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路易·维克多·德布罗意

德布罗意

路易-维克多-皮埃尔-雷蒙·第七代布罗意公爵(Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7e duc de Broglie,1892年8月15日-1987年3月19日),简称路易·德布罗意(Louis de Broglie,法语读音:[lwi də bʀœj]),是一位法国物理学家,法国外交和政治世家布罗意公爵家族的后代。从 1928年到 1962 年在索邦大学担任理论物理学教授,1929年因发现了电子的波动性,以及他对量子理论的研究而获诺贝尔物理学奖。1952年获联合国教科文组织颁发的卡林加奖 (Kalinga Prize)。

于 1944 年,德布罗意膺选为法兰西学术院第一席位的院士,是第十六位得到此殊荣的人士。他也是法国科学院的永久秘书。

 

生平简介

 

路易·维克多·德布罗意(Louis Victor de Broglie,1892年8月15日——1987年3月19日)法国著名理论物理学家,1929年诺贝尔物理学奖获得者,波动力学的创始人,物质波理论的创立者,量子力学的奠基人之一。德布罗意1892年8月15日出生于下塞纳,1910年获巴黎索邦大学文学学士学位,1913年又获理学士学位,1924年获巴黎大学博士学位,在博士论文中首次提出了"物质波"概念。1929年获诺贝尔物理学奖。1932年任巴黎大学理论物理学教授,1933年被选为法国科学院院士。1987年3月19日逝世。

 

传奇人生

 

路易·德布罗意生于法国滨海塞纳省的迪耶普 (Dieppe) 。父亲是维克多,第五代布罗意公爵 (Victor, 5th duc de Broglie) ,母亲是Pauline d'Armaillé。路易是家里最年幼的儿子。路易的哥哥摩里斯·德布罗意 (Maurice de Broglie) 后来也成为一位很有成就的物理学家。当路易才十四岁的时候,他的父亲就过世了。摩里斯继承为第六代布罗意公爵 (6th duc de Broglie) 。教养弟弟的责任就落在摩里斯身上。摩里斯是一位很好的哥哥。他给路易去巴黎最好的贵族中学 Lycée Janson de Sailly 读书。

路易天资聪颖,有惊人的记忆力。他读书能够过目不忘。在法文、历史、物理、哲学、这些不同的领域,他都能得到很好的成绩[1]。中学毕业后,他进入了极具声誉的索邦大学就读。那时,他并不清楚应该主修哪个科目。最初,他选择了历史。后来,又转为主修法律。一直到他读了昂利·庞加莱的两本巨著,《科学和假设》与《科学的价值》,他才认知物理学是他的最爱,开始专心研读理论物理。1913 年,他得到了学士学位。

1914 年,第一次世界大战爆发。德布罗意正在陆军服役。刚开始,他被派到 Fort Mont-Valérien 当坑道工兵。很快地,性情活泼的他,对于这刻板僵硬,缺乏变化的生活,觉得枯燥无味,难以忍受。经过哥哥运用人脉关系,他被转派去埃菲尔铁塔的陆军无线电部门做通讯兵。闲暇时间,还可以思考关于无线电的技术问题。对于日后的科学研究有很多实用价值[1]。

1919 年,退役后,德布罗意又回返索邦大学,继续先前的理论物理研究,励志拿到博士学位。他参加了保罗·朗之万主讲的一个关于量子理论的专题讨论会,又修了一堂关于相对论的课。那时,哥哥摩里斯正在研究 x-射线光谱和光电效应。他时常在哥哥的实验室里帮忙,兄弟两人共同发表了几篇论文。

经过几年的努力,德布罗意终于在 1924 年完成了博士论文《量子理论研究》。在这篇论文里,他详细地解释他所创建的的电子波理论。这包括了,根据阿尔伯特·爱因斯坦和马克斯·普朗克对于光波的研究,而推论出来的关于物质的波粒二象性:任何物质同时具备波动和粒子的性质。由于论文的题目与内容相当先进,让当时许多学者都直摇头,因为这份报告的创造了一个新观念,而德布罗意的老师朗之万其实也很难相信这个论点,但论文的内容实在是太过让人惊叹,不能确定是否有瑕疵,所以寄给爱因斯坦一份,寻求他的意见。爱因斯坦那时候很忙,正在研究玻色-爱因斯坦统计,抽不出时间仔细阅读,只能稍微翻了一下。立刻,他意识到这论文很有重量,乐意为波粒二象性背书,兴奋地回信:“他已经掀起了面纱的一角”!并且将论文送去柏林科学院,因而使得这理论广知于物理学界[1]。德布罗意获得了梦寐以求的博士学位。后来,埃尔温·薛定谔从这篇论文里,得到很多宝贵的灵感。既然电子是波动,那么,什么是电子的波动方程?两年后,薛定谔发表了薛定谔方程,也从此开启了量子力学的新纪元。

