Paul Dirac: Du wirst niemals allein gehen

Dirac ist eine einzigartige Figur in der Geschichte der Wissenschaft. Er widmet sich seit fast 60 Jahren der theoretischen Physik und hat dabei einen einzigartigen Forschungsstil: Er kombiniert Intuition, Vorstellungskraft, lineare Logik und leistungsstarke Mathematik. Es war immer verwirrend: Wie hat er das gemacht? Er war ein schweigsamer Mensch. Nach seinem kreativen Ausbruch an Ergebnissen wurde er allmählich von der Quantenelektrodynamik enttäuscht und distanzierte sich von der etablierten akademischen Gemeinschaft. Er wurde zu einem einsamen Denker. Dennoch lassen sich die Menschen immer wieder von seinen Artikeln inspirieren und folgen dem Weg, den er bereits vorgezeichnet hat. Dirac, ein einsamer Mann, geht nie allein.

Von Graham Farmelo

Übersetzung | Schnee

Paul Dirac, oft als „Theoretiker der Theoretiker“ bezeichnet, war schüchtern, schweigsam und scheinbar ohne Empathie – der archetypische Einzelgänger in der Wissenschaft. Als Dirac in seinen späteren Jahren aus heiterem Himmel von einem Physiker angerufen und gefragt wurde, ob er über die Ideen in seinem Artikel sprechen wolle, unterbrach er sein Gegenüber mit den Worten: „Ich denke, die Leute sollten ihre eigenen Ideen untersuchen“, und legte dann auf.

Dirac ist vor allem für die Entwicklung der Quantenmechanik bekannt, die auf die Arbeiten von Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger im Jahr 1925 folgte, als Dirac gerade 23 Jahre alt war. Unter den frühen Schriften zu dieser Theorie stachen Diracs Arbeiten hervor, wie Freeman Dyson es ausdrückte, als „die großen Entdeckungen, die eine nach der anderen vom Himmel fielen wie kunstvoll gemeißelte Marmorstatuen.“[1] Obwohl Dirac weithin als wissenschaftlicher Zauberer respektiert wurde, empfanden viele Physiker – insbesondere jene in Berlin und Göttingen, wo viele der grundlegenden Arbeiten zur Quantenmechanik entstanden – seine Sprache als unverständlich, seine Argumente als schwer verständlich und sein Auftreten als kalt und distanziert. Zu denen, die zutiefst verwirrt waren, gehörte auch Einstein. „Ich habe Probleme mit Dirac. Dieses Balancieren auf dem schwindelerregenden Pfad zwischen Genie und Wahnsinn ist furchtbar.“ Niels Bohr war von Dirac beeindruckt, aber auch verwirrt über dessen Gleichgültigkeit gegenüber den philosophischen Fragen, die die neue Theorie aufwarf, und nannte Dirac „den seltsamsten Mann, der je mein Institut besucht hat“. [2]

Diracs einzigartige Persönlichkeit und Einstellung zur theoretischen Physik rührten von seiner Erziehung in Bristol, der größten Stadt im Südwesten Englands, her. Nach eigenen Angaben hatte er eine elende Kindheit ohne Liebe und Freunde, erhielt jedoch eine umfassende Ausbildung in Naturwissenschaften, Mathematik und Ingenieurwissenschaften. Acht Wochen nach seinem 21. Geburtstag kam Dirac an die Universität Cambridge, um mit seinem Doktoratsstudium zu beginnen. Obwohl sein Verständnis der modernen Physik damals noch nicht umfassend war, verfügte er bereits über zwei Bachelor-Abschlüsse in Elektrotechnik und angewandter Mathematik. Er war ein höchst ungewöhnlicher Student, ein Außenseiter, der im Begriff war, die Wissenschaft auf einzigartige Weise zu prägen, und nur wenige hätten ahnen können, dass er dazu bestimmt war, der erfolgreichste britische Gelehrte des 20. Jahrhunderts zu werden.

Dirac sagte später, er habe nie eine Kindheit gehabt. Seine ersten Erinnerungen an sein Familienleben waren trostlos – niemand war davor gefeit, vor allem wegen seines autoritären Vaters, eines Lehrers, der darauf bestand, dass die Familie nur wenig Besuch empfing und von seinen Kindern verlangte, nur Französisch zu sprechen. Zu den Mahlzeiten war die Familie getrennt: Dirac und sein Vater waren im Wohnzimmer und unterhielten sich nur auf Französisch, während seine Mutter und seine Geschwister in der Küche waren und nur Englisch sprachen. In einem gut recherchierten Bericht aus dem Jahr 1933 heißt es, Dirac sei als Kind davon überzeugt gewesen, dass Männer und Frauen unterschiedliche Sprachen sprechen. Sein strenger Vater bestrafte ihn für kleine Grammatikfehler und verweigerte ihm sogar den Zugang zur Toilette. Dirac erinnerte sich, dass er dachte, Schweigen sei der beste Weg, einer Strafe zu entgehen. Dies erklärt auch, warum er nur ungern spricht, wenn es keinen sehr guten Grund dafür gibt.

