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在量子力學的創(chuàng)始人中，與愛因斯坦出身于商人之家以及普朗克和波爾的父親都是教授有所不同，最早提出物質波概念的德布羅意則是一位貨真價實的法國貴族。 著名物理學家路易·德布羅意（伊）（Louis de Broglie，1892年－1987年）是法國的第七代布羅伊公爵。歷史上，法國貴族姓氏中的de后面跟著封地的名字，德布羅意的封地名是“布羅伊”。德布羅意的祖先是路易十四和路易十五時代的法國元帥，因此被封為布羅伊公爵，爾后便一代一代地世襲下來。 德布羅意家族地位顯赫，名人眾多。自17世紀以來，這個家族的成員在法國軍隊、政治、外交方面頗具盛名。他的祖父（第四代）是法國著名評論家、公共活動家和歷史學家，曾于1871年任法國駐英國大使，1873-1874任法國首相。 路易·德布羅意從一個外交和政治世家蛻變出來成為一位著名的物理學家，這與他的哥哥莫里斯·德布羅意（Maurice de Broglie）有關。 路易14歲時，他父親早逝，比他大17歲的哥哥莫里斯繼承了爵位。他哥哥不負家族之望，將他送進最好的貴族學校，希望他能發(fā)揚光大祖輩的傳統(tǒng)，成為有名望的外交官或歷史學家。 可是，莫里斯的努力視乎適得其反，因他自己叛逆祖輩事業(yè)直接影響了路易。莫里斯從1904年開始就一直進行物理研究。當年他從海軍軍官學校畢業(yè)后，在法國海軍服役了9年。法國軍艦上安裝了第一臺無線電設備，誘使他逐漸對物理學產生了興趣。當他向祖父布羅意公爵征求“研究物理”的許可時，得到的是使他沮喪和反感的回答： “科學是位老太太，滿意于吸引老人。” 盡管祖輩反對，但他祖父去世后，莫里斯還是走上了物理之路。他于1908年獲得物理博士學位，在朗之萬手下工作和學習。他對新的X射線科學感興奮，并在巴黎建立了自己的實驗室研究X射線。 路易·德布羅意起初主修的是歷史，但他也閱讀了彭加勒（或稱昂利·龐加萊，Henri Poincaré， 1854年－1912年）所著的《科學的生涯》和《科學與假設》等著作，已對科學產生了興趣。由于他哥哥選擇研究物理，更加激發(fā)了他對物理的極大興趣。他丟棄歷史專業(yè)，轉而研究思考理論物理問題。 法國以卓越的思想文化和崇尚科學著稱。從17世紀開始，法國在物理、數(shù)學界人才濟濟，群星璀璨，例如笛卡爾、帕斯卡、費馬、惠更斯…，還有當年梅森創(chuàng)辦的“梅森學院”是科學家們聚會和交流的中心—— 它是“巴黎皇家科學院”的前身。在量子力學誕生之后，量子物理的首次華山論劍——第一次索爾維會議，出席會議的24位學者中就有6位是法國科學家（見下面的圖片）。 第一次索爾維會議中的法國學者-1 第一次索爾維會議中的法國學者-2 第一次索爾維會議對路易·德布羅意影響極大。因為參與這次會議的不僅有對他產生深遠影響的龐加萊（圖片-1中與居里夫人交談的那位；左邊閱讀文獻的是讓·佩蘭，他是研究X射線、陰極射線和布朗運動的專家，后來獲1926年諾貝爾物理學獎），而且他哥哥莫里斯也名列其中，并擔任會議的科學秘書（圖片-2中間一位，他之后也是第2、3屆索爾維會議的科學秘書）。還有一位法國物理學家M·布里淵（M. Brillouin，圖片-2左），他是后來研究晶體結構，以“布里淵區(qū)”知名的萊昂·布里淵（Léon Brillouin，1889年－1969年）的父親。而M·布里淵曾經是朗之萬和讓·佩蘭的老師。由于莫里斯的原因，路易·德布羅意有機會接觸到會議的許多相關文件，比如愛因斯坦和普朗克有關量子化概念的文章等等。 在第1次以及第二2、3次索爾維會議的文件中，有按量子化概念對黑體輻射和光電效應的計算，有勞厄和布喇格分別做的X射線晶體衍射和反射強度的專題報告；有盧瑟福的有關《原子結構》的報告。這些珍貴文件進一步牢固了德布羅意對物理學的興趣，他決心轉學自然科學。那時正處在第一次世界大戰(zhàn)期間，他在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服完兵役之后，便跟隨朗之萬攻讀物理學博士學位。 德布羅意的老師的老師，即朗之萬的老師M·布里淵在1919一1922年間連續(xù)發(fā)表了有關玻爾原子模型定態(tài)軌道理論的三篇論文，這對德布羅意形成物質波思想有很大幫助。 玻爾是在1913年發(fā)表他的有關原子模型的論文，而1911年召開首屆索爾維會議時，他尚是一個無名小卒，當然不可能參加這個會議，但不知為什么后來的2、3、4屆索爾維會議也沒有玻爾的蹤影。德布羅意比波爾小7歲，他得益于哥哥，可以近水樓臺先得月，很早就開始思考“波”、“粒子”之類的深刻理論問題。 