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爱因斯坦打开这篇论文一看，署名是一个叫得布罗意的人，看着这名字好像挺眼熟，就是想不起来到底在哪见过。爱因斯坦是贵人多忘事，当然也因为隔了10多年了，他当年参加第一届索尔维会议的时候有个大会秘书就姓得布罗意，他叫莫利斯·得布罗意。大会秘书就是整理各位物理学大牛的发言，他抄了整整几本记录。他本身也是一个研究X射线的物理学家，只不过因为资格不够所以没能上去发言，但是他心里很清楚这些大牛的发言记录是非常珍贵的，他就整理好放在家里收藏起来。偏巧他弟弟非常喜欢看书，翻来翻去就把这份会议记录给翻出来了，那一看就两眼发直，觉得这物理学太有意思了。他弟弟叫维克多·得布罗意。维克多是个文艺青年，特别喜欢文学和历史，那时候是个标准的文科生，但是得布罗意家有钱，自己家里都有实验室，他哥哥非常喜欢物理，常常在实验室搞X光方面的研究，他家经济条件非常优越，因为他们家是法国正经八百受过封的公爵，说白了就是得布罗意公爵殿下。自打路易十四那年头就册封得布罗意家族为得布罗意公爵，第二代得布罗意公爵还被册封为神圣罗马帝国的亲王，他是法国公爵德国亲王。现在袭了爵的正是他哥哥莫利斯·得布罗意，他是第六代得布罗意公爵，家里的实验室装备相当好。当然了当弟弟的就少不了被哥哥拉进实验室帮忙，一来二去就喜欢上物理了。他哥哥还经常跟另一位研究X射线的专家叫亨利·布喇格关系密切，经常在一起讨论，当弟弟的就坐一旁竖着耳朵听。后来他看到索尔维会议的发言记录那更不得了了，彻底喜欢上物理学了，他18岁进了索邦大学就拿了文学士学位，但是人家后来又拿了理学士学位。维克多·得布罗意算是文理兼修了。 维克多·得布罗意 就在这年头第一次世界大战就爆发了，维克多就参军了，他就被分配到艾弗尔铁塔上去当通信兵，好在他没上前线，毕竟是贵族。他就负责操纵当时还很前沿的无线电系统。从此小得布罗意就天天跟无线电打交道，那少不了对电磁波的谐振就有了第一手的感受。无线电的发射与接收都跟天线的谐振是有密切关系的，这段无线电报务员的经历对小得布罗意就起到了意想不到的作用，要知道得布罗意对物理学的贡献就对这个波有关系，而且就跟他一天到晚要鼓捣的谐振是有关系的。得布罗意在铁塔上一干就是好几年，一直到大战打完才从铁塔上下来。一个人生抉择就摆在他面前，到底是去学习历史当个历史学家还是横下一条心不当文科生了去当物理学家。最后小得布罗意横下一条心去学物理了。他老师正是当时大名鼎鼎的郎之万，他就跟着郎之万攻读博士学位。郎之万可是爱因斯坦的粉丝之一，少不了就传授给得布罗意有关相对论的知识，所以得布罗意对相对论是很熟悉的。大概也就在这个前后，就1919年到1923年之间法国的另一位科学家叫布里渊发表了一系列的论文，就打算解释波尔的原子模型。波尔的原子模型有个最大的特点就是轨道半径是不连续的，按波尔的说法就是电子必须在某些特定轨道上运动，要么就是在轨道间跳来跳去，但是想跑到两个轨道之间是不可能的。但是在经典物理学家的思维里面这个想法就很离经叛道了，这种不连续的概念实在太过古怪了，他们总想在经典理论的框架内看看能不能解释这种不连续的现象。布里渊就是这么想的，他觉得电子的转动过程中是不是把周围的以太给搅合起来了，以至于以太震动就形成了一种波，这个波就形成驻波，假如电子围绕中间旋转周期跟驻波的周期不匹配那就没法待下去，只有匹配的轨道才能存在，因此形成了轨道不连续的效果。