Links: Diracs Mutter Florence und drei Kinder, das Foto wurde am 9. April 1909 von seinem Vater aufgenommen [Paul Dirac links, damals noch keine 7 Jahre alt; Bruder Felix rechts, Schwester Betty in den Armen der Mutter]. Das Bild rechts (aufgenommen 1910) zeigt Diracs Vater Charles, der 1866 in der Schweiz geboren wurde und am 22. Oktober 1919 britischer Staatsbürger wurde. Seitdem sind auch seine Kinder britische Staatsbürger. Zuvor war Paul Diracs offizielle Staatsangehörigkeit die Schweiz. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Florida State University, Paul AM Dirac Collection.

Dirac war in der Grundschule ein guter, aber kein außergewöhnlicher Schüler (einer seiner Klassenkameraden war Archie Leach, der später der berühmte Schauspieler Cary Grant wurde). Diracs Talent zeigte sich, nachdem er auf die High School kam. Es war während des Ersten Weltkriegs und viele Jungen meldeten sich bei den Streitkräften, wodurch in den oberen Klassen freie Plätze entstanden und begabte Schüler wie Dirac rasche Fortschritte machen konnten. Das Gymnasium vermittelte Dirac eine erstklassige praktische Ausbildung und ermöglichte es ihm, Latein, Griechisch und andere Fächer zu vermeiden, die ihm bei der Berufssuche wahrscheinlich nicht von Nutzen sein würden. Er war in fast allen Fächern hervorragend, insbesondere in Mathematik, Naturwissenschaften und technischem Zeichnen. Als Teenager war Dirac seinen Klassenkameraden weit voraus und hatte begonnen, über die Natur von Raum und Zeit nachzudenken, obwohl er nichts über die Relativitätstheorie wusste. Seine Klassenkameraden hielten ihn für exzentrisch und verschlossen; Einer beschrieb ihn als „einen großen, dünnen Jungen, der Pumphosen trug, lockiges Haar hatte und unbritisch aussah.“ Diracs Mathematiklehrer, der verzweifelt nach Aufgaben suchte, die ihn zur Konzentration anregen würden, beschloss, Dirac zum Studium der Riemannschen Geometrie einzuladen, eine Einladung, die er gerne annahm.

Als Dirac 16 war, war er bereit, zur Universität zu gehen. Da er sich nicht sicher war, was er studieren wollte, beschloss er, sich seinem Bruder anzuschließen und an der Universität Bristol Ingenieurwissenschaften zu studieren. Dirac arbeitete unermüdlich an theoretischen Arbeiten, war jedoch im Labor hoffnungslos ungeschickt und verbrachte die meisten Nachmittage damit, Schaltkreise zu löten, eine Drehbank zu bedienen, Balkenlasten zu messen oder sich mit anderen Fähigkeiten zu beschäftigen, die ein angehender Ingenieur braucht.

Fließende Gedanken

Trotz seines vollen Terminkalenders brauchte Dirac immer noch eine Herausforderung. Und tatsächlich stellte sich später im Jahr 1919 heraus, nicht lange nachdem die Familie ihre Schweizer Staatsbürgerschaft aufgegeben hatte und britische Staatsbürger geworden war, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, wie Dirac es ausdrückte, „die Welt plötzlich in Erstaunen versetzte“. Die neuesten Beobachtungsdaten der Sonnenfinsternis schienen zu diesem Zeitpunkt zu beweisen, dass Einsteins Theorie bei der Beschreibung der durch das Gravitationsfeld der Sonne verursachten Lichtkrümmung der Newtonschen Theorie überlegen war – er und seine Klassenkameraden waren von dieser sensationellen Neuigkeit sehr begeistert. [Siehe Daniel Kenneficks Artikel in Physics Today (März 2009)] Doch für Dirac war es schwierig, den Kern dieser großen Neuigkeit zu erkennen. Es gab nur wenige Einzelheiten über die Theorie und die meisten Broschüren zu Einsteins Werk waren spärlich, irreführend und oft falsch.

