida State University, aby byl blíže dceři. 20. října 1984 zemřel v Tallahassee ve věku 82 let. Je pochován na hřbitově Roselawn. V roce 1995 byla v Westminster Abbey odhalena pamětní deska s vyřezanou Diracovou rovnicí – nejvyšší pocta pro britského vědce.

Co Dirac dal fyzice: Ultimátní souhrn

Proč byl Paul Dirac tak výjimečný?

Paul Dirac nebyl jen génius – byl archetyp teoretického fyzika. Jeho kombinace absolutní věrnosti matematické kráse, odvahy předpovědět „nemožné“, dokonalé logické přesnosti a úplné nezávislosti na názorech druhých vytvořila standard, ke kterému všichni teoretičtí fyzici dodnes aspirují.

Abdus Salam v roce 1987 prohlásil: „Dirac byl nepochybně jeden z největších fyziků tohoto či jakéhokoli jiného století.“ A Einstein, když se snažil pochopit Diracovu práci v roce 1926, napsal téměř zoufale: „Mám problémy s Diracem. Toto balancování na závratné cestě mezi géniem a šílenstvím je strašné.“

Ale právě tato cesta – mezi géniem a šílenstvím, mezi matematikou a realitou, mezi mlčením a revolucí – nás dovedla k pochopení antihmoty, kvantového pole a základních zákonů vesmíru. Paul Dirac žil tichým životem plným hlučných myšlenek. A tyto myšlenky změnily naše chápání reality navždy.