Paul Adrien Maurice Dirac, fue uno de los físicos más influyentes del siglo XX. Muchas de sus contribuciones fueron cruciales para el desarrollo de la mecánica cuántica, la teoría que describe la naturaleza a escalas muy pequeñas. Compartió el premio Nobel de física de 1933 Nobel por sus aportes a la teoría atómica.
Dirac nació el 8 de agosto de 1902, en Monk Road en Bishopston, Bristol, Inglaterra. Su padre era suizo y enseñaba francés en la universidad técnica mercantil Venturers en Bristol. Su madre era de Cornwall. Cursó sus estudios primarios en la escuela Bishop Road y los secundarios, primero, en la Merchant Venturers y, más tarde, en Cotham Grammar School. En 1918, entró a la universidad de Bristol, donde se graduó, en 1921, de ingeniero eléctrico con honores de primera clase. Atraído por las teorías de la relatividad de Einstein, pero impedido de tomar una beca en la universidad de Cambridge por razones financieras, permaneció en Bristol y se graduó en matemáticas, otra vez con honores de primera clase, en 1923.
Obtenido ese último grado académico, Dirac se fue al St John's College, Cambridge, para realizar investigaciones sobre física teórica bajo supervisión de Ralph (RH) Fowler del laboratorio Cavendish. Después de algunos años de intensa labor investigativa en ese establecimiento, Dirac finalizó el trabajo que le permitió obtener el premio Nobel. En 1932, lo designaron profesor de la cátedra de matemáticas Lucasian en Cambridge, puesto que fue ocupado en su época por Isaac Newton y hoy por Stephen Hawking.
Dirac tenía solamente 31 años cuando compartió el premio Nobel con el físico austriaco Erwin Schrödinger, en 1933. Hablaba con fluidez francés e inglés, pero era taciturno en ambos idiomas. Por otra parte, su timidez llegó a ser legendaria. Por ejemplo, cuando fue informado que acababa de ganar el premio, Dirac le dijo a Rutherford, entonces jefe de Cavendish, que él no lo deseaba aceptar porque le tenía aversión a la publicidad. ¡Rutherford le contestó que el rechazo del premio le traería aún más publicidad!
En 1937, Dirac se casó Margit Balasz (née Wigner), que era la hermana del famoso físico húngaro Eugene Wigner. El matrimonio tuvo dos hijas Mary Elizabeth y Florence Monica. Dirac se retiró de Cambridge en 1969 y se cambió a la universidad del estado de la Florida en los EE.UU.. Murió en Tallahassee, Florida, el 20 de octubre de 1984.
 Cuando Dirac se fue a Cambridge, a mediados de la década de 1920, varios experimentos habían demostrado que la física clásica no podría explicar el comportamiento de los átomos y de los electrones. En efecto, el impredecible comportamiento de las partículas en el mundo cuántico parecía tener poca relación con el comportamiento de los cuerpos a mucha mayor escala de la teoría de la relatividad. Ambas teorías estaban todavía evolucionando, y los esfuerzos por combinarlas sólo tuvieron éxito en parte. Por ejemplo, ninguno de los intentos de síntesis podía explicar adecuadamente una propiedad recientemente descubierta de los electrones llamada espín, propuesta para resolver las anomalías observadas en las posiciones y número de líneas en el espectro atómico. Por aquel entonces, los físicos pensaban que un electrón que girara rápidamente creaba un campo magnético, lo cual podía explicar esos cambios por otro lado misteriosos. Pero para producir estos efectos magnéticos, un electrón con las dimensiones asignadas en una teoría clásica tendría que girar tan rápido que los puntos de su ecuador excederían la velocidad de la luz, algo que la teoría de la relatividad decía que era imposible. En consecuencia, los físicos llegaron a la conclusión sobre la necesidad de una nueva teoría para explicar esos fenómenos.
Paul Dirac se enfrentó al desafío. Como su auténtica lengua eran las matemáticas, él consiguió en 1928 incorporar la relatividad a la descripción matemática de la mecánica de un átomo de hidrógeno. Su solución, llamada la ecuación Dirac del electrón, no sólo proporcionaba una explicación perfecta de las líneas espectrales sino que, en un inesperado desarrollo, describía también a los electrones de una forma que resolvía el dilema del espín. La sencilla elegancia de las matemáticas de Dirac hizo que su proposición consiguiera una aceptación rápida.
