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量子英雄传-德布罗意 精选

已有 6659 次阅读 2019-12-8 06:44 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

4.  贵族公子转行攻科学   德布罗意提出物质波  

 

我们之前介绍的三位量子力学创始人中,爱因斯坦出身于商人之家,其他两位(普朗克和波尔)的父亲都是教授。今天我们要讲的,第四位量子传承人,则是一位货真价实的法国贵族。

 

·布罗伊家族,政治地位显赫

 

路易·德布罗意(伊)(Louis de Broglie1892年-1987年)是著名的法国物理学家,也是第七代布罗伊公爵。从他的“姓氏”中有个de就可以看出来他的贵族身份。法国贵族的姓,是de后面跟着封地的名字,在德布罗意这儿,封地名字则是“布罗伊”也。第七代的意思容易猜测,不就是传了七个当家人吗。的确如此,德布罗意的祖先是路易十四和路易十五时代的法国元帅,因此被封为布罗伊公爵,然后,便一代一代地世袭传下去。

 

因此,德布罗意家族地位显赫,名人众多。自17世纪以来,这个家族的成员在法国军队、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。德布罗意的祖父(第四代)是法国著名评论家、公共活动家和历史学家,曾于1871年任法国驻英国大使,18731874任法国首相。

 


-1:布罗依公爵

 

这样一个外交和政治世家的后代中,如何蜕变出来路易·德布罗意这么一位著名的物理学家呢?这还得从他的哥哥莫里斯·德布罗意(Maurice de Broglie)谈起。

 

路易14岁时,父亲就早逝了,由比他大17岁的哥哥莫里斯继承了爵位。当然,莫里斯也同时继承了对弟弟路易教育抚养的责任。他不负家族之望,将弟弟送进最好的贵族学校,希望弟弟能发扬光大祖辈的传统,成为有名望的外交官或历史学家。

 

不过,莫里斯的努力好像适得其反,应了那句话:身教重于言教!莫里斯自己就叛逆了祖辈的事业,从1904年开始就一直进行物理研究。他从海军军官学校毕业后,在法国海军服役了9年,逐渐对物理学产生了兴趣,在法国军舰上安装了第一台无线电设备。但是,当莫里斯向祖父布罗意公爵征求“研究物理”的许可时,老人的回答使他沮丧和反感:

 

 “科学是位老太太,满意于吸引老人。”

 

最后,祖父逝世了,莫里斯走上了物理之路。他于1908年获得物理博士学位,在朗之万手下工作和学习。他对新的X射线科学感到兴奋,并在巴黎建立了自己的私人实验室,研究X射线。

 

莫里斯没想到,他的物理研究影响弟弟也走上了科学道路。路易·德布罗意受到哥哥实验室环境的熏陶,激发了对物理的极大兴趣,丢弃了他的历史专业,转而研究思考理论物理问题,并为其奋斗终生而无悔。法国少了一名历史学家,人类多了一位伟大的物理学家!

 

·索尔维会议,法国学者众多

 

实际上,路易·德布罗意在主修历史的学生时代,就对科学发生了浓厚的兴趣,主要得益于阅读彭加勒(或称昂利·庞加莱,Henri Poincaré 1854年-1912年)的著作《科学的生涯》和《科学与假设》等。

 

路易·德布罗意出生于以卓越的思想文化著称,且崇尚科学艺术的法国。从17世纪开始,法国的物理及数学界,就是人才济济,群星璀璨:笛卡尔、帕斯卡、费马、惠更斯……。还有当年梅森创办的“梅森学院”,是科学家们的聚会场所和交流信息中心,也是后来被开明君王路易十四给予丰富赞助成立的“巴黎皇家科学院”的前身。

 

之前我们介绍过量子物理的首次华山论剑,即第一次索尔维会议,其中出席的24位学者中,有6位法国科学家,影响德布罗意的庞加莱便在其中,是照片里坐在中间与居里夫人交谈的那位。居里夫人左边,正在阅读文献的那位,让·佩兰,是研究X射线、阴极射线、和布朗运动的专家,他后来获得了1926年的诺贝尔物理学奖,见图-2

