在量子力学这个神秘的物理学领域,许多优秀的科学家凭着努力、执着、聪明和机遇拿到了诺贝尔物理学家。我们所熟知的就有普朗克、爱因斯坦、波尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利和波恩等。另外特别需要指出的,关于爱因斯坦与诺贝尔奖的现象,还有一个有趣的事实:在爱因斯坦时代,由于他在理论物理的杰出成就导致了9项诺贝尔物理学奖,其中一项是他拿的,另外8项是是别的科学家验证或者发展他的理论获得的,这8项研究使得多达14人获奖。
本文要说的这个年轻的科学家,也正是由于进一步研究爱因斯坦的理论,提出大胆的科学假设,并意外地得到了爱因斯坦本人的推荐,他的假设得以名扬天下,于年完成博士论文并获得博士学位,五年后,竟然因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。年,也就是他41周岁之前,荣任法国科学院院士。
路易·维克多·德布罗意在量子力学界崭露头角之时,他是一位年轻帅气的科学家。这位出生于法国贵族家庭的年轻人,早年并不是个理工科大学生。由于家族显贵,他有时接触到许多图书,博览群书的他在中学时代就显示文学才华。因此,在18岁那年他以优异的成绩如愿以偿地考入了巴黎索邦大学,他是历史专业的,后来于年大学毕业并获得文学学士学位。
谁也没有想到,这个典型的文科生竟然在量子力学这个尖端物理学领域做出了杰出的贡献,他甚至因为物质波的大胆假设与玻尔、爱因斯坦齐名,称之为量子力学的奠基人之一。
说起他与物理的渊源,也与他的家庭有关。由于他的哥哥莫里斯·德布罗意是当时有名的实验物理学家,一位研究X射线的专家,耳濡目染,他对物理学逐渐产生了兴趣。
特别是他大学毕业后的第一年,年他的哥哥莫里斯在第一届索尔维会议上担任秘书,负责整理文件,这次会议的主题是关于辐射和量子论。会议文件对路易·维克多·德布罗意有很大启发。莫里斯和另一位X射线专家亨利·布拉格联系密切。亨利·布拉格曾主张过X射线的粒子性。这个观点对莫里斯很有影响,所以他经常跟弟弟讨论波和粒子的关系。这些条件促使路易·维克多·德布罗意伊深入思考波粒二象性的问题。
这次讨论激发了他内心深处对物理学的强烈兴趣。后来又去找了许多书籍进行研究,特别是他读了庞加莱的《科学的价值》等书后,他正式决定弃文从理,放弃了已决定的研究法国历史的计划,开始研究理论物理学。年,获巴黎大学物理学博士学位,在博士论文中首次提出了“物质波”概念。
“物质波”的概念,现在已经被物理学家广泛接受,可是当年,当一名在校的研究生提出这样的理论时,连他的导师著名的物理学家朗之万都不敢相信。
在德布罗意之前的物理学家们,基本上都还在牛顿的经典力学体系下小心谨慎,包括在光为什么可以在真空中传播的问题上,往往还纠缠在“以太”这种所谓的物质上不能自拔。
关于以太,对于今天的人们来说是个比较陌生的名称。然而对于德布罗德的那个时代,却几乎是世人皆知。以太是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质。“以太”一词是英文Ether或Aether的音译。古希腊人眼中的以太可以泛指青天或上层大气。在亚里士多德看来,物质元素除了水、火、气、土之外,还有一种居于天空上层的以太,因此以太这个词自从诞生以来,就充满了某种神秘色彩。