1927 年,克林顿·戴维森与雷斯特·革末将电子射向镍晶体,发现其衍射图谱和布拉格定律(这原是用于X射线的)预测的一模一样。这证实了德布罗意的电子波理论正确无误。因为这历史性的发现,瑞典皇家科学院特别颁授德布罗意 1929 年的诺贝尔物理学奖。

德布罗意还试着发展一种理论,用因果关系来解释波动力学。现代的量子力学理论大多建立于概率模型。在 1950 年代,大卫·波姆 (David Bohm) 又加以琢磨,成为现在知名的德布罗意-波姆理论 (De Broglie-Bohm Theorem) 。

于 1933 年,德布罗意成为法国科学院的院士,也是科学院从 1942 年开始的永久秘书。于 1933 年 10 月 12 日,他荣膺法兰西学术院第一席位的院士。那时正当第二次世界大战,德国纳粹占领法国期间,很多院士或者过世,或被俘虏,学术院无法达到选举所必需的最少二十位人数。但因这是特别时期,在参与的十七位院士都一致投赞成票的状况之下,学术院接受了这选举结果。已于 1934 年就被遴选为院士的哥哥摩里斯,在学术院历史中,尚无前例地代表全院,欢迎路易成为新院士。

1945年,由于德布罗意的努力,使工业与科学紧密联系在一起,荣获法国原子能委员会高级顾问。他于Institut Henri Poincaré建立了工程力学中心,于此进行光学、模控学以及原子能研究。德布罗意激励了International Academy of Quantum Molecular Science的创立,并成为其早期会员。

1938 年, 因为很少出国旅游在理论物理学的杰出贡献,德国物理学会颁给他最高荣誉马克斯·普朗克奖章。1952 年,由于德布罗意热心教导民众科学知识,联合国教育、科学及文化组织授予他 Kalinga Prize 。1953 年,当选为伦敦皇家学会的院士。1961 年,又荣获法国荣誉军团大十字勋章。

1960 年,路易的哥哥摩里斯过世,路易继承为第七代布罗意公爵 (7th duc de Broglie) 。路易从未结婚,一辈子单身,有两位忠心耿耿的随从。他喜欢过平俗简朴的生活,卖掉了贵族世袭的豪华巨宅,选择住在平民小屋。他深居简出,从来不放假,是个标准的工作狂。上班通勤,他喜欢步行,或搭巴士,不曾拥有私人汽车。对人彬彬有礼,他绝不发脾气,是一位贵族绅士[1]。1987 年 3 月 19 日,德布罗意过世,高龄九十五岁。

德布罗意

 

生平和成果

 

德布罗意家族

 

德布罗意1892年8月15日出生于法国塞纳河畔的迪耶普,是法国一贵族家庭的次子。

德布罗意家族自17世纪以来在法国军队、政治、外交方面颇具盛名,数百年来在战场上和外交上为法国各朝国王服务。1740年路易十四封德布罗意家族为世袭公爵,封号由一家之长承袭,第一代公爵的儿子曾在七年战争中为奥地利王族出力作战,获得王子封号,赐于家族中每一个成员。德布罗意家族祖父J·V·A·德布罗意(1821~1901)是法国著名政治家和国务活动家,1871年当选为法国国民议会下院议员,同年担任法国驻英国大使,后来还担任过法国总理和外交部长等职务。当德布罗意的长兄、实验物理学家莫里斯(Mauriee)死后,他在1960年就成为法国公爵兼德国王子,但他一生中生活简朴,平易近人,把毕生献给了科学事业。

 

选择物理学

 