 

 

-2:第一次索尔维会议中的法国学者-1

 

这第一次的量子大会,对路易·德布罗意的影响极大,主要是因为他的哥哥出席了这次会议并担任会议的科学秘书(莫里斯是图-3的中间一位,他之后也是第23届索尔维会议的科学秘书)。因为这个原因,路易·德布罗意有机会接触到会议的许多相关文件,比如爱因斯坦和普朗克有关量子化概念的文章等等。

 

-3:第一次索尔维会议中的法国学者-2

 

读了庞加莱的著作,德布罗意对物理学和科学哲学产生了浓厚的兴趣;他哥哥(M·德布罗意)实验室中对X射线的研究,启发了他对波和粒子的思考;第123次索尔维会议的文件中,有使用量子化概念对黑体辐射和光电效应的计算,有劳厄和布喇格分别做的X射线晶体衍射和反射强度的专题报告;有卢瑟福有关《原子结构》的报告……这些珍贵的文件,使德布罗意对物理学产生了极大的兴趣,决心转学自然科学。在第一次世界大战期间,德布罗意在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役。后来退伍后,便跟随朗之万(图-3右)攻读物理学博士学位。

 

第一次索尔维会议中,还有一位法国物理学家,M·布里渊(M. Brillouin,图-3左边那位),是后来研究晶体结构,以“布里渊区”知名的萊昂·布里淵(Léon Brillouin1889年-1969年)的父亲。M·布里渊曾经是朗之万和让·佩兰的老师,因此德布罗意算是他的“徒孙”了。

 

M·布里渊在19191922年间,曾连续发表三篇论文,有关1913年玻尔提出的原子模型定态轨道的理论。这几篇文章对德布罗意形成物质波思想有很大帮助。

 

·电子驻波态,解释波尔模型

 

玻尔当然不在参加首届索尔维会议的科学家之列,因为他1913年才发表他的有关原子模型的论文,在1911年,尚是一个无名小卒。即使后来的234届索尔维会议,不知道什么原因,也都没有看到玻尔的踪影。在这点上,比波尔小7岁的德布罗意,虽然未亲自参加会议,但得益于哥哥,能够近水楼台先得月!早就开始思考些“波”呀,“粒子”呀,之类的深刻理论问题。

 

历史本来就是交错进行的,有竖线条也有横线条,许多事件互相纠缠影响,犹如一张纵横交叉的大网。玻尔提出原子模型时,为了符合实验结果,他做了三条假设:定态假设、量子化条件、频率规则。但是,玻尔当年并未弄清楚这三大假设的理论基础,他提出了电子轨道间的跃迁,也没有清楚地解释跃迁之机理,只是作为几条硬性规定放在那儿,让其他人去猜测捉摸。因此,波尔模型开始时不被物理学界接受。汤姆孙拒绝对其发表评论,卢瑟福也不赞同,薛定谔则说,那是一种“糟透了的跃迁”。

 

但波尔模型毕竟解决了一些问题,那么,应该如何解释和改进玻尔模型呢?大多数物理学家仍然走在那条“半经典半量子”的道路上。例如,1916年,德国的索末菲将圆轨道推广为椭圆轨道,并引入相对论修正,提出了索末菲模型。法国的M·布里渊,提出了一种解释玻尔定态轨道原子模型的理论。他设想原子核周围的“以太”会因电子的运动激发出波,当电子轨道半径与波长成一定关系时,这些波互相干涉形成环绕原子核的驻波,这种说法似乎可以解释电子轨道的量子化,但是需要“以太”的参与,与爱因斯坦的狭义相对论相违背。

 

德布罗意听到布里渊的见解,高兴了。他把以太的概念去掉,将波动性的来源直接赋予电子本身。也就是说,电子本来就具有波动性!德布罗意想,辐射本来是波动,普朗克和爱因斯坦却赋予它们粒子性,那么,原本以为是粒子的电子,为什么不能也具有波动性呢?

