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路易·德布罗意

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路易·德布罗意1929年诺贝尔物理学奖得主
Louis de Broglie
Broglie Big.jpg
出生(1892-08-15)1892年8月15日
法兰西共和国迪耶普
逝世1987年3月19日(1987岁-03-19)(94岁)
 法国卢沃谢讷
国籍 法国
母校索邦大学
知名于波粒二象性物质波
奖项
Nobel prize medal.svg
诺贝尔物理学奖(1929年),
马克斯·普朗克奖章
卡林加奖英语Kalinga Prize
法国荣誉军团大十字勋章
科学生涯
研究领域物理学家
机构索邦大学
博士导师保罗·郎之万
博士生西西尔·德维特英语Cécile DeWitt-Morette
伯纳德·德斯班雅
尚-皮埃尔·威吉尔英语Jean-Pierre Vigier
亚历山德鲁·普罗喀英语Alexandru Proca

路易·维克多·德布罗意[注 1],第七代布罗伊公爵(法语:Louis Victor de Broglie, prince, duc de Broglie,1892年8月15日-1987年3月19日),简称路易·德布罗意(法语:Louis de Broglie,发音:[də bʁɔj]),法国物理学家,法国外交和政治世家布罗伊公爵家族的后代。从1928年到1962年在索邦大学担任理论物理学教授,1929年因发现了电子的波动性,以及他对量子理论的研究而获诺贝尔物理学奖。1952年获联合国教科文组织颁发的卡林加奖英语Kalinga Prize。1944年,德布罗意膺选为法兰西学术院第一席位的院士,是第十六位得到此殊荣的人士。他也是法国科学院的永久秘书。

生平

路易·德布罗意生于法国滨海塞纳省迪耶普。父亲是维克多,第五代布罗意公爵(Victor, 5th duc de Broglie),母亲是Pauline d'Armaillé。路易是家里最年幼的儿子。路易的哥哥摩里斯·德布罗意英语Maurice de BroglieMaurice de Broglie)后来也成为一位很有成就的物理学家。当路易才十四岁的时候,他的父亲就过世了。摩里斯继承为第六代布罗意公爵(6th duc de Broglie)。教养弟弟的责任就落在摩里斯身上。摩里斯是一位很好的哥哥。他给路易去巴黎最好的贵族学校詹森萨伊中学读书。

路易天资聪颖,有惊人的记忆力。他读书能够过目不忘。在法文、历史、物理、哲学、这些不同的领域,他都能得到很好的成绩[1]。中学毕业后,他进入了索邦大学就读。那时,他并不清楚应该主修哪个科目。最初,他选择了历史。后来,又转为主修法律。一直到他读了昂利·庞加莱的两本钜著,《科学和假设》与《科学的价值》,他才认知物理学是他的最爱,开始专心研读理论物理。1913年,他得到了学士学位。

1914年,第一次世界大战爆发。德布罗意正在陆军服役。刚开始,他被派到Fort Mont-Valérien当坑道工兵。很快地,性情活泼的他,对于这刻板僵硬,缺乏变化的生活,觉得枯燥无味,难以忍受。经过哥哥运用人脉关系,他被转派去埃菲尔铁塔的陆军无线电部门做通讯兵。闲暇时间,还可以思考关于无线电的技术问题。对于日后的科学研究有很多实用价值[1]

1919年,退役后,德布罗意又回返索邦大学,继续先前的理论物理研究,立志拿到博士学位。他参加了保罗·朗之万主讲的一个关于量子理论的专题讨论会,又修了一堂关于相对论的课。那时,哥哥摩里斯正在研究x-射线光谱和光电效应。他时常在哥哥的实验室里帮忙,兄弟两人共同发表了几篇论文。