Diracs Wunsch, mehr Details zu erfahren, wurde erfüllt, als er einen Kurs über wissenschaftliches Denken bei dem Philosophen Charlie Broad belegte, der sich auf Einsteins spezielle und allgemeine Relativitätstheorie konzentrierte. Broad hatte in Cambridge eine Ausbildung in Naturphilosophie absolviert und besaß ein Talent dafür, neue Ideen zusammenzufassen und sie stets präzise und anschaulich auszudrücken. (Er las jeden Satz seiner sorgfältig vorbereiteten Vorlesungsmitschriften zweimal und die Witze dreimal.) Diese Grundidee, die Naturgesetze in mathematischer Form auszudrücken und sie dadurch erraten zu können, regte Diracs Fantasie an. Mit 17 Jahren beschritt er den Weg zum theoretischen Physiker.

Im Juli 1921 erhielt Dirac einen erstklassigen Honours Degree, bald darauf erhielt er jedoch auch eine „Arbeitslosenbescheinigung“. Zu dieser Zeit befand sich die britische Wirtschaft in einer Rezession und es gab kaum Arbeitsplätze. Dirac nahm an mehreren Vorstellungsgesprächen teil, die jedoch alle scheiterten. Einer seiner Dozenten an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, David Robertson, bot ihm an, ihm die Teilnahme an einem kostenlosen Mathematikkurs an der Universität zu ermöglichen und so das erste Jahr zu überspringen. Während seines Studiums der reinen Mathematik besuchte Dirac Kurse bei Peter Fraser. Fraser hat in seinem Leben nie eine Forschungsarbeit geschrieben, aber er war ein außergewöhnlicher Lehrer – Dirac sagte später, er sei der beste Lehrer gewesen, den er je gehabt habe. Fraser interessierte sich für projektive Geometrie – die Untersuchung geometrischer Eigenschaften, die bei bestimmten Transformationen invariant sind, ein Thema, das eng mit dem geometrischen Zeichnen verwandt ist, mit dem sich Dirac fast ein Jahrzehnt lang beschäftigt hatte. Obwohl Diracs Lieblingsvorlesungen zur reinen Mathematik waren, verbrachte er die meiste Zeit mit Kursen zur angewandten Mathematik und löste dort viele Probleme mithilfe der Newtonschen Mechanik. Er besuchte auch mehrere Vorlesungen zur Relativitätstheorie, bei denen er wahrscheinlich mehr wusste als die Dozenten.

Als Dirac im Oktober 1923 in Cambridge ankam, um dort zu promovieren, wusste die Universität, dass sie einen ungewöhnlichen Studenten hatte. Ein „intellektueller Scout“ aus Bristol sagte in seinem Bericht: „(Dirac) ist etwas tollpatschig, sitzt gern da und denkt nach, ist ein Einsiedler, macht nicht gern Witze und ist finanziell sehr eingeschränkt.“ Diracs hervorragende Leistung bei der Aufnahmeprüfung beeindruckte die Schule so sehr, dass sie ihm unbedingt einen Studienplatz für das Masterstudium geben wollte (ursprünglich war er nicht für die Teilnahme am Grundstudium zugelassen, da er weder Latein noch Griechisch gelernt hatte). Obwohl er noch große Wissenslücken hatte und nicht einmal die Maxwell-Gleichungen kannte, zeigte Dirac ein außergewöhnliches mathematisches Talent und verfügte über die beruflichen Fähigkeiten und das Urteilsvermögen, die ein gut ausgebildeter Ingenieur braucht.

Dirac hatte seine Forschungskarriere mit der Relativitätstheorie beginnen wollen und war daher enttäuscht, als man ihm mitteilte, dass sein Betreuer Ralph Fowler sein würde, ein Experte für statistische Mechanik und Quantentheorie. Dirac erkannte jedoch bald, dass er in Cambridge einen der besten Mentoren hatte – einen Mann mit weitreichenden Verbindungen, viel Ermutigung und der Fähigkeit, beherrschbare Probleme zu erkennen. Dirac löste die von Fowler aufgeworfenen Probleme schnell und einfallsreich und etablierte sich so als Spitzenstudent. Darüber hinaus beschäftigte er sich in seiner Freizeit weiterhin mit projektiver Geometrie und suchte nach relativistischen Versionen verschiedener klassischer Theorien, um seine Begeisterung für die spezielle Relativitätstheorie zu stillen.

