بول ديراك: عبقرية الرياضيات والفيزياء النظرية

يعَدّ بول ديراك واحدًا من أعظم علماء الفيزياء في القرن العشرين. إذ أسهمت أبحاثه في تطوير ميكانيكا الكم والنظرية النسبية، وترك بصمة خالدة باكتشافه معادلة ديراك التي مهدت لفهم الإلكترون ومفهوم المادة المضادة.

من هو بول ديراك؟

بول تشارلز أدريان لاديسلاس ديراك هو عالم فيزيائي، وأستاذ رياضيات، ومهندس كهربائي، وباحث من رواد القرن العشرين. نشأ في بريطانيا، وتخصص في الفيزياء النظرية، وعمل محاضرًا وأستاذًا للرياضيات في جامعتي كامبريدج وفلوريدا. أسهم بمجموعة من الأبحاث التي طورت فهم ميكانيكا الكم وكهروديناميكا الكم، ومن أهم إنجازاته ابتكار معادلة ديراك التي بيَّن من خلالها سلوك الجسيمات الفيرمية.مما مهد الطريق لتوقع وجود جسيمات مضادة. وقد نال مع إرفين شرودنجر جائزة نوبل في الفيزياء عام 1933 تقديرًا لاكتشافهما نماذج أكثر فاعلية للنظرية الذرية.

ولد بول ديراك في بريستول. الواقعة في مقاطعة غلوسترشير بإنجلترا. في الثامن من أغسطس 1902 م. كان والده تشارلز أدريان من أصول سويسرية ويعمل معلمًا للفرنسية. في حين أن والدته فلورنس هانا هولتن كانت بريطانية. عانى بول في طفولته من عدم السعادة نتيجة الصرامة اللغوية التي فرضها والده.ما أدى إلى انطوائه وضعف قدرته على التواصل الاجتماعي والعاطفي. فضلاً عن قلة الأصدقاء وصعوبة إجراء حوارات سريعة. إلا أن تعبيراته كانت دائمًا متوازنة ودقيقة. كما برزت لديه موهبة استثنائية في الرياضيات. وفي يوم 20 أكتوبر 1984م. فارق بول ديراك الحياة في مدينة تالاهاسي بفلوريدا، الولايات المتحدة الأمريكية. عن عمر يناهز 82 سنة. [1]

تعرف أيضًا على: قصة أول امرأة حصلت على جائزة نوبل بالفيزياء

ثقافة بول ديراك وعلمه 

التحق بول بمدرسة بيشوب الابتدائية. حيث نمت قدراته الرياضية وتبلورت. عندما بلغ الثانية عشرة من عمره. انتقل إلى مدرسة ثانوية كانت جزءًا من كلية جمعية التجار التقنية “فنتشرز”، وكان والده يدرّس فيها. وصف بول هذه المؤسسة بأنها متميزة في تدريس اللغات الحديثة وخالية من طلاب اليونان واللاتينيين. مع اندلاع الحرب العالمية الأولى. غادر الطلبة الأكبر سناً للالتحاق بالخدمة. مما فتح أمام الأصغر فرصًا أوسع لاستخدام مختبرات العلوم وغيرها من المرافق.

وتعرف بول خلال دراسته على أسس الرياضيات، والفيزياء، والكيمياء في المستويات العليا، وكان يتعمق في كتب الرياضيات الموجهة للمراحل المتقدمة، مما عزّز مستواه مقارنة بأقرانه.