Dirac aseguró al espín un importante lugar en las nuevas mecánicas que iban a remplazar la «antigua teoría cuántica» de Bohr y Sommerfeld. Agreguemos que no solamente el electrón, sino otras partículas también están dotadas de espín, cuyo papel es cardinal en la estructura del núcleo atómico.
El objetivo de Dirac fue el de formular una ecuación de la onda asociada al electrón que satisficiera el principio einsteiniano de la relatividad. Este exige una simetría de las tres coordenadas del espacio y de la coordenada del tiempo. Mas, la ecuación de la onda, en la mecánica de Scrödinger, no era simétrica en las cuatro coordenadas, siendo de segundo orden en los coeficientes diferenciales con respecto al espacio, y sin embargo, de primer orden en la derivada del tiempo. Dirac logró señorear las dificultades y establecer una función de ondas conforme al postulado de simetría relativista: los cuatro componentes de la función obedecen a cuatro ecuaciones de primer orden, cuyo conjunto reemplaza la única ecuación de propagación de la mecánica ondulatoria no relativista.
Antes que Dirac formulara su ecuación, el problema de unir adecuadamente la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad parecía estancado. Dirac, en su ecuación describe adecuadamente los fenómenos cuánticos y es compatible con el principio de la relatividad. Si existe algo así como una estética matemática, la ecuación de Dirac es una verdadera obra de arte, por la manera tan ingeniosa con la que el físico inglés resolvió un problema aparentemente irresoluble. Medularmente, la ecuación permite calcular la función de onda de un electrón, y de otras partículas elementales, tomando en cuenta todos los efectos relativistas. En ella, un electrón podía tener una energía infinitamente negativa. Pero lo que parecía una dificultad técnica resultó ser, gracias al ingenio de Dirac, la clave para descubrir un aspecto insospechado de la naturaleza.
En la descripción de los planteamientos teóricos de Dirac soslayar su desarrollo matemático, sería una empresa ilusoria, "puesto que cuando se hace abstracción del andamiaje matemático, se comprueba, escribió el propio Dirac, que la teoría está construida a partir de conceptos que no pueden ser descritos por medios de nociones que nos son familiares y de las cuales no se puede ni siquiera definir el sentido por medio de palabras comunes”. El electrón, se decía con razón, es el contenido de las ecuaciones de Dirac. Esta radical disolución de entidades del mundo material en símbolos matemáticos, es el precio pagado por el mayor rigor y la mayor fecundidad de la nueva mecánica.
Si comparamos la teorías de Heisenberg y de Schrödinger con la formulada por Dirac, ésta aparece más abstracta y más general pero las sobrepasa por su poder de interpretación y de previsión. Un impresionante ejemplo de la prodigiosa fuerza de la teoría es la introducción automática del espín en la ecuación, con el cual, algunos años antes, Uhlenbeck y Goudsmit habían dotado hipotéticamente al electrón. En efecto, es un éxito extraordinario que las ecuaciones de Dirac, obtenidas con ayuda de razonamientos muy generales, en los que para nada interviene la hipótesis del espín, contengan en sí todas las propiedades del electrón magnético y giratorio. "La hazaña, dice De Broglie, de hacer surgir el espín de ecuaciones establecidas con independencia de él, es uno de los resultados más notables de la física teórica contemporánea, que sin embargo, contiene tantos".
Por otra parte, la mecánica ondulatoria primitiva permanecía incapaz de dar cuenta de la estructura fina de los espectros ópticos y rontgenográficos, la teoría de Dirac lo logra con toda exactitud; asimismo, suministra una interpretación de los efectos Zeemann anormales, que ninguno de los teóricos anteriores había podido conseguir. Esto sin duda es mucho, pero no es todo.