Aus den äußerst knappen Postkarten, die er nach Hause schrieb, können wir ersehen, dass Dirac zufrieden wirkte. Doch im Frühjahr 1925 erschütterte es Dirac, als er erfuhr, dass sein Bruder durch die Einnahme von Kaliumcyanid Selbstmord begangen hatte, obwohl die beiden Brüder zu dieser Zeit voneinander getrennt lebten. Diracs erste Reaktion auf die Tragödie wurde nicht aufgezeichnet und es war immer ein schmerzhaftes Thema, über das weder er noch seine Frau sprechen wollten. Er sprach jedoch mit engen Freunden, die ihren tyrannischen Vater für den Tod seines Bruders verantwortlich machten. Danach nahm Diracs Produktivität stark ab und bis zu seiner Rückkehr nach Bristol im Sommer dieses Jahres veröffentlichte er mehrere Monate lang nichts. Am Ende seines Urlaubs erhielt er einen Brief, dessen Inhalt sein Leben veränderte.

Der Brief stammte von Fowler und enthielt ein Korrekturexemplar eines Artikels, der heute als Heisenbergs erste veröffentlichte Arbeit zur Quantenmechanik gilt. [3] Dirac hielt die Arbeit zunächst für zu kompliziert und legte sie beiseite. Doch etwa zwei Wochen später wurde seine Aufmerksamkeit durch ein paar beiläufige Zeilen erregt, in denen Heisenberg auf einen offensichtlichen Fehler in seiner Theorie hinwies: Die beiden Variablen, Position und Impuls, vertauschten sich nicht, aber er deutete an, dass dieses Problem nicht unüberwindbar sei. In den nächsten Wochen konzentrierte sich Dirac auf diesen Satz und erkannte, dass er den Schlüssel zur Quantenmechanik enthielt. Dirac konstruierte seine eigene Version der Quantenmechanik in Analogie zur Poisson-Klammer der klassischen Mechanik, die eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der zeitlichen Entwicklung dynamischer Systeme spielt. Seine erste Arbeit zu diesem Thema, „Die Fundamentalgleichungen der Quantenmechanik“[4], hinterließ bei Heisenberg, Max Born und ihren Kollegen in Göttingen einen tiefen Eindruck. Vierzig Jahre später sagte Heisenberg in einem BBC-Interview, keiner von ihnen habe damals von Dirac gehört, aber sie hätten vermutet, dass er ein erstklassiger Mathematiker sei.

Das Foto wurde 1927 aufgenommen, als Dirac 25 Jahre alt war. Der Baum hinter ihm auf dem Foto ist möglicherweise kein Zufall: Dirac hat etwas von seinem sowjetischen Freund Igor Tamm gelernt – Dirac kletterte gern auf Bäume und trug oft einen Anzug. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Florida State University, Paul AM Dirac Collection.

Diracs frühe Arbeiten zur Quantenmechanik waren bemerkenswert für ihre tiefgründigen Erkenntnisse und ihre Eleganz. Viele dieser Papiere wirken noch immer erfrischend frisch und zeitgemäß. Mitte bis Ende der 1920er Jahre schien sich das Buch der Natur vor ihm zu öffnen: Er veröffentlichte eine großartige Arbeit nach der anderen, war Mitentdecker der Quantentransformationstheorie und der Quantenfeldtheorie, der Dispersionstheorie, der Dichtematrix- und Lochtheorie und leistete mehrere andere bahnbrechende Beiträge. Die Wissenschaftler waren von Diracs zahlreichen Erkenntnissen verblüfft, erhielten jedoch erst in den 1960er Jahren viele Informationen von ihm, als er begann, über seine frühen Arbeiten zu sprechen. In einem Kommentar sprach er offen über die Verwendung der projektiven Geometrie in seinen frühesten Arbeiten. Er hatte die Mathematik in seinen Aufsätzen teilweise deshalb nicht erwähnt, weil er dachte, dass andere Physiker damit nicht vertraut seien. Als Roger Penrose Dirac 1971 in einer Vorlesung an der Boston University bat, zu erklären, wie er in diesen Arbeiten Geometrie verwendete, schüttelte Dirac sanft den Kopf und lehnte ab. Seine Inspiration für die Delta-Funktion erläuterte er jedoch in einem Interview im Jahr 1963, als er sich an sein Ingenieurstudium erinnerte:

Wenn Sie an technische Strukturen denken, haben Sie manchmal verteilte Lasten und manchmal konzentrierte Lasten an einem Punkt. Nun, es ist im Wesentlichen dasselbe … aber Sie haben in den beiden Fällen unterschiedliche Gleichungen verwendet. Grundsätzlich müssen wir diese beiden Situationen vereinen, was in gewisser Weise zur Delta-Funktion führt.