 

 

如上图所示,电子形成驻波的原子模型,很自然地解释了电子轨道及角动量的量子化假设。此外,驻波当然不辐射能量,这是经典波动学说就有的结论。不过,德布罗意的假设解释索末菲的椭圆轨道模型有点困难。此外,德布罗意当时关于电子波的想法,也只是文字上的说法,没有导出严格的动力学方程,所以人们仍然感到美中不足。

 

·物质波概念,影响广泛深远

 

经过几年的努力,德布罗意在1924年完成了他的博士论文《量子理论研究》,较为详细地解释了他的有关电子波的理论。

 

德布罗意认为,物质粒子与光,都具有波粒二象性。考虑动量和能量为pE的粒子(或物体),它们也有波长l和频率n,表述为:

 

式中h 是普朗克常数。对粒子和光子,公式(1)都成立。也就是说,粒子和光,都既是粒子又是波。公式(1)即为物质被的德布罗意公式。

 

德布罗意想象力极其丰富,认为粒子也是波,称之于物质波。德布罗意想象,这种物质波是普适的。一个巨大的物体,也会有相应的波长,不过这个波长接近于零,没有实际意义而已。

对于德布罗意的物质波猜想,朗之万等人觉得很是新颖,但也有些拿捏不准的感觉。19244月,在第四次索尔维国际物理会议上,朗之万谈到了德布罗意的工作。这引起未参加会议的爱因斯坦的注意。后来,朗之万将德布罗意论文寄给爱因斯坦。这位伟人给与德布罗意的大胆假设极高的评价:“我相信这是我们揭开物理学最难谜题的第一道曙光。”并将其论文推荐给玻恩和薛定谔等,这才有了后来的波动方程及其概率诠释之事。

 

实际上,德布罗意自己,对波动性和粒子性等问题,在脑海中反复思考已久,在论文答辩时,他已经有了深入的认识和充分的自信。因此,当让·佩兰问道:“怎样用实验来证实你的理论呢?”

德布罗意胸有成竹地回答说:“用晶体对电子的衍射实验是可以证实的!”

 

后来,实验物理学家也紧跟着德布罗意的思想,找到了能够支撑其假说的实验结果:1926年夏天,美国贝尔实验室物理学家戴维森在实验中发现电子衍射现象。紧接着,几乎是同时,英国剑桥的P.G.汤姆逊也观察到电子束通过薄金箔时有圆环条纹产生,这两个实验为德布罗意波提供了坚实的基础。由此,德布罗意获得1929年的诺贝尔物理学奖,戴维森和汤姆逊,也分别获得了1933年和1937年的诺贝尔奖。

 

·量子传承人,看透人间烟火

 

德布罗意提出了物质波的伟大假说,但却经常被不明真相的世人诟病,许多人都听过有关这位所谓的“花花公子和纨绔子弟”的传说,但实际上这些谣言与德布罗意做学问的风格相距甚远。还有传说德布罗意靠着“一页纸”论文得到博士学位,更是无稽之谈。网上可以查到德布罗意博士论文的英文版,不是1页,而是81页。此外,当你看完了我们这篇介绍德布罗意的文章,你还会相信这些谣言么?

 

1960年,德布罗意的哥哥第6代布罗依公爵莫里斯去世,路易正式成为第7代布罗依公爵。公爵的世袭头衔并未使德布罗意的生活改变许多。他仍然是理论物理教授,他仍然从事科学研究,他对人彬彬有礼,绝不发脾气,既是一位贵族绅士,也是一位毕生兢兢业业的科学家。

 

路易·德布罗意从未结婚,一辈子单身。据说他交过女朋友,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。他喜欢步行,或搭公车,不曾拥有私人汽车。

 

1987319日,德布罗意过世,高龄九十五岁。

 

(本文同步发布在赛先生上: http://zhishifenzi.com/depth/depth/7734.html



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