低調(diào)的物質(zhì)波理論創(chuàng)立者：德布羅意

王江山

論出身，他是聲名顯赫的貴族，繼承著兩個(gè)爵位;

論學(xué)業(yè)，他因?yàn)樽约涸诋厴I(yè)論文里提出的理論而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);

論事業(yè)，他人生絕大部分時(shí)間從事物理學(xué)研究，但同時(shí)又是一位文學(xué)和歷史學(xué)者。

——這就是量子力學(xué)的奠基人之一路易·維克多·德布羅意（Louis Victor de Broglie）。他雖出身貴族，卻一生簡(jiǎn)樸，平易近人，將畢生奉獻(xiàn)給了科學(xué)事業(yè)。最令人驚訝的是，這位譽(yù)滿全球的物理學(xué)家，曾經(jīng)是一位“文科生”，他是怎樣完成人生轉(zhuǎn)變的呢？

出身貴族，鐘愛(ài)科學(xué)

1892年，路易·維克多·德布羅意出生于法國(guó)塞納河沿岸的一個(gè)顯赫貴族家庭，是第五公爵維克多的小兒子。他的哥哥莫里斯是一位科學(xué)愛(ài)好者，這深刻影響了少年時(shí)的德布羅意。但當(dāng)時(shí)的上流社會(huì)非常傳統(tǒng)保守，很多貴族認(rèn)為科學(xué)只是一種游樂(lè)活動(dòng)，所以公爵家還是按照政治家的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)培養(yǎng)他們兄弟。在德布羅意才幾歲時(shí)，家中就請(qǐng)虔誠(chéng)的基督徒教師為他講授神學(xué)和法學(xué)，德布羅意有過(guò)目不忘的天賦，時(shí)常能大段背誦自己看過(guò)的文章。父親對(duì)德布羅意寄予厚望，希望他能繼承自己的職位步入政壇。

德布羅意就在這樣的環(huán)境中長(zhǎng)大，大家都以為他會(huì)不負(fù)家族的期望成為一名政治家或歷史學(xué)家，可他卻在初次接觸數(shù)學(xué)和哲學(xué)后，深深被吸引，他如饑似渴地閱讀各類(lèi)科學(xué)書(shū)籍。1911年10月，國(guó)際著名的索爾維物理學(xué)會(huì)議在布魯塞爾舉行，這次會(huì)議的主題是“輻射與量子論”。普朗克、愛(ài)因斯坦、居里夫人、朗之萬(wàn)……當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的大佬們齊聚一堂，討論最前沿的科學(xué)問(wèn)題，而德布羅意的哥哥莫里斯正是這次大會(huì)的學(xué)術(shù)秘書(shū)和編輯，他因此得到了該次會(huì)議的全部文獻(xiàn)，并帶回家和弟弟一起閱讀，這更加激發(fā)了德布羅意對(duì)科學(xué)的興趣。但他還是堅(jiān)持完成了歷史學(xué)的本科教育，之后不久，他轉(zhuǎn)入巴黎大學(xué)理學(xué)院自然系學(xué)物理，從一個(gè)“文科生”變成了“理科生”。

風(fēng)華正茂，一鳴驚人

第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，德布羅意開(kāi)始在著名物理學(xué)家朗之萬(wàn)門(mén)下攻讀理論物理博士學(xué)位。從此，他正式步入了物理的殿堂。

德布羅意在物理學(xué)方面有著天然的優(yōu)勢(shì)—他的哥哥莫里斯有自己的實(shí)驗(yàn)室，他可以和哥哥經(jīng)常在那里從事X射線研究。有一次，在做X射線的衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，X射線看起來(lái)既是波又是粒子，具有波、粒雙重性質(zhì)。德布羅意敏銳地意識(shí)到，這不僅僅是雙重屬性那么簡(jiǎn)單，這可能意味著輻射也具有波動(dòng)性。

長(zhǎng)久以來(lái)，人們一直認(rèn)為像電子這樣的粒子擁有粒子性是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，而?duì)它波動(dòng)的性質(zhì)卻知之甚少。貫穿于科學(xué)發(fā)展始終的，還有一個(gè)著名的爭(zhēng)論：光到底是波還是粒子？

