2020年2月22日 星期六

德布羅意 波粒二象性 粒子是波 波是粒子 量子力學(13)

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路易·維克多·德布羅意 第七代布羅伊公爵(法語:Louis Victor de Broglie, prince, duc de Broglie,1892年8月15日-1987年3月19日),簡稱路易·德布羅意德布羅意 (de Broglie)從小就對知識充滿渴望,並打算繼承祖父的事業,成為一名中世紀歷史學家。
18歲的德布羅意 (de Broglie),就憑一篇關於1717年統治者以及閣員和議會更替的論文,獲得了巴黎大學歷史學學位。

然而,在剛拿到學士學位不久,德布羅意 (de Broglie)卻突然對自然科學產生了濃厚的興趣,跨界物理學。
其實德布羅意 (de Broglie)會作出這樣的決定,離不開他哥哥M•德布羅意的影響。
在家族中,作為哥哥的M•德布羅意是提出從事科學事業的第一人。
毫無疑問,這遭到了全家的強烈反對,「在德布羅意家族,科學不能是一個職業!」
在爭執中,家裡只同意M.德布羅意用一套房子作為實驗室,條件是他不能辭去海軍職務。

哥哥M•德布羅意(莫里斯•德布羅意)
就這樣,德布羅意也經常到哥哥的大實驗室拜訪,在那裡德布羅意 (de Broglie)讀到多位科學家的著作。

因為哥哥本身是索爾維會議的工作人員,德布羅意 (de Broglie)更是有幸讀到了第一屆索爾維會議的全部秘書記錄。
當時離普朗克首次提出「量子概念」才10年,「神秘的量子世界」激起了他的無限興趣。

1911年第一屆索爾維會議
德布羅意家族一直顯赫於政界、軍界,200年已走出過一位總理、一位國會領袖、多位部長、高級軍官和駐外大使等。
但莫里斯和路易這兩兄弟,卻成了整個家族傳統的「叛徒」,紛紛投身科學領域。
其實作為家族最後有希望走上「正軌」的男丁,德布羅意 (de Broglie)投身科學,壓力要比哥哥的大。
所以可以看出,德布羅意 (de Broglie)跨界並不是一時興起,而是真切地出對科學的好奇與熱愛,是深思熟慮的決擇。

他從歷史學轉向理論物理學研究,並在1913年獲得理學學士學位。
但在第二年,第一次世界大戰的爆發,也中斷了他理論物理學的研究。
那時,他被徵召入伍,在艾菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服役了6年。
知道第一次世界大戰結束,德布羅意 (de Broglie)才有機會將精力重新投入物理學。

艾菲爾鐵塔上的電報站
一方面,為了攻讀博士學位,他拜師著名物理學家保羅·朗之萬(法語:Paul Langevin,1872年1月23日-1946年12月19日)朗之萬(Langevin)也是哥哥的導師。

其實19239月到10月間,德布羅意 (de Broglie)在《法國科學院院導報》上發表了的三篇短篇論文,就已經初顯他物質波的思想。

1924年德布羅意 (de Broglie)看到了愛因斯坦解釋光電效應的那篇文章,當時正愁着博士論文沒法寫了
他再按照前三篇短片論文的思路,寫出了一篇題為《量子理論的研究》的博士論文。
文中運用了兩個最亮眼的公式:E=hvE=mc2
所以mc2=hv,他就想既然光既是波又是粒子,那我為什麼不能把一個粒子看成波呢?於是他就寫了一共就不到一頁紙論文交給老師郎之萬(Langevin)了,郎之萬(Langevin)一看就懵了,不到一頁紙的論文肯定過不了學術委員會的5個教授那一關的。郎之萬(Langevin)很聰明,他把這一頁紙的論文寄給了愛因斯坦,並且附上一封信,信上寫着這個論文作者爺爺是法國總理,爸爸是法務部部長等等之類的,愛因斯坦就回信寫說這個創意好,很有研究意義等等之類的話。等到畢業論文那天,郎之萬(Langevin)就把這一頁論文交給評審的教授看,並且附上愛因斯坦的信,教授想着愛因斯坦都說好,自己要是不給過,那就變成自己看不懂這一篇一頁紙的論文了,結果德布羅意(de Broglie)就順利畢業了。(一頁紙論文屬當時流傳的調侃玩笑,德布羅意 (de Broglie)論文有很長的篇幅,寫的很有才華和很仔細,他也是唯一一個靠畢業論文獲得諾貝爾獎的科學家)

讓我們回顧一下愛因斯坦1905年那篇著名的光量子論文。在這篇論文裡,愛因斯坦提出光是粒子,並基於這個觀點解釋了光電效應。經過多年努力,到了1916年實驗物理學家明確無誤地宣告他們在實驗上驗證了愛因斯坦的光電效應公式。說明光是粒子。但是大量的實驗和麥克斯韋方程告訴我們光是波。同一種東西怎麼可能既是波又是粒子呢?當時幾乎所有的物理學家都認為這是不可能的。德布羅意 (de Broglie)似乎完全沒有受到這些成見的影響,他採取了更加積極的態度。既然被大家認為是波的光可以是粒子,德布羅意 (de Broglie)覺得那麼粒子也可以是波,比如電子可以是波。和哲學觀點不一樣,德布羅意 (de Broglie)神奇地重新推導出了玻爾的氫原子軌道和能級。最後德布羅意(de Broglie)預言電子也會發生散射和干涉。德布羅意(de Broglie)的這個預言後來得到了實驗的證實,他為此於1929年獲得諾貝爾獎。

而德布羅意(de Broglie)的偉大則在於,他把光的波粒二象性推廣到所有宏觀的物質上。
他提出不但是光具有波粒二象性,所有微觀粒子都具有波粒二象性

之後,愛因斯坦還專門根據德布羅意的理論寫了一篇論文,高度讚揚和強調德布羅意(de Broglie)論文中思想的重要性。
原本因為太超前無人問津的德布羅意(de Broglie)的論文,在得到愛因斯坦的高度評價後,才在科學界引起了關注。

就這樣,作為一個曾經的文科生,在當時的物理圈默默無名的德布羅意(de Broglie)提出了波粒二象性,成為唯一一個為量子力學做出奠基性貢獻的法國物理學家。
下一集要講玻色提出玻色子 全同粒子 完全絕對的相同

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