德布罗意父母早逝,从就酷爱读书。中学时代显示出文学才华,从18岁开始在巴黎索邦大学学习历史,并且于1910年获得历史学位。1911年,他听到作为第一届索尔维物理讨论会秘书的莫里斯谈到关于光、辐射、量子性质等问题的讨论后,激起了强烈兴趣,特别是他读了庞加莱的《科学的价值》等书,他转向研究理论物理学。1913年,他获理学学士学位。第一次世界大战期间,在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役六年,熟悉了有关无线电波的知识。他的哥哥(M·德布罗意)是一位实验物理学家,是X射线方面的专家,拥有设备精良的私人实验室。从他哥哥那里德布罗意了解到普朗克和爱因斯坦关于量子方面的工作,进一步引起了他对物理学的极大兴趣。经过一翻思想斗争之后,德布罗意终于放弃了已决定的研究法国历史的计划,选择了物理学的研究道路,并且希望通过物理学研究获得博士学位。

 

物质波研究

 

第一次世界大战期间,德布罗意在军队服役,被分配到无线电台工作,中断了他的理论物理研究。1919年,德布罗意重新回到他哥哥的实验室研究X射线,在这里,他不仅获得了许多原子结构的知识,而且接触到X射线时而象波、时而象粒子的奇特性质。光的波动和粒子两重性被发现后,许多著名的物理学家感到困扰。年轻的德布罗意却由此得到启发,大胆地把这两重性推广到物质客体上去。德布罗意曾经与其兄就X射线的性质进行了长时间的讨论,他对其兄及其同事们的实验工作发生了浓厚的兴趣。为了对这些现象做出理论解释,1920年,德布罗意重新开始研究理论物理,特别是关于量子问题,他的研究终于取得了可喜成果。

他在1923年9~10月间,连续在《法国科学院通报》上发表三篇关于物质波的短文:《辐射──波和量子》、《光学──光量子、衍射和干涉》、《物理学──量子、气体动理论及费马原理》,创立了物质波理论,之后,他投人博士论文的写作,1924年11月他以题为《量子理论的研究》的论文通过博士论文答辩,获得博士学位。在这篇论文中,包括了德布罗意近两年取得的一系列重要研究成果,全面论述了物质波理论及其应用,提出了德布罗意波(相波)理论。这一理论以后为薛定愕接受而导致了波动力学的建立。并且把爱因斯坦关于光的波粒二象性的思想并推广到实物粒子 如电子质子 他写道:“整个世纪(19世纪)以来,在光学上,与波动方面的研究相比,忽略了粒子方面的研究;而在实物粒子的研究上,是否发生了相反的错误?是不是我们把粒子方面图像想得太多,而忽略了波的图像?”于是,他提出假设:实物粒子也具有波动性。他认为实物粒子如电子也具有物质周期过程的频率,伴随物体的运动也有由相位来定义的相波即德布罗意波,后来薛定愕解释波函数的物理意义时称为“物质波”。德布罗意的新理论在物理学界掀起了轩然大波。这种在并无实验证据的条件下提出的新理论使得人们很难接受。就连德布罗意的导师朗之万也根本不相信这种观念,只不过觉得这篇论文写得很有才华,才让他得到博士学位。

1927年,美国贝尔实验室的戴维孙(C.J.Davisson,1881~1958)、革未(L.H.Ger-mer,1896、1971)及英国的汤姆孙(G.P.Thomson,1892~1975)通过电子衍射实验,都证实了电子确实具有波动性。至此,德布罗意的理论作为大胆假设而成功的例子获得了普遍的赞赏,他荣获了1929年诺贝尔物理学奖。

 

后期研究

 

