物理歷史上不乏傳奇，除了我們經(jīng)常談?wù)摰呐ｎD、愛因斯坦之外，其實(shí)還有德布羅意。這個(gè)人也是一個(gè)掛神。網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)常把他的事跡渲染為紈绔子弟不學(xué)無術(shù)，東拼西湊靠著一頁紙的博士論文混得博士學(xué)位，結(jié)果論文被愛因斯坦看到，最后拿下來諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

然而這樣的網(wǎng)絡(luò)故事終究也只是故事罷了，德布羅意的人生已經(jīng)足夠傳奇，沒有必要再為他如此添磚加瓦。

德布羅意出身于貴族世家，德布羅意家族自17世紀(jì)以來在法國(guó)軍隊(duì)、政治、外交方面頗具盛名，數(shù)百年來在戰(zhàn)場(chǎng)上和外交上為法國(guó)各朝國(guó)王服務(wù)。1740年路易十五封德布羅意家族族長(zhǎng)為德布羅意公爵，第一代公爵的兒子曾在七年戰(zhàn)爭(zhēng)中為哈布斯堡家族出力作戰(zhàn)，獲得神圣羅馬帝國(guó)親王封號(hào)，家族中每一個(gè)成員都可享有這一封號(hào)。德布羅意的祖父J·V·A·德布羅意更是法國(guó)著名政治家和國(guó)務(wù)活動(dòng)家，還擔(dān)任過法國(guó)總理和外交部長(zhǎng)等職務(wù)。后來德布羅意的大哥實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家莫里斯繼承了第六代公爵之位。時(shí)至今日，德布羅意家族依然是法國(guó)非常有威望的顯赫家族。

德布羅意家族徽章 

可以說德布羅意家世顯赫，但是德布羅意卻不是一個(gè)紈绔子弟，直到 1960 年他代替去世的哥哥繼承公爵之位，生活依然非常簡(jiǎn)樸，他賣掉了貴族世襲的豪華巨宅，選擇住在平民小屋，上班通勤，他喜歡步行，或搭巴士，也不曾擁有私人汽車。德布羅意對(duì)人彬彬有禮，絕不發(fā)脾氣，是一位貴族紳士。而且他一生獻(xiàn)給科研，從未結(jié)婚。

 德布羅意在華沙聚餐照片

德布羅意一開始的專業(yè)是歷史專業(yè)，他從小時(shí)候就特別喜歡讀書，在文學(xué)領(lǐng)域特別有才華，所以他從 18 歲開始就在巴黎索邦大學(xué)學(xué)習(xí)歷史，僅僅是一年的時(shí)間就憑借關(guān)于1717年統(tǒng)治者以及閣員和議會(huì)更替的論文獲得相關(guān)學(xué)士學(xué)位，從這你可以看的出來他的天賦，即使沒有從事物理研究，也會(huì)是一名著名的歷史學(xué)家、文學(xué)家。

他之所以半路出家從事物理研究，完全是因?yàn)樗绲木壒?，他哥莫里斯是有名的?shí)驗(yàn)物理學(xué)家，我們知道，作為家族長(zhǎng)子，人家是有“王位”要繼承的，所以莫里斯從出身就注定要奉獻(xiàn)給法蘭西的政治、外交、軍事事業(yè)。但是莫里斯并不喜歡從事這些工作，但因?yàn)榧易宓膹?qiáng)烈反對(duì)，所以他只能一邊從事海軍工作，一邊在家里從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)，他主要是從事研究 X 射線方面的研究工作。

 右二莫里斯右三德布羅意

談?wù)摱兰o(jì)物理，一定不能繞開索爾維會(huì)議，二十世紀(jì)初，實(shí)業(yè)家歐內(nèi)斯特·索爾維創(chuàng)立了索爾維會(huì)議，1911年，第一屆索爾維會(huì)議在布魯塞爾召開，以后每 3 年舉行一屆。

當(dāng)時(shí) 1911 年第一屆索爾維會(huì)議召開的時(shí)候，莫里斯以科學(xué)秘書的身份參加了第一屆索爾維會(huì)議。那次會(huì)議的主題就是'輻射理論和量子'，普朗克、愛因斯坦等一批物理學(xué)大師都在會(huì)上作了精彩的報(bào)告。會(huì)后，莫里斯協(xié)助朗之萬將這些報(bào)告和討論內(nèi)容編輯成冊(cè)，并用法文出版。

 第一屆索爾維會(huì)議，大家都能認(rèn)出誰來

當(dāng)時(shí)德布羅意看到莫里斯整理的冊(cè)子，了解到普朗克和愛因斯坦關(guān)于量子方面的工作，再加上之前也經(jīng)常到哥哥的大實(shí)驗(yàn)室拜訪，幫助哥哥進(jìn)行一些物理實(shí)驗(yàn)，所以德布羅意對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