دراسته في الجامعة

ثم التحق بجامعة بريستول لتخصص الهندسة الكهربائية. لاحظ أن الجامعة قد اندمجت مع كلية التجار التقنية “فنتشرز”. رغم شغفه العميق بالرياضيات. اختار دراسة الهندسة لأنّه لم يرغب في أن يصبح معلمًا إذا اختار الرياضيات كمجال دراسته. تخرج في عام 1921م وحصل على الشهادة الجامعية. ثم عمل في بعض المشاريع الهندسية الصغيرة دون أن يحصل على وظيفة دائمة. في يونيو 1921م تقدم لاختبار منحة جامعة كامبريدج، وفاز بمنحة دراسية في الرياضيات بكلية سانت جون في كامبريدج. غير أن الهيئة التعليمية المحلية لم تمنحه تمويلاً إضافيًا. فعرضت عليه جامعة بريستول منحة مجانية دون رسوم، فحصل على المرتبة الأولى عام 1923م. في نفس العام نال منحة بحثية في جامعة كامبريدج، مما مكنه من إكمال دراسته والحصول على درجة الدكتوراه في ميكانيكا الكم عام 1926م. وحصل منها على شهادة الدكتوراه حول ميكانيكا الكم في عام 1926م.

وفي العام التالي أصبح زميلاً في كلية سانت جون، ثم شغل منصب أستاذ الرياضيات في جامعة كامبريدج ابتداءً من عام 1932م، واستمر في هذا الدور نحو ثلاث وسبعين سنة. في عام 1937م تزوج من مارجيت ويغنر وتبنى طفلين من عائلتها. طوال مسيرته العلمية، أصدر عددًا كبيرًا من الأوراق البحثية، ولافتًا إلى أن إسهاماته في الفيزياء الكمّية وغيرها من المجالات شهدت تطورًا ملحوظًا.

تعرف أيضًا على: من هو عالم النفس ويليام جيمس؟ ولماذا يعد من رواد الفكر؟

ماذا اكتشف بول ديراك؟

قدّم بول ديراك مجموعة واسعة من الإسهامات والأكتشافات العلمية، وفيما يلي أهمها:

ميكانيكا الكم وكهروديناميكا الكم

• أسهمت أبحاث بول ديراك، ومقالاته، ومعادلاته الرياضية في ميكانيكا الكم بإحراز الإنجازات التالية:
• في عام 1927م، أسس القواعد الأساسية للكمّ النسبي عندما صاغ معادلته النسبية لوصف حركة الإلكترون، وقد سميت لاحقًا بمعادلة ديراك.
• عام 1928م طور ديراك نظرية اللف الإلكتروني مستندًا إلى المعادلة النسبية التي لم تقتصر على إعطاء وصف نسبي للإلكترون فحسب. بل أظهرت وجود دوران يساوي نصف وحدة، وهو ما كان مثبتًا تجريبيًا آنذاك، كما ربط هذا الدوران بكمية مغناطيسية صحيحة الحجم، وأشار ديراك إلى إمكانية مقارنتها بافتراض ماكسويل حول تيار الإزاحة، ما يعزز وجود الظواهر الكهرومغناطيسية.
• ألّف ديراك مؤلفه المشهور «مبادئ ميكانيكا الكم» الذي نشر أول مرة في 1930م، وتم تنقيحه مرارًا وتكرارًا حتى 1967م، بينما أعيدت صياغة نسخة أخيره في كتاب «النظرية النسبية العامة» عام 1975م.

التنبؤ بوجود جسيم البوزوترون واكتشافه

خلال الفترة المكثفة بين 1925م و1926م، طرحت مجموعة من نماذج الكم التي نجحت في وصف مستويات طاقة الإلكترونات داخل الذرات بدقة، غير أن هذه النماذج لم تتماشى مع نظرية النسبية الخاصة لآينشتاين. وفي عام 1928م، عندما صاغ ديراك نظرية الكم النسبية المتكاملة، أتاحت معادلته حلولًا صحيحة، ففسّرها كدليل على وجود جسيم مكافئ للإلكترون يحمل شحنة موجبة تعاكس شحنة الإلكترون، ثم تم اكتشاف هذا الجسيم تجريبيًا لاحقًا وسمّوه البوزيترون.