德布罗意获得博士学位后,继续留在索邦大学主要从事的仍是波动力学方面的研究。他又发表了有关波动力学的有创造性的研究成果,同时担任教学任务。德布罗意他还始终对现代物理学的哲学问题感兴趣,喜欢将理论物理学、科学史和自然哲学结合起来考虑,写过一些有关的论文。德布罗意在学院担任了两年义务讲座后,1928年被聘为新建立的巴黎大学享利·彭加勒学院理论物理教授,他担任这一职务从事教学工作一直到1962年退休。1945年以后,他还担任法国原子能委员会顾问。1930年到1950年间,德布罗意的研究工作主要是波动力学的推广,他的研究取得了许多成果,发表了大量评论和论文。1951年以后的一段时间,德布罗意研究粒子和波之间的关系,目的是通过研究用经典的空间和时间概念对波动力学作出因果解释。此时重新研究他于1927年提出的引导波理论,但不久他就放弃这方面的工作,回到了以前的研究领域,探索微观现象产生的原因和决定论的科学哲学观点,用波动力学的观点探讨热力学和分子生物学。德布罗意一生的研究成果颇丰,他的著作就达25本之多。

 

荣誉

 

由于德布罗意的杰出贡献,他获得了很多的荣誉。1929年获法国科学院享利·彭加勒奖章,同年又获诺贝尔物理学奖。1932年,获摩纳哥阿尔伯特一世奖。

于 1933 年,德布罗意成为法国科学院的院士,也是科学院从1942 年开始的永久秘书。于1933 年10 月 12 日,他荣膺法兰西学术院第一席位的院士。那时正当第二次世界大战,德国纳粹占领法国期间,很多院士或者过世,或被俘虏,学术院无法达到选举所必需的最少二十位人数。但因这是特别时期,在参与的十七位院士都一致投赞成票的状况之下,学术院接受了这选举结果。已于 1934 年就被遴选为院士的哥哥摩里斯,在学术院历史中,尚无前例地代表全院,欢迎路易成为新院士。1942年以后任数学科学常务秘书。

1938 年, 因为很少出国旅游在理论物理学的杰出贡献,德国物理学会颁给他最高荣誉马克斯·普朗克奖章。1952 年,由于德布罗意热心教导民众科学知识,联合国教育、科学及文化组织授予他一级卡琳加奖 (Kalinga Prize) 。1953 年,当选为伦敦皇家学会的会员。1956年获法国家科学研究中心的金质奖章。1961 年,又荣获法国荣誉军团大十字勋章。

他还是华沙大学、雅典大学等六所著名大学的荣誉博士,是欧、美、印度等18个科学院院士。

 

简朴的生活

 

1960 年,路易的哥哥摩里斯过世,路易继承为第七代布罗意公爵 (7th duc de Broglie) 。路易从未结婚,一辈子单身,有两位忠心耿耿的随从。他喜欢过平俗简朴的生活,卖掉了贵族世袭的豪华巨宅,选择住在平民小屋。他深居简出,从来不放假,是个标准的工作狂。上班通勤,他喜欢步行,或搭巴士,不曾拥有私人汽车。对人彬彬有礼,他绝不发脾气,是一位贵族绅士。1987 年 3 月 19 日,德布罗意过世,高龄九十五岁。

 

主要著作

 

《波动力学导论》(1929),《物质和光:新物理学》(1939),《物理学中的革命》(1953),《海森伯不确定关系和波动力学的概率诠释》(1982)等。

 

德布罗意波的研究

 

物质波 Matter and wave-particle duality

 

物理学中,物质波(即德布罗意波)系指所有物质的波(见波粒二象性)。

物质波是一种几率波,德布罗意说明了波长和动量成反比;频率和总能成正比 之关系,是路易·德布罗意于1923年在他的博士论文提出的。

德布罗意之前,人们对自然界的认识,只局限于两种基本的物质类型:实物和场。前者由原子、电子等粒子构成,磁场、引力场则属于后者。但是,许多实验结果之间出现了难以解释的矛盾。物理学家们相信,这些表面上的矛盾,势必有其深刻的根源。1923年,德布罗意最早想到了这个问题,并且大胆地设想,人们对于光子建立起来的两个关系式 会不会也适用于实物粒子。如果成立的话,实物粒子也同样具有波动性。为了证实这一设想,1923年,德布罗意又提出了作电子衍射实验的设想。1924年,又提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。1927年,戴维孙和革末用实验证实了电子具有波动性,不久,G.P.汤姆孙与戴维孙完成了电子在晶体上的衍射实验。此后,人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。德布罗意的设想最终都得到了完全的证实。这些实物所具有的波动称为德布罗意波,即物质波。

 

物质波理论的形成

 