Der Höhepunkt von Diracs kreativem Ausbruch war vielleicht seine 1928 veröffentlichte Gleichung für das Elektron[5]. Diese Gleichung macht die Quantenmechanik und die spezielle Relativitätstheorie kompatibel und kann sowohl den Spin als auch das magnetische Moment von Teilchen erklären. Drei Jahre später verwendete er diese Gleichung in seiner bahnbrechenden Arbeit über magnetische Monopole, um die Existenz von Antielektronen vorherzusagen[6]. Im Herbst 1931, am Ende einer Vorlesungsreihe an der Princeton University, sagte Dirac praktisch die Existenz des Antielektronens voraus, obwohl es keine Hinweise darauf gibt, dass er Experimentalphysiker ermutigte, nach diesem neuen Teilchen zu suchen. Im August 1932 veröffentlichte Carl Anderson vom Caltech den ersten Beweis für die Existenz eines Teilchens mit der gleichen Masse wie das Elektron, aber entgegengesetzter Ladung, erwähnte Diracs Arbeit jedoch nicht. Erst mehrere Monate später wurde der wissenschaftlichen Gemeinschaft klar, dass Anderson das von Dirac vorhergesagte Antielektron entdeckt hatte. Dreißig Jahre später sagte Dirac mit der olympischen Distanziertheit, die zu seinem Markenzeichen geworden war, dass seine größte Befriedigung nicht die Entdeckung des Antielektrons gewesen sei, sondern die richtige Lösung der Gleichung.

Diese erfolgreiche Vorhersage beeindruckte das Nobelpreiskomitee, das zuvor gezögert hatte, der Quantenmechanik den Preis zu verleihen, da diese zuvor keine ausreichende experimentelle Unterstützung erhalten hatte. Im November 1933, mehr als ein Jahr nachdem Dirac Lucasian Professor an der Universität Cambridge geworden war, gab das Nobelkomitee bekannt, dass sich Dirac und Schrödinger den Nobelpreis in diesem Jahr jeweils zur Hälfte teilten und den Nobelpreis von 1932 rückwirkend an Heisenberg verlieh. Dirac wurde der damals jüngste Nobelpreisträger für Physik [Anmerkung des Übersetzers: theoretisch, im Experiment war es der 25-jährige William Lawrence Bragg], ein Rekord, der erst 1957 von Tsung-Dao Lee (um nur wenige Monate) gebrochen wurde.

Opposition gegen QED

Wenige Wochen nachdem Dirac den Nobelpreis erhalten hatte, schlug er die Idee der Vakuumpolarisation vor und sein goldenes Zeitalter ging zu Ende. Er war nicht länger fasziniert von der Quantenelektrodynamik (QED), die vorhersagte, dass viele Observablen unendlich groß sein würden, was Berechnungen sinnlos machte, und Dirac war darüber zutiefst beunruhigt. Ende 1936 wandte er seine Aufmerksamkeit kurzzeitig der Kosmologie zu und schlug die umstrittene Hypothese der großen Zahlen vor. Die Hypothese besteht darin, dass einige einfache lineare Gleichungen die riesigen Zahlen auf der Skala des Universums verbinden (und nicht durch Zufall).

Einige Jahre später nahm Dirac eine Einladung von James Scott an, einen Vortrag über seine Philosophie der Physik zu halten. Dass er die Einladung annahm, war ziemlich überraschend, da Dirac die Wissenschaftsphilosophie offen verachtete. Im Jahr 1963 beschrieb er es als „einfach eine Art, über gemachte Entdeckungen zu sprechen“. Doch Dirac enttäuschte sein Publikum nicht, als er im Februar 1939 in Edinburgh einen Vortrag über die „Beziehung zwischen Mathematik und Physik“ hielt, denn er bot in klarer, einfacher Sprache tiefgreifende Erkenntnisse, ohne ein einziges abstraktes mathematisches Symbol zu verwenden. [7] Auch sein Zitat ist eindeutig: „Mathematiker spielen ein Spiel, für das sie die Regeln erfinden; Physiker spielen ein Spiel, für das die Natur die Regeln vorgibt.“

Er schlug vor, dass theoretische Physiker nach physikalischen Gesetzen streben sollten, die die größtmögliche mathematische Schönheit verkörpern. Für die naheliegende Frage, was diese ästhetische Qualität objektiv ausmacht, hatte er jedoch kein Verständnis: „Es handelt sich um eine undefinierbare Qualität, genauso wie Schönheit in der Kunst nicht definiert werden kann, es aber für diejenigen, die Mathematik studieren, nicht schwer ist, sie zu schätzen.“ Dirac sagte später, sein Glaube an die sogenannten Prinzipien der mathematischen Schönheit sei für ihn und seinen Freund Schrödinger „wie eine Religion“ gewesen.

