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Paul Dirac
Paul Dirac (1902-1984), physicien britannique, a uni mécanique quantique et relativité restreinte dans l’équation de Dirac (1928), qui a conduit à prédire l’antimatière. Il a reçu le prix Nobel de physique 1933.
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Taciturne au point d’être devenu un sujet d’anecdotes, Dirac est l’un des théoriciens les plus profonds du XXe siècle. Guidé par la recherche de la beauté mathématique, il écrit en 1928 une équation pour l’électron qui contient, à la surprise générale, une particule inconnue : l’antiélectron, observé quatre ans plus tard. C’est la première prédiction de l'antimatière.
Repères chronologiques
| Date | Événement |
|---|---|
| 8 août 1902 | naissance à Bristol ; son père impose de lui parler uniquement en français à table |
| 1918-1921 | diplôme d’ingénieur électricien à l’université de Bristol |
| 1921-1923 | licence de mathématiques à Bristol |
| 1923 | doctorant à Cambridge |
| 1925 | à partir de l’article de Heisenberg, formule sa propre version de la mécanique quantique |
| 1926 | thèse ; statistique de Fermi-Dirac |
| 1927 | théorie quantique de l’émission et de l’absorption du rayonnement : naissance de l’électrodynamique quantique |
| 1928 | équation de Dirac |
| 1930 | Les Principes de la mécanique quantique, manuel de référence |
| 1931 | prédit l’antiélectron et le monopôle magnétique |
| 1932 | Carl Anderson découvre le positon ; Dirac est nommé professeur lucasien |
| 1933 | prix Nobel de physique |
| 1937 | épouse Margit Wigner, sœur du physicien Eugene Wigner |
| 1969 | quitte Cambridge |
| 1971-1984 | professeur à l’université d’État de Floride |
| 20 octobre 1984 | mort à Tallahassee |
| 1995 | plaque commémorative à l’abbaye de Westminster, près de Newton |
La notation de Dirac et la mécanique quantique
En 1925, Dirac reçoit les épreuves de l’article de Heisenberg. Il remarque l’analogie entre la non-commutativité des grandeurs quantiques et un outil de la mécanique classique, les crochets de Poisson. Il en tire une formulation générale et élégante de la théorie, indépendante des matrices de Heisenberg et des ondes de Schrödinger, qu’il unifie.
Il invente la notation bra-ket (⟨ | et | ⟩), encore utilisée dans tous les cours de physique quantique, et la fonction delta de Dirac. Il établit en 1926, indépendamment d’Enrico Fermi, la statistique qui décrit les particules comme l’électron, appelées depuis fermions (statistique de Fermi-Dirac). Voir la mécanique quantique.
L’équation de Dirac (1928)
L’équation de Schrödinger ne respecte pas la relativité restreinte, indispensable pour des électrons rapides. Dirac cherche une équation relativiste pour l’électron et la trouve en 1928. Elle explique naturellement, sans hypothèse ajoutée :
- le spin de l’électron, propriété quantique jusque-là introduite à la main ;
- le moment magnétique de l’électron ;
- la structure fine du spectre de l’hydrogène.
Mais l’équation admet aussi des solutions d’énergie négative, d’interprétation déroutante.
La prédiction de l’antimatière
Après plusieurs tentatives d’interprétation, Dirac propose en 1931 que ces solutions correspondent à une particule nouvelle, de même masse que l’électron mais de charge positive : l'antiélectron. En 1932, l’Américain Carl Anderson observe dans les rayons cosmiques une particule correspondant exactement à cette description, le positon (ou positron). Anderson reçoit le Nobel de physique 1936.
Voir l'antimatière et les particules élémentaires.
Le prix Nobel 1933
À 31 ans, Dirac partage le prix Nobel de physique 1933 avec Schrödinger « pour la découverte de formes nouvelles et fécondes de la théorie atomique ». Il hésita à l’accepter, craignant la publicité ; Rutherford l’aurait convaincu qu’un refus en ferait encore davantage.
Autres travaux
- Monopôle magnétique (1931) : il montre que l’existence d’un seul pôle magnétique isolé expliquerait pourquoi la charge électrique est quantifiée. Aucun n’a été observé.
- Hypothèse des grands nombres (1937) : spéculation selon laquelle la constante de gravitation varierait avec l’âge de l’Univers ; elle n’a pas été confirmée.
- Intégrales de chemin : son article de 1933 sur le lagrangien en mécanique quantique inspire Richard Feynman.
Le personnage
Dirac était connu pour sa précision verbale extrême et ses longs silences : ses collègues de Cambridge auraient inventé une unité, le « dirac », égale à un mot par heure. On a rétrospectivement évoqué une forme d’autisme, hypothèse discutée par son biographe Graham Farmelo. Il jugeait qu’une théorie physique devait avoir de la beauté mathématique.
Questions fréquentes
Qu’a découvert Paul Dirac ?
L’équation relativiste de l’électron (1928), qui explique son spin et a conduit à prédire l’antimatière. Il a aussi cofondé l’électrodynamique quantique et établi la statistique de Fermi-Dirac.
Comment Dirac a-t-il prédit l’antimatière ?
Son équation de l’électron admettait des solutions d’énergie négative. En 1931, il les interpréta comme une particule de même masse que l’électron mais de charge opposée, le positon, découvert par Anderson en 1932.
Pourquoi Dirac a-t-il eu le prix Nobel ?
Pour la découverte de formes nouvelles de la théorie atomique, en particulier son équation de l’électron. Il a reçu le prix Nobel de physique 1933 avec Erwin Schrödinger.