德布罗意开始研究物理学时,适逢现代物理学发生深刻革命的时期。1900年,普朗克研究黑体辐射时假定谐振子取分立的能量,提出量子的概念,由此出发,他推导出能够描述黑体辐射规律的普朗克黑体辐射公式。但是,人们并没有认识能量子的重要性,只把能量子看作仅仅是在支配物质和辐射相互作用过程中是合适的,频率为V的物质振子仅仅以hV的倍数发射或吸收能量。直到1905年,量子概念才发生了重要发展。1905年,爱因斯坦发表了题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文,文中通过对黑体辐射的研究和论证,得到并提出了光量子的概念,并用它成功地解释了光电效应。这一工作的意义之一在于,光量子的概念是在分析和研究黑体辐射基础上得到的,表明量子概念具有比较普遍的意义。爱因斯坦认为:密度小的单色辐射,从其热现象方面的行为看,仿佛是由一些独立的能量所组成。本世纪初期,人们通过对X射线的研究认识到,X射线具有时而象波、时而象粒子的奇特性质。1913年,玻尔提出原子中的电子运动的量子化条件,原子中的电子只有可能进行某些运动,成功地解释了氢原子光谱。玻尔的量子化条件没有理论基础,是人为规定的。1919-1922年,法国物理学家布里渊提出了一个解释玻尔基于化条件的理论。布里渊把电子和波作为一个整体进行研究,设想在原子核周围存在着一层以太,电子在其中运动掀起波,这些波相互干涉在原子核周围形成驻波。这些研究成果,尤其是布里渊的理论对德布罗意提出物质被思想产生巨大影响。

德布罗意重新开始研究理论物理,物理学面临着的主要困难是:对于光需要有微粒说和波动说两种理论;确定原子中电子的稳定运动涉及到整数,这些都是当时人们无法理解的事实。德布罗意首先考察光量子理论和玻尔的量子化条件。确定光微粒能量的表达式是W=hv,这个公式中包含着频率v,而纯粹的粒子理论不包含频率的因素;确定原子中电子的稳定运动涉及到整数,而物理学中涉及到整数的只是干涉现象和本征振动现象。这些结果使德布罗意想到,对于光需要同时引进粒子的概念和周期的概念;对于电子不能简单地用微粒来描述电子本身,还必须赋予它们周期的概念。于是,德布罗意形成了指导他进行研究的全部概念:在所有情况下,都必须假设微粒伴随着波而存在,他的首要目的就是建立微粒的运动和缔合波的传播之间的对应关系。

1923年夏末,德布罗意已开始形成他的相波(后来他称为相位波)概念,9月10日,他发表了关于物质波理论的第一篇论文——《波和量子》,文中提出的思想可以被看作是波动力学理论的开端。两个星期后,德布罗意又发表了《光量子、衍射和干涉》的论文,明确提出相干波的概念。文中明确指出:要描述一个动点的运动,观察者必须将这一运动与一个非物质的、在同一方向上传播的正弦波联系起来。在观察者看来,这一波的频率等于上述动点的总能量除以普朗克常量h。同年10月8日,德布罗意发表关于物质波理论的第三篇论文《量子、气体运动理论以及费马原理》。文中阐述了波与粒子的对应关系,他假定与任何粒子相联系的相波,在空间任何点与粒子同相位。相波的频率与速度由粒子的能量和速度所决定。

德布罗意的这三篇论文是物质波理论奠基工作的开端。继这三篇论文之后,德布罗意着手撰写他的博士论文《量子理论的研究》。1924年11月,德布罗意通过论文答辩,获博士学位。他的博士论文包括了近两年研究的一些成果,比较系统地论述了物质波理论,得到物质波的一些重要结果。德布罗意认为,任何运动着的物体都伴随着一种波动,而且不可能将物体的运动和波的传播分开,这种波称为相位波。存在相位波是物体的能量和动量同时满足量子条件和相对论关系的必然结果。德布罗意考虑静止质量为外、相对于静止观察者的速度为的粒子,他假设粒子是周期性内在现象的活动中心,它的频率 , 是普朗克常数, 是粒子的内在能量。以狭义相对论原理和严格的量子关系式为基础。德布罗意通过严格论征得到:相位波的波长是,是普朗克常数, 是相对论动量,这就是著名的德布罗意波长与动量的关系。此外,德布罗意把相位波的相速度 和群速度(能量传递的速度)联系起来,证明了波的群速度等于粒子速度,确定了群速度与粒子速度的等同性。他的这些研究成果形成了比较完整的物质波理论。