Zur gleichen Zeit, als sich Diracs Forschungsrichtung änderte, ereigneten sich auch einige wichtige Ereignisse in seinem Privatleben. Im Juni 1936 starb Diracs Vater und Dirac blieb bis zu seinem Lebensende in seiner Obhut. Nach der Beerdigung atmete Dirac erleichtert auf: „Ich fühle mich jetzt viel freier; ich habe das Gefühl, mein eigener Herr zu sein.“ Er schrieb diese Worte an seine enge Freundin Margit Balázs, die (damals geschiedene) Schwester seines ungarischen Freundes und Kollegen Eugene Winger. Innerhalb von sechs Monaten heirateten sie und Dirac. Es war eine ungewöhnliche Kombination, denn sie war in vielerlei Hinsicht Diracs Gegenteil – gesprächig, gesellig, rechthaberisch. Die Ehe war jedoch gut, sie bekamen zwei Töchter und verbrachten fast 50 Jahre miteinander. Dirac betrachtete sich selbst als Familienvater, der sich gern um seinen Garten und Rasen kümmerte, sich aber weiterhin der theoretischen Physikforschung widmete, sich jedoch zunehmend von der etablierten akademischen Welt entfremdete. Während des Zweiten Weltkriegs fungierte er als Berater einer geheimen britischen Gruppe, die an der Entwicklung von Atomwaffen arbeitete, und verbrachte einen Teil seiner Zeit mit der Entwicklung einer von ihm vorgeschlagenen Idee: der Trennung von Isotopen mit einem Instrument ohne bewegliche Teile. Und er gab die theoretische Physikforschung nicht völlig auf. Er war einer der wenigen Menschen, die während des Krieges weiter an der QED arbeiteten und den Kontakt zu seinen Mitflüchtlingen Schrödinger und Wolfgang Pauli aufrechterhielten.

Margit Balázs war die Schwester des theoretischen Physikers Eugene Wigner. Das Foto wurde 1932 aufgenommen, zwei Jahre bevor sie Dirac zum ersten Mal in einem Restaurant in Princeton traf. Sie heirateten im Januar 1937 in London. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Florida State University, Paul AM Dirac Collection.

In den frühen 1950er Jahren entwickelte die nächste Generation von Theoretikern – insbesondere Dyson, Richard Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga – eine vollständigere Theorie der QED, die die lästigen Unendlichkeitsprobleme durch Renormierung systematisch beseitigte und in enger Übereinstimmung mit dem Experiment stand. Doch Dirac blieb ungerührt. Als Dyson ihn fragte, was er von der neuen Theorie halte, sagte Dirac unverblümt: „Wenn diese neuen Ideen nicht so hässlich wären, würde ich sie vielleicht für richtig halten.“

Dirac glaubte, es wäre töricht, die Grenzen der Teilchenphysik zu erweitern, bevor man die Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen besser verstünde. Da er die neuen Ergebnisse zu schwachen und starken Wechselwirkungen nahezu ignorierte, zog er sich nach und nach aus dem akademischen Kreis zurück und seine Produktivität sank stark. In den späten 1950er und frühen 1960er Jahren, als er versuchte, eine Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln, leistete er wichtige Arbeit zur Hamiltonschen Form der Allgemeinen Relativitätstheorie und zur Quantentheorie gebundener Zustände. Dies waren gewichtige Beiträge, doch in den Augen der meisten Kollegen Diracs trieb er sich einfach in seinem eigenen wissenschaftlichen Hinterland herum – ein Mann, den man respektieren, dem man aber nicht zuhören sollte. Im Jahr 1969, zwei Jahre nach seiner Pensionierung als Lucas-Professor in Cambridge, wechselte er an die Physikfakultät der Florida State University in Tallahassee und bereiste die Welt, wobei er vor allem Vorträge über seinen philosophischen Ansatz zur Physik hielt. Er legte großen Wert darauf, die seiner Ansicht nach fatalen Mängel der QED aufzuzeigen und forderte jüngere Kollegen dazu auf, eine revolutionäre Theorie zu entwickeln, die die von ihm mitentdeckte Theorie ersetzen würde.