后來，經(jīng)過深思熟慮，他便決定轉(zhuǎn)專業(yè)從事物理領(lǐng)域研究，僅僅三年，在 1913 年時(shí)他就獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位，大家應(yīng)該都知道從文科跨界理科的難度有多大。

不過因?yàn)榈谝淮问澜绱髴?zhàn)的爆發(fā)，德布羅意要在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報(bào)站服役，所以不得不中斷了正在進(jìn)行的物理研究。但是在這服役期間他大量拜讀普朗克、愛因斯坦、龐加萊的著作，除此之外，有關(guān)無線電波的知識(shí)也給他留下了深刻的印象。

 在電報(bào)站的德布羅意

直到 6 年以后，也就是 1919 年，德布羅意才再次從事物理研究，因?yàn)楦绺绲年P(guān)系，他得以拜師于朗之萬，而且因?yàn)榻?jīng)常進(jìn)行 X 射線的研究，再加上 1897 時(shí)年在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，約瑟夫·約翰·湯姆孫在研究陰極射線時(shí)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電子，所以德布羅意在哥哥的實(shí)驗(yàn)室里不僅獲得了許多原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)，而且接觸到了 X 射線時(shí)而象波、時(shí)而象粒子的奇特性質(zhì)。他開始對(duì)粒子的特性產(chǎn)生了疑問。

光的波粒二象性 

我們知道，自從牛頓開始，科學(xué)家對(duì)于光究竟是呈波動(dòng)性還是粒子性展開了長(zhǎng)達(dá) 300 年的論戰(zhàn)，愛因斯坦從托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)中提出了光電效應(yīng)的光量子解釋，人們才開始意識(shí)到光同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。

牛頓和惠更斯掀起了300年的波粒大戰(zhàn) 

為了解釋 X 射線上出現(xiàn)的現(xiàn)象，1920 年，德布羅意重新開始研究理論物理，特別是關(guān)于量子問題，在1923年9月和10月，德布羅意在《法國(guó)科學(xué)院院導(dǎo)報(bào)》上發(fā)表了的三篇有關(guān)波和量子的短篇論文，這個(gè)時(shí)候就已經(jīng)初顯他物質(zhì)波的思想。

所以說他花花公子，不務(wù)正業(yè)，博士論文東拼西湊全都是網(wǎng)絡(luò)段子。

最終， 1924 年，德布羅意在其博士論文《量子理論的研究》中初步提出了相位波也就是物質(zhì)波的概念，在這篇論文中運(yùn)用了兩個(gè)最亮眼的公式： E=hv 和 E=mc2。

德布羅意博士論文部分截圖，論述光子能量公式部分 

這都是愛因斯坦最著名的關(guān)系式，前者對(duì)光子能量而言（第一個(gè)公式的提出有普朗克的功勞），后者是描述質(zhì)量與能量之間的當(dāng)量關(guān)系。

德布羅意把兩個(gè)公式綜合再作出假設(shè)，他認(rèn)為光量子的靜止質(zhì)量不為零，而像電子等一類實(shí)物粒子則具有頻率的周期過程。

所以在論文中他才得出一個(gè)石破天驚的結(jié)論， 任何實(shí)物微粒都伴隨著一種波動(dòng)。

這種波被德布羅意稱為稱為相位波 。

相位波 

在這個(gè)博士論文中，德布羅意首次正式提出了“波粒二象性”，他指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質(zhì)子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系式 p=h/λ 推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質(zhì)量m 和速度v 的運(yùn)動(dòng)粒子也具有波動(dòng)性，這種波的波長(zhǎng)等于普朗克恒量 h 跟粒子動(dòng)量 mv 的比，即 λ= h/（mv）。這個(gè)關(guān)系式后來就叫做德布羅意公式。而且根據(jù)這一假說，電子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象。

電子衍射 

德布羅意的理論可以說為持續(xù)了整整 300 年的波粒大戰(zhàn)畫上了休止符，不過德布羅意的博士論文可不止一頁，很多人拿德布羅意的論文出來批判中國(guó)博士論文的審核制度，說在中國(guó)字?jǐn)?shù)少的論文連答辯資格都沒有。

然而德布羅意的論文有一百多頁，其中英譯本有72頁，德譯本有120頁。并且他的論文寫的非常嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，從 X 射線上觀測(cè)到的具體現(xiàn)象出發(fā)，經(jīng)過了周密的論證，得出了結(jié)論。

 光是百度文庫翻頁都有81頁

德布羅意在博士論文中提出的這個(gè)大膽且前衛(wèi)的假說當(dāng)時(shí)震驚了所有參與答辯的導(dǎo)師，要知道，當(dāng)時(shí)參與答辯的導(dǎo)師可都是科學(xué)泰斗，包括諾獎(jiǎng)得主佩蘭。不過憑借著論文的細(xì)致周密，再加上答辯時(shí)的侃侃而談，德布羅意順利通過了博士答辯。