 

物质波理论的实验验证

 

德布罗意撰写论文时,他的哥哥(M·德布罗意)建议他的论文应包括实验部分,可是他没有采纳这个建议。他的物质波理论是在没有得到任何已知事实支持的情况下提出来的,这就使得答辩委员会对物质波的真实性存在疑虑,答辩委员会主席佩兰就提出了物质波如何用实验来证实的问题。对佩兰的提问,德布罗意回答:用晶体对电子的衍射实验验证物质波的存在是可能的。他的这个思想是早已形成的,他曾在1923年9月24日《光量子、衍射和干涉》一文中指出:从很小的孔穿过的电子束,可能产生衍射现象,这也许会成为在实验上验证物质具有波粒二象性的方法。他还曾向他哥哥的同事道维里叶提出做电子的衍射实验,后者因忙于电视实验而将其搁置。

物理学的发展需要理论的和实验的两只脚向前迈进,现在理论这只脚已经先向前迈进了一步,这就给实验提出了研究课题。物质波理论提出后,如何从实验上证实物质波存在就成了人们关注的一个热点。

按照德布罗意理论,经过几千伏加速电压的电子束,其波长数量级为10-10米,这与X射线的波长是同一个数量级,因而可以用晶体对电子的衍射实验验证物质波。德布罗意的理论一传到美国,就在纽约开始了显示电子衍射的实验。尽管这个实验开始并不是为验证波动理论而做的,但是到了1926年,这项工作的目的已经转变为验证物质波理论。1927年初,戴维森和革末通过实验发现,在镍晶体对电子的衍射实验中,有19个事例可以用来验证波长和动量之间的关系,而且每次都在测量精确度范围内证明了德布罗意公式的正确性。戴维森实验所用电子束的电子能量很低,仅有50-600电子伏特。同年G.P.汤姆逊用较高能量的电子做了晶体对电子束衍射的实验,他让电子能量为1000-8000电子伏特的电子束垂直射入赛玛哈、金、铂或铝等薄膜上,观测产生的衍射图样。实验观测和由德布罗意理论得到的结果非常一致,这充分证明了电子具有波动性,再一次用无可辨驳的事实向人们展示了德布罗意理论是正确的。以后,人们通过实验又观察到原子、分子……等微观粒子都具有波动性。实验证明了物质具有波粒二象性,不仅使人们认识到德布罗意的物质波理论是正确的,而且为物质波理论奠定了坚实基础。

 

大胆的类比,巧妙的思维

 

19世纪末20世纪初关于绝对黑体辐射、康普顿效应和光电效应问题的研究,逐渐把波与粒子联系起来,启发了德布罗意的创造性思维。

1860年基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff 1824—1887)引入绝对黑体概念,1870年J·斯忒藩(J·Ste-fan)从实验观测基础上提出其发射总能量正比于T4,1884年L·玻耳兹曼(Ludwig Boltzmann 1844—1906)把热力学和当时新出现的J·麦克斯韦的电磁理论综合起来,从理论上证明了斯忒藩的结论是正确的;1893年维恩(Wilhelm Carl Werner otto Fritz Franz Wien1864—1928)发表维恩位移定律,1896年提出维恩公式(只适用于短波部分),1900年瑞利(John WilliamStrutt即Third Baron Rayleigh 1842—1919)根据经典力学提出了一个热辐射公式,1905年金斯(James Hopwood Jeans 1877—1946)改正了瑞利公式中一个数值错误,称为瑞利——金斯公式(只适用于长波部分),普朗克为找到一个普适公式,设法弥合上述两个公式,找到了“成功推测的中间公式”,可在整个波长区域与实验数据相符合,普朗克为证明这个公式,提出量子假设,第一次揭示了微观物体运动的不连续性。1905年爱因斯坦利用光量子假设成功地解释了光电效应(使他获得1921年诺贝尔物理学奖金);1922年德布罗意不用电磁理论而用光量子假设推导出了维恩辐射定律,这时他才30岁。

德布罗意仔细分析了光学的发展历史,从光的微粒说到光的波动说,最后发展到普朗克和爱因斯坦的光量子理论,他还注意了哈米顿(William Rowam Hamilton 1805—1865)曾阐述过的几何光学和经典力学的相似性,大胆猜测力学和光学之间在某些原理上会存在一些类比关系,试图在物理学的这两个领域建立一种适应两者的理论,这是他迈出的决定性一步。

他想,光量子是微粒,电磁辐射是波,既然都可导出维恩定律,岂不表明物质的波动方面和粒子方面存在着统一起来的两重性吗?