经过几年的努力,德布罗意终于在1924年完成了博士论文《量子理论研究》。在这篇论文里,他详细地解释他所创建的的电子波理论。这包括了,根据阿尔伯特·爱因斯坦马克斯·普朗克对于光波的研究,而推论出来的关于物质的波粒二象性:任何物质同时具备波动和粒子的性质。由于论文的题目与内容相当先进,让当时许多学者都直摇头,因为这份报告的创造了一个新观念,而德布罗意的老师朗之万其实也很难相信这个论点,但论文的内容实在是太过让人惊叹,不能确定是否有瑕疵,所以寄给爱因斯坦一份,寻求他的意见。爱因斯坦那时候很忙,正在研究玻色-爱因斯坦统计,抽不出时间仔细阅读,只能稍微翻了一下。立刻,他意识到这论文很有重量,乐意为波粒二象性背书,兴奋地回信:“他已经掀起了面纱的一角”!并且将论文送去柏林科学院,因而使得这理论广知于物理学界[1]。德布罗意获得了梦寐以求的博士学位。后来,埃尔温·薛定谔从这篇论文里,得到很多宝贵的灵感。既然电子是波动,那么,什么是电子的波动方程?两年后,薛定谔发表了薛定谔方程,也从此开启了量子力学的新纪元。

1927年,克林顿·戴维森雷斯特·革末将电子射向晶体,发现其衍射图谱和布拉格定律(这原是用于X射线的)预测的一模一样。这证实了德布罗意的电子波理论正确无误。因为这历史性的发现,瑞典皇家科学院特别颁授德布罗意1929年的诺贝尔物理学奖

德布罗意还试着发展一种理论,用因果关系来解释波动力学。现代的量子力学理论大多建立于概率模型。在1950年代,大卫·波姆又加以琢磨,成为现在知名的德布罗意-玻姆理论

于1933年,德布罗意成为法国科学院的院士,也是科学院从1942年开始的永久秘书。于1944年10月12日,他荣膺法兰西学术院第一席位的院士。那时正当第二次世界大战德国纳粹占领法国期间,很多院士或者过世,或被俘虏,学术院无法达到选举所必需的最少二十位人数。但因这是特别时期,在参与的十七位院士都一致投赞成票的状况之下,学术院接受了这选举结果。已于1934年就被遴选为院士的哥哥摩里斯,在学术院历史中,尚无前例地代表全院,欢迎路易成为新院士。

1945年,由于德布罗意的努力,使工业与科学紧密联系在一起,荣获法国原子能委员会高级顾问。他于亨利·庞加莱研究所(Institut Henri Poincaré)建立了工程力学中心,于此进行光学、模控学以及原子能研究。德布罗意激励了国际量子分子科学院的创立,并成为其早期会员。

1938年,因为德布罗意在理论物理学的杰出贡献,德国物理学会颁给他最高荣誉马克斯·普朗克奖章。1952年,由于德布罗意热心教导民众科学知识,联合国教育、科学及文化组织授予他卡林加奖英语Kalinga Prize。1953年,当选为伦敦皇家学会的院士。1961年,又荣获法国荣誉军团大十字勋章

1960年,路易的哥哥摩里斯过世,路易继承为第七代布罗意公爵(7th duc de Broglie)。路易从未结婚,一辈子单身,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。上班通勤,他喜欢步行,或搭巴士,不曾拥有私人汽车。对人彬彬有礼,他绝不发脾气,是一位贵族绅士[1]。1987年3月19日,德布罗意过世,高龄九十五岁。

主要理论

物质波

“我(1924年论文)的基本观点如下: 随着爱因斯坦在光波中引入光子,人们得知,光包含粒子,而这些(光)粒子是融入(incorporated into)波中的(光)能量的密集区。这一事实表明,所有粒子,譬如电子,必是经由其融入的波来传递。... 我的根本主张,是要把以光波和光子的实例被爱因斯坦于1905年发现的,波与粒子的共存性,拓展到全部的微观粒子。”
“每一个具有质量 和速度 的物质粒子,必然有一个实在的波与之“关联”,以如下方程的形式与动量相关:

其中,波长, 普朗克常数, 动量, 静止质量, 速度, 为 真空光速”
这个理论奠定了波动力学的基础。它被爱因斯坦支持,由戴维森-革末实验确证,并由埃尔温·薛定谔普适化。


然而,这种普适化的波动力学被诠释为统计性的,并不被德布罗意认同。他说:“粒子必定是一个内在周期运动之所在,以及,它必定在波中运行以便与波保持同相,这被现在的物理学家们无视了。他们错误地在没有粒子定位的情况下考虑一个波的传播,这和我本来的观点完全相反。”