但出于對(duì)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)，朗之萬將論文寄給了愛因斯坦請(qǐng)他再審核一遍。（所以也不存在什么郎之萬怕得罪德布羅意家族，勉強(qiáng)讓他答辯通過，再把這塊燙手的山芋踢給愛因斯坦的說法。）

 對(duì)朗之萬感興趣的，可以百度一下他和居里夫人的悲劇愛情故事

愛因斯坦看到后非常高興。他沒有想到，自己提出的光量子假說，在德布羅意手里發(fā)展成如此豐富的內(nèi)容，竟擴(kuò)展到了運(yùn)動(dòng)粒子。當(dāng)時(shí)愛因斯坦正在撰寫有關(guān)量子統(tǒng)計(jì)的論文，于是就在其中加了一段介紹德布羅意工作的內(nèi)容，高度贊揚(yáng)和強(qiáng)調(diào)德布羅意論文中思想的重要性。

原本因?yàn)樘盁o人問津的德布羅意的論文，在得到愛因斯坦的高度評(píng)價(jià)后，在科學(xué)界引起了關(guān)注，并且影響了一大批科學(xué)家。

朗之萬和愛因斯坦 

德布羅意的物質(zhì)波假說為物理學(xué)界輸送了包括自己的 5 位諾獎(jiǎng)，開辟了物理學(xué)界好幾個(gè)全新的領(lǐng)域、學(xué)科。

德布羅意的理論中揭示了每一種微觀粒子都具有波粒二象性。電子也不例外，具有這種性質(zhì)。電子是一種波動(dòng)，是電子波。電子的能量與動(dòng)量分別決定了它的物質(zhì)波頻率與波數(shù)。既然粒子具有波粒二象性，應(yīng)該會(huì)有一種能夠正確描述這種量子特性的波動(dòng)方程，這給了薛定諤極大的啟示。

因?yàn)槲⒂^粒子具有波粒二象性，所以在描述粒子時(shí)，就必須對(duì)波動(dòng)性與微粒性作出統(tǒng)一的描述。這種描述就用波函數(shù)表示。薛定諤先求出自由粒子所滿足的運(yùn)動(dòng)方程，然后再把它推廣到粒子受到場(chǎng)作用的情形，就得到波動(dòng)方程（薛定諤方程），從而提出了波動(dòng)力學(xué)，波動(dòng)力學(xué)可以說是量子力學(xué)的兩大形式之一，具有非常重要的作用。

他還利用該方程計(jì)算氫原子的譜線，得到的答案與用玻爾模型計(jì)算出的答案相同，從而證明了玻爾的氫原子模型。他將這波動(dòng)方程與氫原子光譜分析結(jié)果寫為一篇論文，1926年正式發(fā)表于物理學(xué)界，由此斬獲了 1933 年的諾貝爾獎(jiǎng)。

薛定諤于1926年4月23日給愛因斯坦的信中就這樣寫道：“假如不是因?yàn)槟愕恼撐陌训虏剂_意思想置于我的面前，如果單靠我個(gè)人，很難想象波動(dòng)力學(xué)會(huì)建立起來，甚至有可能永遠(yuǎn)出不來?！?/p>

薛定諤方程在量子力學(xué)中，體系的狀態(tài)不能用力學(xué)量（例如x）的值來確定，而是要用力學(xué)量的函數(shù)Ψ（x,t），即波函數(shù)（又稱概率幅，態(tài)函數(shù)）來確定，因此波函數(shù)成為量子力學(xué)研究的主要對(duì)象。而物質(zhì)波這個(gè)名詞就是在薛定諤方程建立以后，詮釋波函數(shù)的物理意義時(shí)由薛定諤正式提出的。

那時(shí)薛定諤給出的薛定諤方程能夠正確地描述波函數(shù)的量子行為。但是物理學(xué)者尚未能解釋波函數(shù)的涵義，薛定諤嘗試用波函數(shù)來代表電荷的密度遭到失敗。1926年，玻恩提出概率幅的概念，對(duì)波函數(shù)的物理意義作出了統(tǒng)計(jì)解釋，即波函數(shù)的二次方代表粒子出現(xiàn)的幾率取得了很大的成功。從統(tǒng)計(jì)解釋可以知道，在量度某一個(gè)物理量的時(shí)候，雖然已知幾個(gè)體系處在相同的狀態(tài)，但是測(cè)量結(jié)果不都是一樣的，而是有一個(gè)用波函數(shù)描述的統(tǒng)計(jì)分布。因?yàn)檫@一成就，由此玻恩榮獲了1954年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