随着康普顿(Arthur Holly Compton 1892—1962)效应的正确解释,1923年德布罗意的思想突然升华到一种新的境界:力学和光学的发展是对称的,描述实物粒子的经典力学相当于光的微粒学阶段,他设想,与光的波动说对应,实物粒子也应具有波动性,他认为:“整个世纪以来,在光学中比起波的研究方法来,如果说过于忽视了粒子的研究方法的话,那么在实物粒子的理论上,是不是发生了相反的错误,把粒子的图象想的太多,而过分忽视了波的图象呢?”他大胆设想描述实物粒子能建立起波动力学,把光的波粒二象性推广到实物粒子!

1924年11月,德布罗意的博士论文把这种思想表述的更为明确,德布罗意设想:一个粒子,例如一个电子,必然连带着一系列“物质波”,这些波的传播速度稍有不同,波的传播路径上,在规则的各个间隔处,这些波会组合成波峰,波峰会在某一点消失,瞬间后又在另一点出现,波峰的速度叫“群速”,与组成它的各波波速十分不同,群速就是电子速度,相邻波峰间的距离就是物质波的波长,即德布罗意波长。

德布罗意坚信物质波存在于任何运动的物体,大至一个行星,一块石头,小至一粒灰尘或一个电子,都能产生物质波,物质波能在真空中传播,因此它不是机械波,它可以由不带电的物体的运动产生,因此它也不是电磁波。

1926年,玻恩(Max Born 1882—1970)认为:粒子的波动性并不是指粒子真的象波那样弥散到整个空间,而只是一种概率波,物质波振幅的平方是该粒子在某一位置上出现的概率。

德布罗意论文答辩会上有人质问如何证明物质波存在,德布罗意立即回答:在晶体上看到衍射。

理论推出,电子波波长数量级与原子线度、固体中相邻原子间距、X射线波长相同,所以电子波的波动性长期未被发现,只有通过单晶衍射才能证明,德布罗意事后做了实验,但未成功。

这次博士级考试,德布罗意的新见解引起一场轩然大波,许多光学物理学家嗤之以鼻,他的导师朗之万(Paul Langevin 1872—1946)也不相信,只不过觉得这篇论文写得很有才华,才让他得到博士学位,并把论文副本寄给爱因斯坦、薛定锷(Erwin Schrodinger 1887—1961)、德拜等人,使事情起了戏剧性变化。

因为爱因斯坦在科学上有超人的美学素养,一向爱好对称的观点,对德布罗意的想法产生了共鸣,称赞说:“德布罗意的工作给我留下了深刻的印象,一幅巨大帷幕的一角卷起来了,”同时呼吁同行:不要小看这位小将的工作,爱因斯坦一眼看出,德布罗意的工作决不仅是与自己关于光子理论的简单类比,这种物质波还包含了玻尔(Niels Hendrik David Bohr 1885—1962)、索末菲(Arnold Sommerfeld 1868—1951)量子规律的非常卓越的几何解释,“看来粒子每一运动都伴随着波场,这个波场(它的物理性质目前还不清楚)原则上应该能观察到”,超人的预见正是爱因斯坦的特征,有了爱因斯坦的推荐,德布罗意的物质波理论一下子引起了物理学界的广泛注意。

1925年海森堡(Werner Karl Heisenberg 1901—1976)创立了矩阵力学;1926年薛定锷创立了波动力学并证明了波动力学与矩阵力学的等价性,从而确立了量子力学基础,他表示:“这些考虑的灵感主要归因于德布罗意先生的独创性论文”,真是新人后浪推前浪,一代更比一代强。