就拿弹吉他为例吧，吉他上面有几根弦，拨动弦就会产生震动效果就发出一个频率的音调，有一种很独特的演奏方法叫泛音弹奏，比如说人工泛音，手指头按住弦中心然后一弹，这一根弦就分成两半在震动，振动频率就提高了一倍，这就是所谓的泛音。当然了手指头也可以按在三分之一的地方也可以弹出泛音。说白了只有在二分之一啊三分之一啊这种整分数的地方可以弹出泛音，要在其他地方就弹不出来，无法形成持续的震动，也就是说一根弦能发出的振动频率不是任意的频率都行，它一定是某些个频率才能发的出来。这个效果就跟电子轨道的情况很相似。这个想法就给得布罗意很大的启发，要知道他爬在艾弗尔铁塔上好几年一天到晚摆弄的就是这些东西，满脑子都是波啊谐振啊，他觉得电子轨道这东西好像就是这么回事吧。然而布里渊的理论里面有个得布罗意最不喜欢的东西，就是那个以太。得布罗意是认可爱因斯坦相对论的，爱因斯坦的狭义相对论早就抛弃以太这种东西了，这里面没事加什么以太啊。那怎么解释电子轨道不连续问题呢？得布罗意就认为这东西跟以太没关系，很可能跟电子本身有关系。布里渊认为是电子搅合周围的以太发出了某种波，但得布罗意认为不需要以太这个东西，以太早就被爱因斯坦扔进垃圾堆了。那么是什么在形成共振呢？得布罗意认为是电子本身，电子本身就会形成一种向波，后来大家就管这种波叫德布罗意波。1923年9月到10月之间得布罗意就连续在法国科学院通报上发表了三篇有关波和量子的论文，就对他的理论做了描述。他通过这种波的模型成功计算出了波尔的电子轨道模型，因为共振的原因，某些大小的圈圈是可以出现的，别的圈圈存在不下去。到第二年的博士答辩论文写的也就是这方面内容，答辩委员会认为这个思路很新颖，写的不错，但是这东西感觉太玄乎了，用什么办法来验证这个理论呢？得布罗意就说那可以用电子的衍射来测试，一大群电子通过一个小孔的时候应该是会出现衍射现象。他导师郎之万有点吃不准，就把论文给爱因斯坦寄了一份，爱因斯坦一看这论文立刻就喜欢到心窝子里去了，因为这种思路跟爱因斯坦是不谋而合，因为爱因斯坦早年解释光电效应的时候就应该开创出一个概念叫波粒二象性。 波粒二象性 波粒二象性说来话又长了，有关光的性质吵架已经吵了好几个世纪了。当年英国的胡克就认为光是一种波，惠更斯认为胡克的理论是对的，但是以胡克的死对头牛顿为代表的一大票科学家认为光是一种粒子，这是光的波动说和微粒说的来源。这两个学说吵了一辈子架都没吵赢，后来法国的拉普拉斯也认为牛顿是对的，后来拉普拉斯就写了他的皇皇巨著叫《天体力学》，在这本书里他就根据光的微粒说就计算出可能存在一种天体，拉普拉斯管它暗星，因为这个星的引力足够大乃至于光都跑不出来。假如说真存在这种天体那我们根本就看不见它，所以拉普拉斯就是第一个计算出黑洞的人，所谓的暗星就是黑洞。尽管从现在角度来看他的计算完全不对，因为这个计算是依照光是一种粒子来计算的，他把这本书就送给了他的学生拿破仑，拿破仑估计是没空看。后来再出版的时候拉普拉斯一抬手就把这段暗星的章节给删了，因为出了一位杨大夫，杨大夫本来是眼科医生，后来因为研究人眼就喜欢上光学，这个杨大夫就做了一个名垂千古的实验，叫双缝干涉实验。杨大夫成功观察到了光波干涉引起的干涉条纹，拉普拉斯就听说这事了，一看不对劲，光很有可能是一种波啊，杨大夫都已经把实验都做出来了，看样子靠谱，那自己关于暗星的计算就完全不靠谱了，趁别人不注意《天体力学》再版的时候就把这段给删了。这个杨大夫认为光是一种波，这一点当然没错，但是他搞错了另外一点，他认为光是一种纵波，其实是横波。