玻爾提出原子模型時，為了符合實驗結果，他做了三條假設：定態(tài)假設、量子化條件、頻率規(guī)則。但是，玻爾當年并未弄清楚這三大假設的理論基礎。他所提出的電子在軌道間躍遷，并沒有清楚地解釋躍遷的機理，只是作為幾條硬性規(guī)定放在那兒，讓其他人去猜測捉摸。其實，波爾模型開始還不被物理學界所接受，例如湯姆孫就拒絕對其發(fā)表評論，盧瑟福也不贊同，薛定諤則說，那是一種“糟透了的躍遷”。 但波爾模型畢竟解決了一些問題，接下來要做的工作是如何解釋和改進玻爾模型。那時大多數(shù)物理學家仍然屬于 “半經典半量子”：德國的索末菲在1916年將圓軌道推廣為橢圓軌道，并引入相對論修正，提出了索末菲模型；法國的M·布里淵提出了一種解釋玻爾定態(tài)軌道的原子模型理論，即他設想原子核周圍的“以太”會因電子的運動激發(fā)出波，當電子軌道半徑與波長成一定關系時，這些波互相干涉形成環(huán)繞原子核的駐波。這種說法似乎可以解釋電子軌道的量子化，但需要“以太”作為背景，然而此與愛因斯坦的狹義相對論相違背。 德布羅意知道布里淵的見解后，他高興極了。他把以太的概念去掉，將波動性的來源直接賦予電子本身。也就是說，電子本來就具有波動性。在德布羅意看來，輻射本來是波動，普朗克和愛因斯坦卻賦予它們粒子性。原本以為是粒子的電子，為什么不能也具有波動性呢？
上圖是電子形成駐波的原子模型，很自然地解釋了電子軌道及角動量的量子化假設。此外，駐波當然不輻射能量，這是經典波動學說就有的結論。不過，德布羅意的假設對于如何解釋索末菲的橢圓軌道模型還有困難，而且他關于電子波的想法還只是文字上的說法，沒有導出嚴格的動力學方程，所以人們仍然感到美中不足。 又經過幾年的努力，德布羅意在1924年完成了他的博士論文《量子理論研究》。他在文中較為詳細地解釋了他的有關電子波的理論。 德布羅意認為，物質粒子與光都具有波粒二象性?？紤]動量和能量為p 、E的粒子（或物體），它們也有波長l和頻率n，表述為： λ=h/p， v=E/h 這就是物質波的德布羅意公式，其中h 是普朗克常數(shù)。對粒子和光子，公式都成立。也就是說，粒子和光都既是粒子又是波。 德布羅意想象力極其豐富，他認為粒子也是波，稱之為物質波。這種物質波是普適的，一個巨大的物體，也會有相應的波長，不過僅僅是它的波長接近于零，沒有實際意義而已。 對于德布羅意的物質波，朗之萬等人覺得很是新穎，但也有些拿捏不準的感覺。1924年4月，在第四次索爾維國際物理會議上，朗之萬介紹了德布羅意的工作，這引起了并未參加會議的愛因斯坦的注意。后來，朗之萬將德布羅意的論文寄給愛因斯坦。這位偉人對德布羅意的大膽假設給予了極高的評價：“我相信這是我們揭開物理學最難謎題的第一道曙光。”隨后愛因斯坦又將論文推薦給玻恩和薛定諤等人，這才有了后來的波動方程及其概率詮釋。 事實上，德布羅意對波動性和粒子性等問題在腦海有過很長時間的反復思考，他在論文答辯時已經有了深入的認識和充分的自信。當讓·佩蘭問道：“怎樣用實驗來證實你的理論呢？”德布羅意胸有成竹地回答：“用晶體對電子的衍射實驗是可以證實的。” 后來，實驗物理學家按照德布羅意的思想，找到了能夠支撐其假說的實驗結果：1926年夏天，美國貝爾實驗室物理學家戴維森在實驗中發(fā)現(xiàn)電子衍射現(xiàn)象。緊接著，幾乎是同時，英國劍橋的P.G.湯姆遜也觀察到電子束通過薄金箔時有圓環(huán)條紋產生。這兩個實驗為德布羅意波提供了堅實的基礎，他也因此獲得1929年的諾貝爾物理學獎，而戴維森和湯姆遜也分別獲得了1933年和1937年的諾貝爾獎。 德布羅意物質波是一個偉大假說，是量子力學理論中的一個支柱性概念，但也經常被不明真相的世人詬病。很多人都聽說過有關這位所謂的“花花公子和紈绔子弟”的傳說，但實際上都是謠言，與德布羅意做學問的風格相距甚遠。還有傳說德布羅意是靠“一頁紙”論文得到博士學位，這更是無稽之談。他的博士論文（英文版）不是1頁，而是81頁。 1960年，德布羅意的哥哥第6代布羅依公爵莫里斯去世，路易正式成為第7代布羅依公爵。但公爵的世襲頭銜并未使德布羅意的生活改變許多，他仍然是理論物理教授，仍然從事科學研究。他對人彬彬有禮，絕不發(fā)脾氣，既是一位貴族紳士，也是一位畢生兢兢業(yè)業(yè)的科學家。 路易·德布羅意從未結婚，一輩子單身。據(jù)說他交過女朋友，有兩位忠心耿耿的隨從。他喜歡過平俗簡樸的生活，賣掉了貴族世襲的豪華巨宅，選擇住在平民小屋。他深居簡出，從來不放假，是個標準的工作狂。他喜歡步行，或搭公車，不曾擁有私人汽車。 1987年3月19日，德布羅意去世，高齡九十五歲。 |
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