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路易·維克多·德布羅意

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路易·維克多·德布羅意(Louis Victor de Broglie,1892.08.15—1987.03.19)出生於迪耶普,法國著名理論物理學家,波動力學的創始人,物質波理論的創立者,量子力學的奠基人之一。1929年獲諾貝爾物理學獎。1932年任巴黎大學理論物理學教授,1933年被選為法國科學院院士。

1生平和成果

德布羅意家族
路易·維克多·德布羅意1892年8月15日出生於法國塞納河畔的迪耶普(Dieppe),是法國一貴族家庭的次子。德布羅意家族自17世紀以來在法國軍隊、政治、外交方面頗具盛名,數百年來在戰場上和外交上為法國各朝國王服務。1740年路易十四封德布羅意家族為世襲公爵,封號由一家之長承襲,第一代公爵的兒子曾在七年戰爭中為奧地利王族出力作戰,獲得王子封號,賜於家族中每一個成員。德布羅意家族祖父J·V·A·德布羅意(1821~1901)是法國著名政治家和國務活動家,1871年當選為法國國民議會下院議員,同年擔任法國駐英國大使,後來還擔任過法國總理和外交部長等職務。當德布羅意的長兄、實驗物理學家莫里斯(Mauriee)死後,他在1960年就成為法國公爵兼德國王子,但他一生中生活簡樸,平易近人,把畢生獻給了科學事業。

選擇物理學

德布羅意父母早逝,從小就酷愛讀書。中學時代顯示出文學才華,從18歲開始在巴黎索邦大學學習歷史,並且於1910年獲得歷史學位。1911年,他聽到作為第一屆索爾維物理討論會秘書的莫里斯談到關於光、輻射、量子性質等問題的討論后,激起了強烈興趣,特別是他讀了龐加萊的《科學的價值》等書,他轉向研究理論物理學。1913年,他獲理學學士學位。第一次世界大戰期間,在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服役六年,熟悉了有關無線電波的知識。他的哥哥(M·德布羅意)是一位實驗物理學家,是X射線方面的專家,擁有設備精良的私人實驗室。從他哥哥那裡德布羅意了解到普朗克和愛因斯坦關於量子方面的工作,進一步引起了他對物理學的極大興趣。經過一翻思想鬥爭之後,德布羅意終於放棄了已決定的研究法國歷史的計劃,選擇了物理學的研究道路,並且希望通過物理學研究獲得博士學位。