El carácter relativista de su mecánica llevó a Dirac a admitir la posibilidad, para el electrón, de poseer un estado de energía negativa. Un corpúsculo en uno de estos estados manifestaría un comportamiento paradójico: para acelerarlo se requeriría frenarlo quitándole energía y, por el contrario, habría que proporcionarle energía para conducirlo a un estado de reposo. Nunca, en la experiencia, ningún electrón hizo evidente tan extrañas propiedades. Para salir de esta dificultad, Dirac, guiado por el principio de Pauli, formuló una ingeniosa hipótesis.
Para evitar que todos los electrones del universo cayeran a estados con energías infinitamente negativas, Dirac propuso que todos los estados con energía negativa estaban ocupados ya por electrones, aunque éstos no se puedan detectar directamente (¡el vacío de la mecánica cuántica resulta ser un mar infinito de partículas!, y esta aparente contradicción es todavía uno de los problemas más complejos de la física moderna). Pero si llegara a faltar uno de estos electrones de energía negativa, su ausencia, se detectaría como la presencia de una partícula con energía positiva y con la carga eléctrica contraria a la del electrón. Esa nueva partícula, predijo Dirac, sería un electrón; tendría la misma masa que un electrón y todas las demás propiedades, excepto el signo de la carga eléctrica, que sería positivo.
Los físicos, en 1930, acogieron con escepticismo la extraña hipótesis de Dirac. Muchos entre ellos consideraron al «antielectrón» del teórico inglés como el sueño de un matemático. Schröndinger propuso modificar la ecuación de Dirac para eliminar esos absurdos estados de energía negativa. A pesar de ello, Dirac permaneció fiel a su idea, y mientras se preguntaba si los estados energéticos desocupados no serían idénticos con los protones, la experiencia vino a traer, en agosto de 1932, la más brillante confirmación de la realidad del antielectrón. Al estudiar, con la cámara de Wilson, choques entre átomos y rayos cósmicos, Charles David Anderson , en California, notó sobre las fotografías las huellas de una nueva partícula, las del electrón con carga positiva. El nuevo corpúsculo, el positrón (o positón) reveló, en el curso de un examen detenido, exactamente las mismas propiedades que la clarividente teoría de Dirac exigiera para su antielectrón.
En esa época, no era fácil imaginar una justificación experimental más sorprendente de la osada construcción matemática de Dirac que el descubrimiento del positrón, que convierte un obstáculo aparentemente insalvable de su teoría en uno de sus más firmes soportes. En efecto, Dirac había previsto la formación simultánea de dos electrones, uno positivo y otro negativo, a expensas de la energía empleada para producir un «hueco» en la distribución de la electricidad negativa. Como veremos, esta atrevida profecía de la «materialización» de corpúsculos a partir de la energía y su inverso, la «desmaterialización», se convirtieron un año después del descubrimiento de Anderson en hechos empíricos.
Por otro lado, la perfecta simetría entre el electrón negativo y su contraparte positiva sugirió a Dirac la admisión de la posible reversión de la carga de cualquier clase de corpúsculos, y la previsión de la probable existencia del protón negativo. Incluso se descubrió posteriormente que algunos elementos radiactivos emiten positrones al decaer sus núcleos. Otro de los aciertos de su hipótesis previsora fue comprobado en 1953, cuando ya funcionaban los grandes aceleradores de partículas para estudiar el mundo subatómico. En efecto, con uno de esos instrumentos el italiano Emilio Segri y sus colaboradores lograron poner en evidencia el antiprotón, dotado de la misma masa, del mismo espín que el protón, portador, sin embargo, de carga negativa. Luego, se empezaron a producir antineutrones y todo tipo de antipartículas y, últimamente, antiátomos de hidrógeno.
Paul Dirac fue uno de los más eminentes representantes del grupo de jóvenes teóricos del período que siguiera a la primera guerra mundial. Perteneció a la a la primera generación de físicos libres de toda tradición clásica, y educado, desde sus años estudiantiles, en el espíritu de las nuevas teorías. Poseía una natural facilidad para el manejo de los nuevos métodos y conceptos. Espacio, tiempo, energía, partículas, son términos que nunca tuvieron para él la significación que poseían en la época clásica. La relatividad y los quantum son las herramientas naturales de sus investigaciones.
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