后来菲涅尔给出了光的衍射公式，这都是19世纪早期的事了。然后就从这开始这个概念就持续了大概一个世纪，大家都相信光是一种波，但是这又不是简单的机械波，到底是什么波呢？一直到一代宗师麦克斯韦出手，提出了电磁学理论，这才证明了光是一种电磁波。可是到了1905年爱因斯坦那篇很著名的论文一发表，认为光不是连续的而是一份一份的，有一个最小单位叫光量子，在爱因斯坦眼里光显然是有某种粒子特性的。注意爱因斯坦的措辞，他没说光子，而是说的光量子，这两者是有区别的。光量子是说光是一份一份不连续的，但是不能确定光向子弹一样有动量。假如光量子能把别的粒子给撞飞了而不是简单的把能量传递给别人，那么就可以说光子真的是粒子。 这时候想啥来啥，爱因斯坦正为这个事发愁，就在1923年康普顿就发现了康普顿效应，在康普顿效应的研究过程中第一次出现了我们中国人的身影，写了这么多期一直都说的是欧洲人美国人，连日本人都出现了一个，现在终于出来了一个中国人，这就是康普顿的研究生叫吴有训。简单说康普顿效应就是研究石墨中的电子对X射线的散射的时候发现的，有些散射波的波长比入射波波长还略大，这用过去的理论计算是搞不定的，最后康普顿没辙就只好使用爱因斯坦的光量子理论去计算，这是一个特殊效应呢还是普遍效应呢，康普顿效应是不是什么时候都存在呢？围着证明康普顿效应的普遍适用性，吴有训就在康普顿的指导下做了7种物质的X射线散射曲线，并且在1925年发表论文，有力的证明康普顿效应是客观存在的，而且是个普遍现象。他陆续使用了多达15种不同的样品材料进行X射线的散射实验，全都和理论计算是相符合的。后来吴有训就回国了，成了一代宗师，按他的学生可以拉出一大串，比如说钱三强、郭永怀、王淦昌、彭恒武、何泽慧、王大珩、朱光亚、邓稼先、梅镇岳、郑林生、金星南、胡宁，这都是题外话了。 康普顿效应 康普顿效应是一个极其重要的发现，康普顿效应表明光子不但有能量还有动量，既有粒子特性又有波动特性。那凡是学过中学物理的都学过有关动量的知识，凡是用动量计算的知识都是用什么子弹打木块啊小球相碰啊之类的。那光量子具有动量就是说光子跟小球差不多，宏观上讲光一定是具有光压的，18世纪欧拉就提出过光压是肯定存在的，他就预言过这事了。但是一直到1901年才由列别捷夫首次测量出来光压是存在的，光压非常非常微弱，后来麦克斯韦都解释过这光压怎么来的，最后还是用光的动量来解释是最简单的。那既然光子是一个一个小球，打上去打的多了当然就有压力了。到此为止大家才普遍使用光子这个称呼，爱因斯坦更是逢人便说这个康普顿效应真是太有意思了，证明了光同时具有波动性和粒子性，这个得好好研究一下啊！爱因斯坦对这个波粒二象性非常满意。正当此时得布罗意的文章来了，他一看觉得这个很好啊，是对波粒二象性的一种扩展，堪称是穿透物理学迷雾的一缕微光啊。不仅仅是光子具有波粒二象性，看来电子也有。那电子也有的话那恐怕其他粒子也有的。其实得布罗意说这个话的时候说的很含蓄，他没敢说物质波这个概念，仅仅提到电子可能具有一种向波特性，物质波是后面薛定谔方程提出来的，大家起了个名字叫物质波。因为得布罗意的物质波概念其实跟经典理论有着千丝万缕的联系，大家对这个东西都很熟悉，因此物理学界就掀起一股热潮，大家都在谈论物质波，经过爱因斯坦大力推广，德布罗意波就已经是远近闻名了。 |
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