几乎在物质波得到理论证明的同时,实验也验证了物质波的存在。

1925年戴维森(Davisson)以及助手革末(Germer)用电子轰击镍靶时,液态空气爆炸,打破真空管,空气流冲向红热的镍面,糟踏了精心制配的镍表面层,为了净化镍表面,进行了长时间的热处理,结果使无数小晶体变成大块单晶体,重新实验时,发现电子散射在某一角度具有最大值。1927年他们用59eV的慢速电子通过镍单晶时获得一张电子衍射照片,同年英国的G·P汤姆逊(George Paget Thomson 1892—1975)用快速电子从另一条途径得到一张电子衍射照片,成为电子波存在的实验证据,并从中计算出波长与德布罗意理论λ值完全吻合,从此德布罗意的名字永远和物质波连在了一起。

顺便提及,G·P汤姆逊是J·J汤姆逊(JosephJohn Thomson 1856—1940)的独生子,有趣的是老子发现电子是粒子,儿子证明电子是波,实为物理学史上一段佳话。

 

启迪

 

物质波的理论提出和证明,物质波的实验证实以及它对建立量子力学的重要作用,可以为我们提供什么启迪呢?

首先,从事科学研究必须有对科学的执着追求和献身精神,否则贵族兼王子的德布罗意如何会为探讨微观世界简朴终生,为捕捉物质波冥思苦想?其次,从事科学研究必须有宽厚的知识功底,熟悉各学科、学科各分支的特征、才能有类比的基础;第三,从事科学研究必须掌握一定的思维方法,并且要把逻辑思维、逆向思维和形象思维配合起来,解决同一课题;第四,进行科学研究必须随时用最新科研成果解决面临的研究课题,否则科研的进程要推迟;第五,科学研究必须并用理论和实验手段,才能令人信服地确立新的科研成果;第六,科研工作者必须克服自己的认识偏见,以敏锐的目光发现并扶持新生事物;第七,科研工作没有国界,因为科研成果属于全人类。

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澄清史实

 

纨绔子弟一页纸的博士论文拿到诺贝尔奖?

 

纨绔子弟德布罗意攻读中世纪历史的闲暇,忽然对物理产生兴趣;于是动用家族实力,拜入大师朗之万门下进修物理博士。可以想象一个花花公子攻读物理博士五年间会学到什么……毕业前夕,德布罗意东拼西凑,写出了历史上最短一篇博士论文:仅一页纸长度;评委判定“涉嫌抄袭”。

导师朗之万大惊,致信另一大神爱因斯坦,曰:“……请对他的论文作出您的评价。另外顺便向您提及,该研究生的父亲是敝国伯爵,现任内阁部长,若您……,将来您来法国定会受到隆重的接待”

总结:不给他过,以后你不用来法国了。

谁料爱因斯坦读完后,马上予以了高度评价,称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一惊,这才开始全面关注德布罗意的工作。

德布罗意顺利毕业……

稍后,另一物理巨神薛定谔,见此论文后闭关一年,悟出传说中的顶级绝学——《波动力学》。

1929年,凭论文中讲述的物质波理论,德布罗意荣获诺贝尔物理奖。

 

反驳

 

1923年,他以一个研究生的身份,发表一篇4页纸的论文“辐射——波和量子”(杂志的原名是 J。 Comptes Rendus, 177卷,507 到510页)。 这是他13年的研究成果, 这四页纸的论文,反映他深厚的文学功底和科学造诣。 他的假设有试验根据,他的推论有深厚的数学基础。在他获得博士之前,他已发表多篇文章, 他1924年(32岁)才完成博士论文。得博士之前,他发表了三篇论文,但这一篇最有创意。 他的博士论文对此有更详细的解释。

他的诺贝尔奖(1929年)是基于这篇论文,而非其博士论文。 他的导师和居里夫人有过绯闻,但德布罗意从没结婚,有过女友,在法国那个乱情的国家,德布罗意大概还不够格做花花公子吧。

以上这段纯属网络上以讹传讹的恶搞历史,其实德布罗意在攻读博士期间已经发表了5篇论文,博士学位论文《Recherches sur la théorie des quanta (Researches on the quantum theory)》长70多页纸,而他拿去答辩的那张纸不过是论文的提纲。

 

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