2物質波研究

第一次世界大戰期間,德布羅意在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服役。平時愛讀科學著作,特別是龐加萊、洛倫茲和朗之萬的著作。後來對普朗克、愛因斯坦和玻爾的工作發生了興趣,轉而研究物理學。退伍後跟隨朗之萬攻讀物理學博士學位。他的兄長莫里斯·德布羅意是一位研究X射線的專家,路易斯·維克多·德布羅意曾隨莫里斯一道研究X射線,兩人經常討論有關的理論問題。莫里斯曾在1911年第一屆索爾威會議上擔任秘書,負責整理文件。這次會議的主題是關於輻射和量子論。會議文件對路易·維克多·德布羅意有很大啟發。莫里斯和另一位X射線專家亨利·布拉格聯繫密切。亨利·布拉格曾主張過X射線的粒子性。這個觀點對莫里斯很有影響,所以他經常跟弟弟討論波和粒子的關係。這些條件促使路易·維克多·德布羅意伊深入思考波粒二象性的問題。
法國物理學家布里淵(M.Brillouin)在1919年——1922年間發表過一系列論文,提出了一種能解釋玻爾定態軌道原子模型的理論。他設想原子核周圍的「以太」會因電子的運動激發一種波,這種波互相干涉,只有在電子軌道半徑適當時才能形成環繞原子核的駐波,因而軌道半徑是量子化的。這一見解被德布羅意吸收了,他把以太的概念去掉,把以太的波動性直接賦予電子本身,對原子理論進行深入探討。
1923年9月至10月間,路易·維克多·德布羅意連續在《法國科學院通報》上發表了三篇有關波和量子的論文。 第一篇題目是「輻射——波與量子」,提出實物粒子也有波粒二象性,認為與運動粒子相應的還有一正弦波,兩者總保持相同的位相。後來他把這種假想的非物質波稱為相波。他考慮一個靜質量為m0的運動粒子的相對論效應,把相應的內在能量m0c2視為一種頻率為v0的簡單周期性現象。他把相波概念應用到以閉合軌道繞核運動的電子,推出了玻爾量子化條件。在第三篇題為「量子氣體運動理論以及費馬原理』的論文中,他進一步提出:「只有滿足位相波諧振,才是穩定的軌道。」在第二年的博士論文中,他更明確地寫下了:「諧振條件是l=nλ,即電子軌道的周長是位相波波長的整數倍。」
在第二篇題為「光學——光量子、衍射和干涉」的論文中,德布羅意提出如下設想:「在一定情形中,任一運動質點能夠被衍射。穿過一個相當小的開孔的電子群會表現出衍射現象。正是在這一方面,有可能尋得我們觀點的實驗驗證。」
德布羅意在這裡並沒有明確提出物質波這一概念,他只是用位相波或相波的概念,認為可以假想有一種非物質波。可是究竟是一種什麼波呢?在他的博士論文結尾處,他特別聲明:「我特意將相波和周期現象說得比較含糊,就象光量子的定義一樣,可以說只是一種解釋,因此最好將這一理論看成是物理內容尚未說清楚的一種表達方式,而不能看成是最後定論的學說。」物質波是在薛定諤方程建立以後,詮釋波函數的物理意義時才由薛定諤提出的。再有,德布羅意並沒有明確提出波長λ和動量p之間的關係式:λ=h/p(h即普朗克常數),只是後來人們發覺這一關係在他的論文中已經隱含了,就把這一關係稱為德布羅意公式。
德布羅意的博士論文得到了答辯委員會的高度評價,認為很有獨創精神,但是人們總認為他的想法過於玄妙,沒有認真地加以對待。例如:在答辯會上,有人提問有沒有辦法驗證這一新的觀念。德布羅意答道:「通過電子在晶體上的衍射實驗,應當有可能觀察到這種假定的波動的效應。」在他兄長的實驗室中有一位實驗物理學家道威利爾(Dauvillier)曾試圖用陰極射線管做這樣的實驗,試了一試,沒有成功,就放棄了。後來分析,可能是電子的速度不夠大,當作靶子的雲母晶體吸收了空中遊離的電荷,如果實驗者認真做下去,肯定會做出結果來的。
德布羅意的論文發表后,當時並沒有多大反應。後來引起人們注意是由於愛因斯坦的支持。朗之萬曾將德布羅意的論文寄了一份給愛因斯坦,愛因斯坦看到后非常高興。他沒有想到,自己創立的有關光的波粒二象性觀念,在德布羅意手裡發展成如此豐富的內容,竟擴展到了運動粒子。當時愛因斯坦正在撰寫有關量子統計的論文,於是就在其中加了一段介紹德布羅意工作的內容。他寫道:「一個物質粒子或物質粒子系可以怎樣用一個波場相對應,德布羅意先生已在一篇很值得注意的論文中指出了。」這樣一來,德布羅意的工作立即獲得大家的注意。
當1926年薛定諤發表他的波動力學論文時,曾明確表示:「這些考慮的靈感,主要歸因於路易·維克多·德布羅意先生的獨創性的論文。」1927年,美國的戴維森和革末及英國的G.P.湯姆孫通過電子衍射實驗各自證實了電子確實具有波動性。至此,德布羅意的理論作為大膽假設而成功的例子獲得了普遍的讚賞,從而使他獲得了1929年諾貝爾物理學獎。
後來,德布羅意主要從事的仍是波動力學方面的研究,他在1951年以後著重研究了「雙重解理論」,想要在經典的時空概念的基礎上對波動力學的幾率和因果性作出解釋,但這種努力未獲得成功。德布羅意伊始終對現代物理學的哲學問題感興趣,喜歡將理論物理學、科學史和自然哲學結合起來考慮,寫過一些有關的論文。
德布羅意1926年起在巴黎大學任教,1933年任巴黎大學理學院理論物理學教授,1933年被選為法國科學院院士,1943年起任該院常任秘書,1962年退休。

3榮譽

由於德布羅意的傑出貢獻,他獲得了很多的榮譽。1929年獲法國科學院享利·彭加勒獎章,同年又獲諾貝爾物理學獎。1932年,獲摩納哥阿爾伯特一世獎。
1933 年,德布羅意成為法國科學院的院士,也是科學院從1942 年開始的永久秘書。於1933 年10 月 12 日,他榮膺法蘭西學術院第一席位的院士。那時正當第二次世界大戰,德國納粹佔領法國期間,很多院士或者過世,或被俘虜,學術院無法達到選舉所必需的最少二十位人數。但因這是特別時期,在參與的十七位院士都一致投贊成票的狀況之下,學術院接受了這選舉結果。已於 1934年就被遴選為院士的哥哥摩里斯,在學術院歷史中,尚無前例地代表全院,歡迎路易成為新院士。1942年以後任數學科學常務秘書。
1938年, 因為德布羅意在理論物理學的傑出貢獻,德國物理學會頒給他最高榮譽馬克斯·普朗克獎章。1952年,由於德布羅意熱心教導民眾科學知識,聯合國教育、科學及文化組織授予他一級卡琳加獎 (Kalinga Prize) 。1953 年,當選為倫敦皇家學會的會員。1956年獲法國家科學研究中心的金質獎章。1961 年,又榮獲法國榮譽軍團大十字勳章。
他還是華沙大學、雅典大學等六所著名大學的榮譽博士,是歐、美、印度等18個科學院院士。

4簡樸的生活

1960 年,路易的哥哥摩里斯過世,路易繼承為第七代布羅意公爵 (7th duc de Broglie)。路易從未結婚,一輩子單身,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。上班通勤,他喜歡步行,或搭巴士,不曾擁有私人汽車。對人彬彬有禮,他絕不發脾氣,是一位貴族紳士。1987 年 3 月 19日,德布羅意過世,高齡九十五歲。

5主要著作

《波動力學導論》(1929);
《物質和光:新物理學》(1939);
《物理學中的革命》(1953);
《海森伯不確定關係和波動力學的概率詮釋》(1982)等。
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