In seiner Vorlesung „Ingenieure und Physiker“ aus dem Jahr 1980 erklärte Dirac, warum er so entschieden gegen die QED war. Seine Ansicht war durch seine Ausbildung als Ingenieur geprägt, und die Renormierung erforderte eine Vorgehensweise, die kein Ingenieur mit Selbstachtung gutheißen würde: das Ignorieren unendlicher Terme in einer Reihe von Näherungen an reale, messbare Größen. Für Dirac war es absurd, unendliche Mengen in den Gleichungen zu ignorieren.

Andere Ingenieure verfolgen möglicherweise einen eher praktischen Ansatz: Funktioniert es, stimmt es mit den Experimenten überein und akzeptieren daher die Theorie. Dirac konnte dies jedoch nicht akzeptieren, da er ein außergewöhnlicher Ingenieur war – ein Ingenieur mit dem Geist eines herausragenden reinen Mathematikers.

„Das Hauptproblem für Ingenieure besteht darin, zu entscheiden, welche Näherungen sie vornehmen sollen“, sagte er. Ein guter Ingenieur trifft kluge, oft intuitive Entscheidungen darüber, was zu ignorieren ist. „Die ignorierten Terme müssen klein sein und dürfen das Ergebnis nicht stark beeinflussen. Er darf keine Mengen ignorieren, die nicht klein sind.“

Max Born und seine jungen Kollegen im Garten seines Hauses in Göttingen im Frühjahr 1927. Dirac liest konzentriert eine Zeitung. Auch sein Freund J. Robert Oppenheimer, den er in Deutschland kennengelernt hat, ist hier (vierter von links). Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Florida State University, Paul AM Dirac Collection.

Prinzipientreu und exzentrisch

Wie große Poesie sind Diracs Schriften es wert, immer wieder gelesen zu werden. Immer wieder stellten Forscher fest, dass die Ideen und Erkenntnisse in Diracs Arbeiten bei ihrer Erstveröffentlichung kaum Einfluss hatten. Ein klassisches Beispiel ist sein Aufsatz aus dem Jahr 1939 über die Beziehung zwischen Mathematik und Physik, der noch immer unter theoretischen Physikern am Institute for Advanced Study (IAS) in Princeton, New York, kursiert. Einer von ihnen, Nathan Seiberg, sagte mir: „Wenn der Text auf 2009 statt auf 1939 datiert gewesen wäre, wäre er genauso beeindruckend gewesen.“

In einer besonders bemerkenswerten Passage spekuliert Dirac über die Anfangsbedingungen des Universums (sogar noch 1939 akzeptierte er die von seinem Schüler Fred Hoyle aufgestellte Theorie dessen, was als Urknall bekannt wurde). Dirac wies darauf hin, dass, wenn das Universum unter bestimmten Anfangsbedingungen lediglich einem trivialen Satz von Bewegungsgleichungen gehorche, dies weder die große Vielfalt des Lebens auf der Erde noch die Komplexität des Universums selbst erklären könne. Er glaubt, dass die Quantenmechanik diese Komplexität auf Quantensprünge im sehr frühen Universum zurückführen kann. Dirac schien zu wissen, dass er auf eine wichtige Erkenntnis gestoßen war, die er sehr konkret in Kursivschrift zusammenfasste:

„Die Quantensprünge bilden heute den unberechenbaren Teil der Naturphänomene und ersetzen die Anfangsbedingungen der alten mechanistischen Sichtweise.“

„Es war eine erstaunliche Erkenntnis“, sagte mir Nima Arkani-Hamed, eine Kollegin von Seiberg beim IAS. Obwohl Dirac die Details der Entwicklung des Universums nicht kannte, wie etwa moderne Inflationstheorien, hat er die Kernkonzepte genau richtig verstanden. Er ähnelt damit Darwin, der eine Evolutionstheorie durch natürliche Selektion entwickeln konnte, obwohl er nichts über die zugrunde liegende Genetik wusste.

