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路易·德布罗意其人

时间:2023-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:1892年8月15日,路易·德布罗意诞生于法国塞纳河畔迪埃普的一个世袭贵族家庭。于是路易·德布罗意开始攻读物理学,并于1913年在郎之万的指导下获得科学硕士学位。路易·德布罗意是爱因斯坦光量子假设的坚定追随者。爱因斯坦在一年以前曾经简单地涉猎过这个主题,但是路易·德布罗意洞察得更加深刻、更加清晰。根据德布罗意的想法,每个粒子都具有某种与之相联系的物质波。

路易·德布罗意是20世纪20年代为创建量子力学出杰出贡献的物理学家中,最后去世的一位物理学大师。

1892年8月15日,路易·德布罗意诞生于法国塞纳河畔迪埃普的一个世袭贵族家。他在巴黎詹森公学毕业后,进入巴黎大学攻读历史和法律专业。后来他怎么成了著名的物理学家呢?说来话长。归纳起来大致有三个因素促使他的兴趣转向了物理学。

其一,他哥哥莫里斯·德布罗意知道弟弟很有才华,就劝说弟弟改行研究物理学。莫里斯是法国著名物理学家朗之万的研究生,也是一位杰出的实验物理学家。莫里斯非常富有,足以在自己的房子里投资建立一个很好的实验室。

其二,他阅读过当时法国最著名的物理学家、数学家和科学思想家彭加勒著的《科学的价值》和《科学与假设》等几本书,因此对自然科学有足够的了解。

其三,前面我们提到,被称为物理学首脑会议的第一届索尔维会议1911年在布鲁塞尔召开,莫里斯以工作人员的身份参加了这会议,得到了会议的全部文件。这次会议的主题是辐射和量子论。路易怀着极大的兴趣阅读了他哥哥带回来的文件资料,这使他最终下决心要贡献出自己的全部力量“去弄清楚普朗克引入的量子概念”。

于是路易·德布罗意开始攻读物理学,并于1913年在郎之万的指导下获得科学硕士学位。正当他准备对“神秘的量子”进行悉心研究时,第一次世界大战爆发了。他虽贵为亲王,也必入伍。在军队期间,他大部分时间在埃菲尔铁塔无线电报通信的中转站做一名无线电工程师,就这样度过了战争中的大部分时间。非常幸运的是,埃菲尔铁塔距离他哥哥别墅中的私人实验室很近,所以只要有空闲时间他就到他哥哥的实验室做实验。他的哥哥建议他把注意力转到辐射同时需要波动模型和粒子模型这个问题上,这个问题是当时物理学家们困惑的最大的问题。路易后来写道:

 

我和哥哥长谈了X射线的性质……这导致我深刻思索了始终将波动性和粒子性联系在一起的必要性。

 

第一次世界大战结束后,他立即退伍重入大学,在朗之万手下攻读理论物理博士学位,1924年获得巴黎大学理学博士学位

1924年和1925年初物理界的情况是,玻尔的旧量子论出现了停滞不前的局面,原子物理学中的情形变得可怕而混乱。当时物理学家一致的看法是,玻尔的原子理论已经走进了死胡同,除了氢原子这一简单的例子以外,它不能以任何精度去处理任何问题。到了该考虑建立新力学的时候了。正如德布罗意曾经在回忆中所说

 

从一切迹象来看,我们必须着手建立一个新的力学,量子概念应该在其基本公理中就取得自己的位置,而不像旧量子理论那样是附加上去的。

 

路易·德布罗意是爱因斯坦光量子假设的坚定追随者。他在哥哥的实验室里通过光电效应等实验,对辐射的量子性质有深刻印象;但同时通过X射线衍射实验,使他对辐射的波动性质也了解得非常清楚。

伦敦科学博物馆科学传播主任格雷厄姆·法米罗(Graham Farmelo)在《一场没有革命者的革命:关于量子能量的普朗克爱因斯坦方程》一文中指出:

 

正是这条思路引导他提出了一个深刻的问题,而对这个问题的回答将改变科学的进程:如果电磁波的行为可以像粒子一样,那么像电子这样的一些粒子的行为是否也能够像波一样呢?爱因斯坦在一年以前曾经简单地涉猎过这个主题,但是路易·德布罗意洞察得更加深刻、更加清晰。德布罗意后来回忆起,他曾经有一个顿悟的时刻,在科学的现实中,这种情况比在民间传说中要少得多:“1923年(8月)间,在长时间孤独地冥思苦想以后,我突然想到了,爱因斯坦在1905年做出的发现应该推广到所有的物质粒子中去,特别是推广到电子中去。”德布罗意忽然想出,E=hv这个方程不仅适用于辐射,同样也适用于物质。当爱因斯坦用这个方程来描述辐射时,他不得不解释量子的能量怎样才能与波的性质,即它的频率联系起来。德布罗意有一个相反的问题:人人都熟知电子以及其他物质粒子的意思,但是与之相联系的波究竟是什么呢?根据德布罗意的想法,每个粒子都具有某种与之相联系的物质波。他对大家熟悉的公式E=hv进行了类推,写下了一个简单公式来表示与一个自由粒子(即作用在这个粒子上的合力为零)相联系的波的波长。德布罗意提出,当这个粒子的动量增大时,它的波长就变短,而波长的大小取决于普朗克常量h的值。

 

在这一“冥思苦想”后的“顿悟”中,德布罗意在1923年写出了他的博士论文。

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