不過德布羅意提出的物質(zhì)波理論畢竟是假說，并沒有實(shí)證，德布羅意說通過用晶體對(duì)電子的衍射實(shí)驗(yàn)就可以實(shí)證。所以很多科學(xué)家就想去證明德布羅意提出的物質(zhì)波的確是正確的。

當(dāng)時(shí)在他兄長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室中有一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家道威利爾曾試圖用陰極射線管做這樣的實(shí)驗(yàn)試了一試，沒有成功就放棄了。后來其他人分析，可能是電子的速度不夠大，當(dāng)作靶子的云母晶體吸收了空中游離的電荷，可惜道威利爾沒有堅(jiān)持下去，諾獎(jiǎng)就在前方向他招手。

 陰極射線管

1921 年，著名美國(guó)科學(xué)家戴維森和助手康斯曼在用電子束轟擊鎳靶的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，鎳靶上發(fā)射的“二次電子”竟有少數(shù)具有與轟擊鎳靶的一次電子相同的能量，顯然是在金屬反射時(shí)發(fā)生了彈性碰撞，他們特別注意到“二次電子”的角度分布有兩個(gè)極大值，不是平滑的曲線。他們并沒有意識(shí)到這其實(shí)是一種衍射現(xiàn)象，試圖仿照盧瑟福 α 散射實(shí)驗(yàn)試圖用原子核對(duì)電子的靜電作用力解釋這一曲線。所以當(dāng)戴維森繼續(xù)做電子散射實(shí)驗(yàn)想繼續(xù)獲得這種曲線的時(shí)候，結(jié)果并不理想。

這個(gè)時(shí)候，多虧了他娶了一個(gè)好老婆，他妻子是著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者里查森的妹妹。1926 年，他陪妻子回英國(guó)探親，特意帶上了自己的實(shí)驗(yàn)成果，希望自己的大舅子可以解答自己的疑惑。

這時(shí)正值英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)在牛津開會(huì)。戴維森隨里查森參加了會(huì)議。他聽到了著名的德國(guó)物理學(xué)家玻恩講到，他們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有可能是德布羅意物質(zhì)波假說所預(yù)言的電子衍射的證據(jù)。會(huì)議之后，戴維森與里查森找到玻恩和其他一些著名的物理學(xué)家，讓他們看新近得到的單晶曲線，并且進(jìn)行了熱烈的討論。在回美國(guó)的航程中，戴維森把所有時(shí)間用來閱讀薛定諤的著作，希望可以找到答案。

里查森 

回到美國(guó)之后，他馬上就重新做了該實(shí)驗(yàn)，于1927年發(fā)表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)，也正是德布羅意論答辯當(dāng)日提出的“電子的衍射實(shí)驗(yàn)”。 也就是說如果電子具有波動(dòng)性，那么電子束在通過障礙物時(shí)應(yīng)該會(huì)和光一樣產(chǎn)生衍射。

 電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖 

幾乎是同時(shí)，著名物理學(xué)家、電子的發(fā)現(xiàn)者J.J湯姆遜的兒子P.G.湯姆遜也以高速電子穿過多晶金屬箔獲得類似X射線在多晶上產(chǎn)生的衍射花紋，確鑿證實(shí)了電子的波動(dòng)性；為德布羅意波提供了又一堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 他們兩個(gè)人一起于1937年斬獲諾獎(jiǎng)。

單電子雙縫實(shí)驗(yàn) 

在這之后，各種粒子的衍射實(shí)驗(yàn)也被證實(shí)成功，德布 羅意的理論徹底無懈可擊。

P.G湯姆遜（另一位諾獎(jiǎng)得住J.J湯姆遜之子） 

對(duì)德布羅意物質(zhì)波的研究在 21 世紀(jì)也沒有停止，2015年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家就成功拍攝出光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片。

底部的切片狀景象展示了光線的粒子特性，頂部的景象展示了光線的波特性。 

所你，你能明白德布羅意的博士論文含金量有多高了嗎？

德布羅意可以說出道即巔峰，一篇博士論文掀開了微觀世界的神秘面紗，讓我們了解了粒子的特性；包括 1929 年獲得諾獎(jiǎng)的德布羅意，1933 年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的薛定諤，1937 年獲諾貝爾獎(jiǎng)的P.G.湯姆遜、戴維森以及 1954 年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的玻恩。如果包含推定波函數(shù)是一個(gè)旋量，擁有自旋性質(zhì)從而得到狄拉克方程的狄拉克。因德布羅意這篇博士論文直接或間接而得到諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)獎(jiǎng)就有6位；這篇博士論文還終結(jié)了持續(xù)三百年的波粒大戰(zhàn)、開辟了多個(gè)物理研究新領(lǐng)域。

 波粒二象性

憑借著這篇博士論文，德布羅意就坐上了歷史上最偉大物理學(xué)獎(jiǎng)之一的寶座。所以說，這篇論文堪稱是歷史最牛博士論文了。