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作者：张天蓉 在量子力学的创始人中，与爱因斯坦出身于商人之家以及普朗克和波尔的父亲都是教授有所不同，最早提出物质波概念的德布罗意则是一位货真价实的法国贵族。 著名物理学家路易·德布罗意（伊）（Louis de Broglie，1892年－1987年）是法国的第七代布罗伊公爵。历史上，法国贵族姓氏中的de后面跟着封地的名字，德布罗意的封地名是“布罗伊”。德布罗意的祖先是路易十四和路易十五时代的法国元帅，因此被封为布罗伊公爵，尔后便一代一代地世袭下来。 德布罗意家族地位显赫，名人众多。自17世纪以来，这个家族的成员在法国军队、政治、外交方面颇具盛名。他的祖父（第四代）是法国著名评论家、公共活动家和历史学家，曾于1871年任法国驻英国大使，1873-1874任法国首相。 路易·德布罗意从一个外交和政治世家蜕变出来成为一位著名的物理学家，这与他的哥哥莫里斯·德布罗意（Maurice de Broglie）有关。 路易14岁时，他父亲早逝，比他大17岁的哥哥莫里斯继承了爵位。他哥哥不负家族之望，将他送进最好的贵族学校，希望他能发扬光大祖辈的传统，成为有名望的外交官或历史学家。 可是，莫里斯的努力视乎适得其反，因他自己叛逆祖辈事业直接影响了路易。莫里斯从1904年开始就一直进行物理研究。当年他从海军军官学校毕业后，在法国海军服役了9年。法国军舰上安装了第一台无线电设备，诱使他逐渐对物理学产生了兴趣。当他向祖父布罗意公爵征求“研究物理”的许可时，得到的是使他沮丧和反感的回答： “科学是位老太太，满意于吸引老人。” 尽管祖辈反对，但他祖父去世后，莫里斯还是走上了物理之路。他于1908年获得物理博士学位，在朗之万手下工作和学习。他对新的X射线科学感兴奋，并在巴黎建立了自己的实验室研究X射线。 路易·德布罗意起初主修的是历史，但他也阅读了彭加勒（或称昂利·庞加莱，Henri Poincaré， 1854年－1912年）所著的《科学的生涯》和《科学与假设》等著作，已对科学产生了兴趣。由于他哥哥选择研究物理，更加激发了他对物理的极大兴趣。他丢弃历史专业，转而研究思考理论物理问题。 法国以卓越的思想文化和崇尚科学著称。从17世纪开始，法国在物理、数学界人才济济，群星璀璨，例如笛卡尔、帕斯卡、费马、惠更斯…，还有当年梅森创办的“梅森学院”是科学家们聚会和交流的中心—— 它是“巴黎皇家科学院”的前身。在量子力学诞生之后，量子物理的首次华山论剑——第一次索尔维会议，出席会议的24位学者中就有6位是法国科学家（见下面的图片）。 第一次索尔维会议中的法国学者-1 第一次索尔维会议中的法国学者-2 第一次索尔维会议对路易·德布罗意影响极大。因为参与这次会议的不仅有对他产生深远影响的庞加莱（图片-1中与居里夫人交谈的那位；左边阅读文献的是让·佩兰，他是研究X射线、阴极射线和布朗运动的专家，后来获1926年诺贝尔物理学奖），而且他哥哥莫里斯也名列其中，并担任会议的科学秘书（图片-2中间一位，他之后也是第2、3届索尔维会议的科学秘书）。还有一位法国物理学家M·布里渊（M. Brillouin，图片-2左），他是后来研究晶体结构，以“布里渊区”知名的萊昂·布里淵（Léon Brillouin，1889年－1969年）的父亲。而M·布里渊曾经是朗之万和让·佩兰的老师。由于莫里斯的原因，路易·德布罗意有机会接触到会议的许多相关文件，比如爱因斯坦和普朗克有关量子化概念的文章等等。 在第1次以及第二2、3次索尔维会议的文件中，有按量子化概念对黑体辐射和光电效应的计算，有劳厄和布喇格分别做的X射线晶体衍射和反射强度的专题报告；有卢瑟福的有关《原子结构》的报告。这些珍贵文件进一步牢固了德布罗意对物理学的兴趣，他决心转学自然科学。那时正处在第一次世界大战期间，他在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服完兵役之后，便跟随朗之万攻读物理学博士学位。 德布罗意的老师的老师，即朗之万的老师M·布里渊在1919一1922年间连续发表了有关玻尔原子模型定态轨道理论的三篇论文，这对德布罗意形成物质波思想有很大帮助。 玻尔是在1913年发表他的有关原子模型的论文，而1911年召开首届索尔维会议时，他尚是一个无名小卒，当然不可能参加这个会议，但不知为什么后来的2、3、4届索尔维会议也没有玻尔的踪影。德布罗意比波尔小7岁，他得益于哥哥，可以近水楼台先得月，很早就开始思考“波”、“粒子”之类的深刻理论问题。 