Arkani-Hamid betonte auch den technischen Wert von Diracs Arbeit für moderne Physiker, einschließlich Stringtheoretiker. In den frühen 1970er Jahren erkannte eine jüngere Generation von Physikern, die die Stringtheorie entwickelten, dass sie in Diracs Fußstapfen traten. Er schlug nicht nur ein erweitertes Modell der Materie als Elementarteilchen vor, sondern entwickelte bei seiner Quantisierung eingeschränkter mechanischer Systeme auch die Techniken, die Theoretiker zum Verständnis der Quantendynamik der relativistischen Stringtheorie benötigten. Als Physiker Mitte der 1970er Jahre versuchten, die Eigenschaften magnetischer Monopole zu verstehen – die natürlicherweise in vielen modernen Theorien der Elementarteilchen vorkommen – stellten sie fest, dass Dirac in seinen Arbeiten von 1931 und 1948 erneut die Richtung vorgegeben hatte.[8]

Dirac am Institute for Advanced Study in Princeton, circa 1958. Er verrichtete gern körperliche Arbeit, beispielsweise Bäume fällen, und half auch dabei, Wege in den Wäldern in der Nähe des Instituts freizumachen. Bildquelle: Mit freundlicher Genehmigung von Monica Dirac

Dirac scheint den frühen Arbeiten zur Stringtheorie oder der Mainstream-Arbeit der Physiker in den 1970er Jahren, nämlich dem Standardmodell, wenig oder keine Aufmerksamkeit geschenkt zu haben. Desillusioniert von der QED konzentrierte er sich darauf, die allgemeine Relativitätstheorie mit seiner Hypothese der großen Zahlen zu verknüpfen. Und er wusste, dass viele Physiker ihn als einen prinzipientreuen, aber exzentrischen Mann betrachteten. Obwohl Dirac unbeirrt blieb, konnte es sein, dass er manchmal demoralisiert wurde. Dies ist zweifellos auch dem Princeton-Physiker John Wheeler aufgefallen, der Dirac zu seinem 80. Geburtstag eine besonders nachdenkliche Notiz schrieb:

Ich schreibe Ihnen, um Ihnen mitzuteilen – und ich bin nicht sicher, ob Sie es erraten haben –, dass viele Gelehrte, jung und alt, Sie als einen Helden im Streben nach Integrität und Schönheit und als ein Vorbild für das Richtige betrachten. [9]

Dirac bewahrte den Brief in seinem Schreibtisch auf. Weniger als zwei Jahre später, am 20. Oktober 1984, starb er in seinem Haus in Tallahassee an Herzversagen, seine Frau und Krankenschwestern waren an seinem Bett. Er arbeitete bis zum Schluss und seine Beiträge zur Physik endeten nicht mit seinem Tod. Wie alle wirklich großen Denker versorgt er die Welt auch nach seinem Tod weiterhin mit einem konstanten Strom kreativer Energie.

Über den Autor

Graham Farmelo ist theoretischer Physiker, Biograf, populärwissenschaftlicher Autor und leitender Forscher am Natural History Museum in London. Sein Werk „The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom“ gewann 2010 den Los Angeles Times Science Book Award und 2009 den Physics World Book of the Year Award.

Verweise

[1] Sofern nicht anders angegeben, basiert dieser Artikel auf G. Farmelo, The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom, Basic Books, New York (2009).

[2] K. Gottfried, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0302041v1, S. 9.3.

[3] W. Heisenberg, Z. Phys. 33, 879 (1925).

[4] PAM Dirac, Proc. R. Soc. London, Ser. A 109, 642 (1925).

[5] PAM Dirac, Proc. R. Soc. London, Ser. A 117, 610 (1928).

[6] PAM Dirac, Proc. R. Soc. London, Ser. A 133, 60 (1931).

[7] PAM Dirac, Proc. R. Soc. Edinburgh, Abt. A: Mathe. Phys. Wissenschaft 59, 122 (1938-39).

[8] PAM Dirac, Phys. Rev. 74,817 (1948).

[9] I. Wheeler an P. A. M. Dirac, 8. August 1982, Allgemeine Korrespondenz Paul A. M. Dirac Collection, Paul A. M. Dirac Library, Florida State University, Tallahassee.

Dieser Artikel wurde mit Genehmigung des American Institute of Physics (AIP) übersetzt und in Fanpu veröffentlicht.

Graham Farmelo; Paul Dirac, ein außergewöhnlicher Mann. Physik heute, 1. November 2009; 62 (11): 46–50. https://doi.org/10.1063/1.3265236.

Reproduziert von [Graham Farmelo; Paul Dirac, ein außergewöhnlicher Mann. Physik heute, 1. November 2009; 62 (11): 46–50. https://doi.org/10.1063/1.3265236], mit Genehmigung des American Institute of Physics.

Originallink:
https://pubs.aip.org/physicstoday/article-abstract/62/11/46/400676/Paul-Dirac-a-man-apart-Dirac-practiced-theoretical?redirectedFrom=fulltext

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