从一开始,德布罗意就认为存在一个实在的波(此波具有直接的物理诠释)与粒子相互关联。

但现实的发展是,物质的波动面被薛定谔方程定义的波函数表述,成为一个具有概率性诠释的纯数学存在,没有实在的物理成分来支撑。这个波函数给予物质一个“波动的表像”,没有出现“实在的物理波”。

在当时不确定性原理和概率性诠释风靡的背景下,德布罗意在1927年索尔威会议上提出的导航波理论受到强烈质疑和冷遇,他主张的思想没有被广泛认同,在随后的二十多年间德布罗意中断了导航波理论的发展。1952年,德布罗意的导航波观点才被戴维·玻姆重新发掘并引入量子势(Quantum potential)等概念,直到二十世纪七十年代后期,他们的工作才开始被更多人关注。德布罗意-玻姆理论是现在唯一给予物质波实在状态的诠释,以及唯一重现量子力学预言的诠释。

在重返相关领域然后直到生命的终末,德布罗意都一直致力于给物质波一个直接的实在的物理诠释。在他逝世前不久发表的一篇文章的结语中,他写道: “这就是...运用双解理论(Double Solution)及其热力学扩展对波动力学进行诠释的目前状况。我想,当这个诠释被进一步阐述、拓展、并最终修正它某些方面,将会带来对波与粒子的真正共存有更好的理解,对此,目前的量子力学只给出统计性的结果,通常是正确的,但在我看来,是不完备的。”[2]

电子的内在时钟之猜想

在他1924的论文中,德布罗意猜想电子具有一种内在“时钟”,是某种机制的一部分 -- 通过这种机制,导航波得以引导粒子。[3] 后来David Hestenes提议这可能与埃尔温·薛定谔提出的颤动存在关联。[4]

验证这个内在时钟猜想以及测量其频率的尝试迄今未有定论。[5] 最近的实验数据至少与德布罗意的猜想相容。[6]

物质的非零性与可变性

德布罗意认为,中微子光子具有非零的静止质量,虽然极其微小。他理论的一致性需要给光子赋予一个非零质量。顺带一提,对光子零质量假说持否定态度使他对宇宙膨胀假说抱有疑问。

此外,他认为粒子的真实质量不是恒定的,而是可变的,并且每个粒子可以比拟成一部热力学装置,该装置等价于作用量环路积分

最小作用量原理的普适化

在他1924年论文的第二部分,德布罗意使用了力学的最小作用量原理的等价形式以及费马的光学原理:
费马原理应用到相位波时等同于皮埃尔·莫佩尔蒂原理应用到运动物体,运动物体可能的轨迹等同于波可能的辐射线。”
这种等价在早一个世纪以前由哈密顿指出,并在1830年出版,但在那个时代,没有实验给涉及原子现象的物理基本原理提供证据。

直至最后,德布罗意都似乎是最致力于探求作用量元(dimension of action)(已由普朗克在20世纪初表明是唯一万象包罗的量)以及元(dimension of entropy)的物理学者。

自然法则的二元性

跟主张“譲矛盾消失”(正如玻恩认为可以用统计性的方法办到)大不相同,德布罗意不但把波粒二重性推广到所有粒子(和晶体),还把二元性原则推广到自然法则。

他最后的工作是运用热力学和力学两大物理系统的原理(热力学流体力学哈密顿力学波动力学等)构建了一个单一的理论体系(双解理论(Double-solution)):

波尔兹曼和他的后继者发展了他们对热力学的统计性诠释,人们可能已经认为热力学是动力学的一个复杂的分支。
但是,根据我现有的观点,动力学才是像是热力学的简单化分支。
我认为,在过去这些年我引入量子理论的所有的观点里面,迄今为止,这一个观点才是最重要和最深刻的。

这个思想看起来和连续-不连续二元性(continuous–discontinuous duality)相符,因为一旦假设了到连续极限(continuous limits)的转换序列,其动力学就是其热力学的极限状态。这也和莱布尼茨的思想相近。莱布尼茨断言了宗构原则(architectonic principle)在完善力学法则体系时的必要性。