玻尔提出原子模型时，为了符合实验结果，他做了三条假设：定态假设、量子化条件、频率规则。但是，玻尔当年并未弄清楚这三大假设的理论基础。他所提出的电子在轨道间跃迁，并没有清楚地解释跃迁的机理，只是作为几条硬性规定放在那儿，让其他人去猜测捉摸。其实，波尔模型开始还不被物理学界所接受，例如汤姆孙就拒绝对其发表评论，卢瑟福也不赞同，薛定谔则说，那是一种“糟透了的跃迁”。 但波尔模型毕竟解决了一些问题，接下来要做的工作是如何解释和改进玻尔模型。那时大多数物理学家仍然属于 “半经典半量子”：德国的索末菲在1916年将圆轨道推广为椭圆轨道，并引入相对论修正，提出了索末菲模型；法国的M·布里渊提出了一种解释玻尔定态轨道的原子模型理论，即他设想原子核周围的“以太”会因电子的运动激发出波，当电子轨道半径与波长成一定关系时，这些波互相干涉形成环绕原子核的驻波。这种说法似乎可以解释电子轨道的量子化，但需要“以太”作为背景，然而此与爱因斯坦的狭义相对论相违背。 德布罗意知道布里渊的见解后，他高兴极了。他把以太的概念去掉，将波动性的来源直接赋予电子本身。也就是说，电子本来就具有波动性。在德布罗意看来，辐射本来是波动，普朗克和爱因斯坦却赋予它们粒子性。原本以为是粒子的电子，为什么不能也具有波动性呢？
上图是电子形成驻波的原子模型，很自然地解释了电子轨道及角动量的量子化假设。此外，驻波当然不辐射能量，这是经典波动学说就有的结论。不过，德布罗意的假设对于如何解释索末菲的椭圆轨道模型还有困难，而且他关于电子波的想法还只是文字上的说法，没有导出严格的动力学方程，所以人们仍然感到美中不足。 又经过几年的努力，德布罗意在1924年完成了他的博士论文《量子理论研究》。他在文中较为详细地解释了他的有关电子波的理论。 德布罗意认为，物质粒子与光都具有波粒二象性。考虑动量和能量为p 、E的粒子（或物体），它们也有波长l和频率n，表述为： λ=h/p， v=E/h 这就是物质波的德布罗意公式，其中h 是普朗克常数。对粒子和光子，公式都成立。也就是说，粒子和光都既是粒子又是波。 德布罗意想象力极其丰富，他认为粒子也是波，称之为物质波。这种物质波是普适的，一个巨大的物体，也会有相应的波长，不过仅仅是它的波长接近于零，没有实际意义而已。 对于德布罗意的物质波，朗之万等人觉得很是新颖，但也有些拿捏不准的感觉。1924年4月，在第四次索尔维国际物理会议上，朗之万介绍了德布罗意的工作，这引起了并未参加会议的爱因斯坦的注意。后来，朗之万将德布罗意的论文寄给爱因斯坦。这位伟人对德布罗意的大胆假设给予了极高的评价：“我相信这是我们揭开物理学最难谜题的第一道曙光。”随后爱因斯坦又将论文推荐给玻恩和薛定谔等人，这才有了后来的波动方程及其概率诠释。 事实上，德布罗意对波动性和粒子性等问题在脑海有过很长时间的反复思考，他在论文答辩时已经有了深入的认识和充分的自信。当让·佩兰问道：“怎样用实验来证实你的理论呢？”德布罗意胸有成竹地回答：“用晶体对电子的衍射实验是可以证实的。” 后来，实验物理学家按照德布罗意的思想，找到了能够支撑其假说的实验结果：1926年夏天，美国贝尔实验室物理学家戴维森在实验中发现电子衍射现象。紧接着，几乎是同时，英国剑桥的P.G.汤姆逊也观察到电子束通过薄金箔时有圆环条纹产生。这两个实验为德布罗意波提供了坚实的基础，他也因此获得1929年的诺贝尔物理学奖，而戴维森和汤姆逊也分别获得了1933年和1937年的诺贝尔奖。 德布罗意物质波是一个伟大假说，是量子力学理论中的一个支柱性概念，但也经常被不明真相的世人诟病。很多人都听说过有关这位所谓的“花花公子和纨绔子弟”的传说，但实际上都是谣言，与德布罗意做学问的风格相距甚远。还有传说德布罗意是靠“一页纸”论文得到博士学位，这更是无稽之谈。他的博士论文（英文版）不是1页，而是81页。 1960年，德布罗意的哥哥第6代布罗依公爵莫里斯去世，路易正式成为第7代布罗依公爵。但公爵的世袭头衔并未使德布罗意的生活改变许多，他仍然是理论物理教授，仍然从事科学研究。他对人彬彬有礼，绝不发脾气，既是一位贵族绅士，也是一位毕生兢兢业业的科学家。 路易·德布罗意从未结婚，一辈子单身。据说他交过女朋友，有两位忠心耿耿的随从。他喜欢过平俗简朴的生活，卖掉了贵族世袭的豪华巨宅，选择住在平民小屋。他深居简出，从来不放假，是个标准的工作狂。他喜欢步行，或搭公车，不曾拥有私人汽车。 1987年3月19日，德布罗意去世，高龄九十五岁。 |
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