“以太”仿佛是根救命的稻草,每当遇到科学不能解释的现象是,科学家们往往会把以太搬出来。比如17世纪时,法国著名数学家笛卡尔就建立了以太漩涡说。他以此解释太阳系内各行星的运动。笛卡尔的以太观念,既有助于推翻亚里士多德体系,又为后来物理学发展提供了一幅可供想象的空间媒介物。在笛卡尔的学说基础上,荷兰的惠更斯和英国的胡克也试图用以太来解释光的波动说,他们都假定空间具有无所不在的以太是波动媒介。
有趣的是,虽然大科学家牛顿不同意他们二人的光的波动说,他坚持光的射流说(微粒说),但他也借助以太的稀疏和压缩来解释光反射和折射,甚至假想以太是造成引力作用的可能原因。可以这么说,整个17世纪是发光以太的重要历史时期。
当年量子力学的先驱者玻尔提出了定态轨道原子模型的理论,许多科学家都试图去解释。比如说法国物理学家布里渊在年~年间发表过一系列论文,便是设想原子核周围的“以太”会因电子的运动激发一种波,这种波互相干涉,因而轨道半径是量子化的。
然而文科出身的德布罗意却没有这么多顾忌,他吸收布里渊的电子波动理论,却直接把以太的概念去掉,并且对原子理论进行深入探讨。
年9月至10月间,路易·维克多·德布罗意连续在《法国科学院通报》上发表了三篇有关波和量子的论文。分别提出实物粒子也有波粒二象性,并把这种假想的非物质波称为相波。他大胆把相波概念应用到以闭合轨道绕核运动的电子,推出了玻尔量子化条件。在第三篇题为“量子气体运动理论以及费马原理’的论文中,他进一步提出:“只有满足位相波谐振,才是稳定的轨道。”在第二年的博士论文中,他更明确地写下了:“谐振条件是l=nλ,即电子轨道的周长是位相波波长的整数倍。”
在第二篇关于光量子的衍射和干涉的论文中,德布罗意提出如下设想:“在一定情形中,任一运动质点能够被衍射。穿过一个相当小的开孔的电子群会表现出衍射现象。正是在这一方面,有可能寻得我们观点的实验验证。”
德布罗意的博士论文得到了答辩委员会的高度评价,就象许多资深的老教授对于年轻人的奇思妙想一样,虽然用的是赞赏的语气,鼓励年轻人继续研究,期待将来做出实用的贡献。他们却没有意识,这篇博士生论文将会引起物理学界的一场革命,而且,这篇论文提出的理论本身就是量子科学领域的巨大发现。
所以,在答辩会上,有人提问有没有办法验证这一新的理论。德布罗意回答说:“通过电子在晶体上的衍射实验,应当有可能观察到这种假定的波动的效应。”然而不巧的是,在他哥哥的实验室中,正好有一位实验物理学家道威利尔曾试图用阴极射线管做这样的实验,却因为没有成功,就放弃了。
所以,德布罗意的论文发表后,很自然地被科学家们忽略了。然而他的导师朗之万虽然也不能理解和认同学生的观点,却凭着科学家的求实和敏锐,感觉到这背后的价值,就亲自把德布罗意的论文寄了一份给爱因斯坦,没想到爱因斯坦看到后非常高兴。因为德布罗意把光的波料二象性理论往前推进了一大步,这是当年任何一个物理学家都不敢轻易设想的事情,不知道是初生牛犊不怕虎,还是文科生的直觉,总之,年轻的物理学博士竟然把光的波粒二象性推广到了运动粒子,也就是我们后来知道的德布罗意物质波的概念。
德布罗意竟然把爱因斯坦的质能方程和玻尔的能量公式联立,建立了物质波的新的公式,虽然看起来只是个简单的数学推导,但是这个假设在当年真的是惊世骇俗了。
德布罗意的论文把爱因斯坦的工作向前推进了一大步,因此得到了爱因斯坦的赞赏和推荐。他当时正在撰写有关量子统计的论文,就直接德布罗意工作的内容写入论文之中。他这么写道:“一个物质粒子或物质粒子系可以怎样用一个波场相对应,德布罗意先生已在一篇很值得注意的论文中指出了。”这样一来,德布罗意一下子名满天下。