Paul Dirac - Antimateriens fader

Det sägs att han knappast gjorde livet lätt för sina studenter. Engelsmannen med det franskklingande namnet Paul Adrien Maurice Dirac var pionjär inom kvantmekaniken och förutsade 1928 positronen som en naturlig följd av sina ekvationer. Foto: Cambridge university

Han var född den 8 augusti 1902 i Bristol. Hans far var schweitsare och han mor engelska, vilket förklara hans franskklingande namn: Paul Adrien Maurice Dirac. Ursprungligen utbildade han sig till elektroingenjör, men eftersom det var så ont om ingenjörsjobb vid tiden efter första världskriget beslutade han sig för att satsa på matematik och fysik istället. Han begav sig till Cambridge, och där skulle han bli kvar under resten av sitt yrkesverksamma liv.

Det är alltid bra att vara på rätt plats vid rätt tidpunkt. Den tyske fysikern Werner Heisenberg besökte Cambridge år 1925. Heisenberg var en av pionjärerna inom ett helt nytt fält inom fysiken, kvantmekaniken. Han strävade efter att ersätta den newtonska mekaniken med en teori som tog hänsyn till relativitetsteorin och de nyupptäckta kvantfenomenen i elementarpartiklarnas värld.

Halsbrytande trick
Genom en av sina lärare fick Dirac tillgång till en splitter ny uppsats som Heisenberg ännu inte publicerat. Dirac blev intresserad, och jobbade vidare på saken. Problemet krävde en del halsbrytande matematiska trick. Bland annat att man använde sig av en icke-kommutativ matematik. där a gånger b inte blir samma sak som b gånger a.

Detta är nu inte så konstigt som det låter. Det finns en rad vardagsexempel på att världen är ickekommutativ. Exempelvis spelar det ofta stor roll i vilken ordning saker görs. När vi klär på oss sätter vi inte på oss skorna före strumporna.

Världsberömd över en natt
Dirac slutförde vad Heisenberg börjat, och hans arbete om kvantmekaniken gjorde honom över en natt världsberömd i fysikerkretsarna. De ligger idag till grund för alla moderna kosmologiska teorier, exempelvis teorin om supersträngar.

På en minnessten i Westminster Abbey finns Diracs berömda ekvation inristad.

Efter en rad djärva antagande, bland annat att elektronen har ett kvantiserat spinn, fick Dirac 1928 ihop en relativistisk ekvation som fullständigt beskrev elektronen. För att en teori ska vara bra ska den inte bara korrekt beskriva dittills upptäckta fenomen, den ska också kunna göra förutsägelser och öppna för nya forskningsområden. Det var exakt vad Diracs ekvation gjorde. Den visade sig nämligen också ha märkliga negativa lösningar, och Dirac tolkade det så att det borde finnas en dittills okänd partikel med samma egenskaper som elektronen men med omvänd elektrisk laddning; en anti-elektron eller positron.

1932 upptäcktes mycket riktigt positronen vid ett dimkammarexperiment av C D Anderson. Det visade sig att positroner uppkommer regelmässigt genom bombardemanget av kosmisk strålning. Men inte nog med det. Det visade sig att alla elementarpartiklar har sina antipartiklar, med samma egenskaper men med motsatta laddningar. När en partikel möter sin antipartikel förintar de varandra, och deras massor förvandlas till energi enligt E=mC2. Nu började kosmologer och science-fictionförfattare spekulera om huruvida delar av universum bestod av antimateria. Hur skulle man i så fall se skillnad på vanlig materia och "explosiv" antimateria? Hittills har dock inga tecken på att det finns samlade mängder antimateria i rymden upptäckts.

Fick dela nobelpriset
Upptäckten av positronen visade att Diracs teori var korrekt, och 1933 fick Dirac dela nobelpriset i fysik med Erwin Schrödinger.

Positroner är numera stapelvara vid partikelexperiment. De framställs rutinmässigt i acceleratorer och kan lagras långa tider i magnetinneslutningar.

Men Diracs ekvationer gjorde ytterligare förutsägelser. En häpnadsväckande konsekvens av dem är att det borde existera magnetiska monopoler. En sorts partiklar som till skillnad mot vanliga magneter bara har en magnetisk pol - norr eller söder. Men några sådana har aldrig hittats. Fysikerna frågar sig fortfarande om de verkligen finns, och vad de i så fall betyder för universums uppkomst och utveckling.

Dirac blev kvar i Cambridge tills han pensionerades 1969. Sedan 1932 innehade han "The Lucasian Chair", den professur som en gång Isaac Newton innehaft. 1984 avled Paul Dirac. Han hedrades med en minnesplatta i Westminster Abbey där hans berömda ekvation finns ingraverad.