但据他而言,相较之下,它显露的二元性少于其一是其二之极限且总能量守恒的体系,正如在他的第一表达式中,左项属于力学,而右项属于光学:

光的中微子理论

这个理论提出,光子等价于两个狄拉克中微子的融合。 它显示,这两个粒子的重心的运动遵循麦克斯韦方程组 -- 这暗示,中微子和光子都有非零的静止质量,虽然极其微小。

孤立粒子的隐热力学

孤立粒子的隐热力学(Hidden thermodynamics of isolated particles)被德布罗意作为重要组成引入到双解理论体系(Double solution)中[7][2]。它尝试把费马莫佩尔蒂卡诺的原理相结合。 在这个理论中,通过一个方程关联起这仅有的两个万有元(universal dimension),作用量变成的某种反面物:

由此,这个理论在不确定性原理作用量极值偏差、以及对应于熵减的偏差之间建立了关联。

出版书籍

  • Recherches sur la théorie des quanta(Researches on the quantum theory),Thesis, Paris, 1924.
  • Ondes et mouvements (Waves and Motions). Paris: Gauthier-Villars, 1926.
  • Rapport au 5e Conseil de Physique Solvay. Brussels, 1927.
  • La mécanique ondulatoire (Wave Mechanics). Paris: Gauthier-Villars, 1928.
  • Matière et lumière (Matter and Light). Paris: Albin Michel, 1937.
  • Une tentative d'interprétation causale et non linéaire de la mécanique ondulatoire: la théorie de la double solution. Paris: Gauthier-Villars, 1956.
    • English translation: Non-linear Wave Mechanics: A Causal Interpretation. Amsterdam: Elsevier, 1960.
  • Sur les sentiers de la science (On the Paths of Science).
  • Introduction à la nouvelle théorie des particules de M. Jean-Pierre Vigier et de ses collaborateurs. Paris: Gauthier-Villars, 1961. Paris: Albin Michel, 1960.
    • 英文翻译版:Introduction to the Vigier Theory of elementary particles. Amsterdam: Elsevier, 1963.
  • Étude critique des bases de l'interprétation actuelle de la mécanique ondulatoire. Paris: Gauthier-Villars, 1963.
    • 英文翻译版:The Current Interpretation of Wave Mechanics: A Critical Study. Amsterdam, Elsevier, 1964.
  • Certitudes et incertitudes de la science (Certitudes and Incertitudes of Science). Paris: Albin Michel, 1966.

参阅

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 James, Ioan, Remarkable Physicists From Galileo to Yukawa, Cambridge University Press: pp. 307-311, 2004, ISBN 0-521-81687-4 
  2. ^ 2.0 2.1 Louis de BROGLIE, Interpretation Of Quantum Mechanics By The Double Solution Theory (Ann. de la Fond. L. de Broglie 12,1,1987)
  3. ^ See for example the description of de Broglie's view in: David Bohm, Basil Hiley: The de Broglie pilot wave theory and the further development and new insights arising out of it, Foundations of Physics, volume 12, number 10, 1982, Appendix: On the background of the papers on trajectories interpretation, by D. Bohm, (PDF 互联网档案馆存档,存档日期2011-08-19.)
  4. ^ D. Hestenes, October 1990, The Zitterbewegung interpretation of quantum mechanics, Foundations of Physics, vol. 20, no. 10, pp. 1213–1232
  5. ^ See for example G.R. Osche, Electron channeling resonance and de Broglie's internal clock, Annales de la Fondation Louis de Broglie, vol. 36, 2001, pp. 61–71 (full text页面存档备份,存于互联网档案馆))
  6. ^ Catillon, Foundations of Physics, July 2001, vol. 38, no. 7, pp. 659–664
  7. ^ Louis de BROGLIE, The Thermodynamics of the isolated particle (or the hidden themodynamics of particles),1964,preface&pp.96

注释

  1. ^ 法语人名Broglie在现代人名翻译中译作“布罗伊”,但在指该物理学家时约定俗成译作“布罗意”。

外部链接

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