مجال الأقطاب الكهرومغناطيسية

قدّم بول فكرتين نظريتين لا ترتبطان مباشرة بالبحث في الديناميكا الكهربية الكمومية المتقدمة، وهما:

• الإشارة إلى أن المغناطيسية يمكن أن تكون أحادية القطب.
• فرضية الأعداد الكبيرة التي طرحت لأول مرة عام 1937م، وتستند إلى فكرة أن القوانين الطبيعية لا يجب أن تحتوي على ثوابت أساسية بلا أبعاد ذات قيمة هائلة، فإذا ظهرت أعداد ضخمة فإنها لا تكون ثابتة. بل تتبع ظروف الكون الراهن المقاسة بوحدات ذرية، وتعد أيضًا أعدادًا هائلة الحجم. [2]

تعرف أيضًا على: من هو أبو الطب العربي؟ تعرف على أعظم الأطباء المسلمين

الجوائز التي نالها بول ديراك

نقِّدت مسيرة ديراك العلمية بعدد كبير من الجوائز والمراكز الرفيعة، ومن أهمها ما يلي:

• منح عام 1930م زمالة الجمعية الملكية، وحصل على الميدالية الملكية لتلك الجمعية بالإضافة إلى ميدالية كوبلي.
• عين عضوًا في الأكاديمية البابوية للعلوم عام 1961م.
• قام بجولات علمية في شتى دول العالم، ودرّس في مؤسسات جامعية متعددة مثل ويسكونسن، ميشيغان، كوبنهاغن، غوتنغن، ليدن، وبرينستون وغيرها.
• حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1933م.

نبذة عن كتاب مبادئ ميكانيكا الكم

يعَدّ هذا الكتاب مرجعًا في فيزياء الطاقة العالية. حيث يناقش فكرة أن تكوين أو إلغاء جسيمات مشحونة يعد ظاهرة شائعة، وتستلزم الكهروديناميكا الكمومية الحفاظ على عدد الجسيمات المشحونة بعيدًا عن المفاهيم التقليدية للحقائق الفيزيائية. وبالتالي استبدلت الكهروديناميكا الكلاسيكية بأخرى تشمل توليد وإزالة أزواج الإلكترون والبوزيترون، متجنبةً التشابه مع نموذج الإلكترون الكلاسيكي، وفي الوقت ذاته يوفّر الكتاب وصفًا قريبًا للطبيعة، موضحًا أن تصور الإلكترون التقليدي لم يعد صالحًا في الفيزياء الحديثة إلا ضمن أطر نظرية معينة.

تعرف أيضًا على: متى ولد توماس أديسون؟ حقائق من حياته

في الختام، لقد كان بول ديراك رمزًا للعبقرية العلمية في الفيزياء الحديثة. حيث امتزجت دقته الرياضية برؤيته العميقة، ليبقى أثره حاضرًا في كل تقدم علمي في مجال فيزياء الجسيمات.

الأسئلة الشائعة

س: من هو بول ديراك؟

ج: بول ديراك فيزيائي بريطاني، يعتبر من أبرز علماء القرن العشرين، وأحد مؤسسي ميكانيكا الكم والفيزياء النظرية الحديثة.

س: ما هو أهم إنجاز علمي لديراك؟

ج: وضع “معادلة ديراك” التي دمجت بين ميكانيكا الكم والنظرية النسبية الخاصة، وتنبأت بوجود المادة المضادة.

س: ما هي المادة المضادة التي تنبأ بها ديراك؟

ج: هي جسيمات تشبه المادة العادية لكنها تحمل شحنات معاكسة، مثل البوزيترون الذي اكتشف لاحقًا وأكد صحة نظريته.

س: هل حصل بول ديراك على جائزة نوبل؟

ج: نعم، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1933 بالاشتراك مع إرفين شرودنغر تقديرًا لإسهاماته في ميكانيكا الكم.

س: ما الذي ميّز أسلوب ديراك العلمي؟

ج: دقته الرياضية البالغة، واعتماده على الجمال الرياضي في صياغة القوانين الفيزيائية.

س: ما هو أثره في الفيزياء الحديثة؟

ج: أسهمت أبحاثه في تأسيس فيزياء الجسيمات، وألهمت العديد من النظريات الحديثة في الكوانتم والمجالات الموحدة.

• Westminster abbey Paul Dirac- بتصرف
• Nature بتصرف_ Paul Dirac: a physicist of few words

مشاركة المقال

وسوم