物理群星
路易·德布罗意 肖像

路易·德布罗意

Louis de Broglie

1892–1987 · 生于法国迪耶普 · 法国

量子力学

用一篇博士论文让整个物质世界荡起波纹的公爵

诺贝尔物理学奖 1929 发现电子的波动性

「经过长久的独自思索与酝酿,1923 年我突然想到,爱因斯坦 1905 年的发现应当被推广,延伸到一切物质粒子,尤其是电子。」

—— 意译自其博士论文 1963 年再版序言

人生时间线

  1. 1892

    生于法国迪耶普的公爵世家

  2. 1913

    先在索邦大学攻读历史,后转投物理,取得理学学位

  3. 1914

    一战爆发后应征入伍,在埃菲尔铁塔的军用无线电站服役

  4. 1924

    博士论文《量子理论研究》提出物质波假说

  5. 1927

    戴维森-革末实验与 G.P. 汤姆孙实验先后证实电子衍射

  6. 1929

    因发现电子的波动性获诺贝尔物理学奖

  7. 1933

    当选法兰西科学院院士

  8. 1952

    因科学普及工作获联合国教科文组织首届卡林加奖

  9. 1987

    在巴黎近郊逝世,享年 94 岁

伟大发现

代表方程

德布罗意波长公式

λ=hp\lambda = \frac{h}{p}

一切运动的物质都伴随一列波,波长等于普朗克常数除以动量——棒球的波长小到无从察觉,而电子的波长恰与原子间距相当,于是晶体成了它的天然光栅。

物理学史上大概没有第二篇博士论文有过这样的待遇:答辩委员会拿不准它是天才还是荒唐,把它寄给爱因斯坦裁决;五年后,它为作者赢得了诺贝尔奖。德布罗意在论文里其实只问了一个问题——既然光波可以是粒子,那电子这样的粒子,为什么不能是波?

弃文从理的贵族

1892 年,德布罗意生于法国迪耶普一个显赫的公爵世家,家族几百年间出过元帅、总理与外交官。按照家族剧本,他在索邦大学攻读历史,本该走向外交界;但哥哥莫里斯家中的私人 X 射线实验室,以及莫里斯担任秘书的 1911 年第一届索尔维会议的会议记录,让他彻底着了迷。他毅然转投物理,1913 年取得理学学位。

铁塔上的电波

一战爆发后,德布罗意应征入伍,被派到埃菲尔铁塔下的军用无线电站,与电波打了近六年交道。战后他进入哥哥的实验室研究 X 射线与光电效应——光时而像波、时而像粒子的分裂人格,成了他挥之不去的心事。

大幕的一角

1923 年秋天,灵光降临:把爱因斯坦 1905 年对光的处理反过来,用到物质上。1924 年,他在博士论文《量子理论研究》中提出:任何粒子都伴随一列波,波长 λ=h/p\lambda = h/p。玻尔原子中电子为何只能待在特定轨道?因为轨道周长必须恰好容下整数个波长,电子波才能首尾相接,像琴弦上的驻波。答辩委员会折服于数学之优美,却不敢断言它是否真实,导师朗之万把论文寄给爱因斯坦。爱因斯坦回信道:「他揭开了大幕的一角。」

父亲的粒子,儿子的波

1927 年,贝尔实验室的戴维森与革末让电子束打在镍单晶上,得到了与 X 射线衍射如出一辙的花纹;同年,英国的 G.P. 汤姆孙用金属薄膜独立观察到电子衍射环。命运在此开了个温柔的玩笑:G.P. 的父亲 J.J. 汤姆孙因证明电子是粒子而获诺奖,儿子则因证明电子是波而获奖——父子都对,这正是量子力学的精髓。1929 年,37 岁的德布罗意获诺贝尔物理学奖,常被称为史上第一位凭博士论文成果摘取诺奖的人。

未竟的导波

德布罗意始终不甘心「波只是概率」的哥本哈根诠释。1927 年索尔维会议上他提出「导波理论」,受挫后一度搁置;1952 年玻姆重拾并发展了这条思路,他晚年又重燃斗志,继续探索量子力学更「实在」的图像。后半生他扎根法国的科研与教育,大力推动科学走向公众,1952 年获联合国教科文组织颁发的首届卡林加科普奖。1987 年,这位末代公爵以 94 岁高龄辞世——他问出的那个关于波的问题,至今仍在被追问。

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