這時(shí)候，德布羅意曾經(jīng)的研究經(jīng)驗(yàn)派上了用場(chǎng)：他決心梳理一下前人的研究，看看能否找到規(guī)律。1900年，普朗克在研究黑體輻射時(shí)提出“量子化”概念;1905年，愛(ài)因斯坦提出“光量子”概念;1918年，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾又提出軌道量子化的說(shuō)法（這成功地解釋了氫原子光譜）……理論越來(lái)越多，真相卻越發(fā)撲朔迷離。而此時(shí)，德布羅意注意到法國(guó)科學(xué)家布里淵的一個(gè)設(shè)想：原子核周?chē)嬖谥粚右蕴娮釉谄渲羞\(yùn)動(dòng)，激發(fā)一種波，這種波相互干涉，在電子軌道半徑適當(dāng)時(shí)，在原子核周?chē)纬神v波。

德布羅意閱讀了大量文獻(xiàn)，并開(kāi)始反向思考：如果光量子也具有波動(dòng)性，那么又會(huì)怎么樣？接著，他又將目光轉(zhuǎn)向力學(xué)，提出了一個(gè)獨(dú)特的設(shè)想：物質(zhì)的波動(dòng)方面與粒子方面應(yīng)該是統(tǒng)一的。他在回憶時(shí)寫(xiě)道：“……對(duì)于物質(zhì)和輻射，尤其是光，需要同時(shí)引進(jìn)微粒概念和波動(dòng)概念！”1922年，德布羅意借助于熱力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)和電子理論的方法，采用光的量子假說(shuō)，導(dǎo)出了維恩位移定律。1923年，在不到一個(gè)月的時(shí)間里，他就在《法國(guó)科學(xué)院通報(bào)》上連續(xù)發(fā)表了3篇論文：《輻射—波和量子》《光學(xué)—光量子、衍射和干涉》和《物理學(xué)—量子、氣體運(yùn)動(dòng)理論和費(fèi)馬原理》，這3篇文章奠定了德布羅意波的雛形。德布羅意還闡述了自己的“新力學(xué)”和以往的“舊理論”（包括牛頓和愛(ài)因斯坦的動(dòng)力學(xué)）之間的關(guān)系。但那時(shí)他無(wú)法想象，自己的設(shè)想會(huì)掀起怎樣的狂瀾。

一篇畢業(yè)論文，一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)

1924年，德布羅意終于要博士畢業(yè)了。他將自己的研究整理成文，作為答辯論文，還將文章給愛(ài)因斯坦寄去，沒(méi)想到得到了如此評(píng)價(jià)：“他揭開(kāi)了自然界巨大面罩的一角”“天才的一筆”。

德布羅意在博士論文中正式提出了在量子領(lǐng)域中所有實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性的假設(shè)，他將這種波稱(chēng)為相位波（現(xiàn)稱(chēng)為德布羅意波）：“任何運(yùn)動(dòng)著的物體都伴隨著一種波動(dòng)，而且不可能將物體的運(yùn)動(dòng)和波的傳播分開(kāi)。存在相位波是物體的能量和動(dòng)量同時(shí)滿足量子條件和相對(duì)論關(guān)系的必然結(jié)果?！薄拔艺J(rèn)為幾何光學(xué)和動(dòng)力學(xué)的這兩個(gè)重要原理之間的深刻關(guān)系的這個(gè)思想，可以作為將波和量子綜合起來(lái)的重要指南?！?p>

這篇論文的見(jiàn)解雖然非常大膽新奇，但還是獲得了一致通過(guò)，并被傳播到了歐洲各個(gè)大學(xué)的物理系，以至于深刻影響了另一位物理學(xué)大家薛定諤。后來(lái)薛定諤在德布羅意的理論的啟發(fā)下創(chuàng)立了波動(dòng)力學(xué)，使量子理論研究有了新進(jìn)展。

1927年，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家克林頓·約瑟夫·戴維孫和雷斯特·革末重新做了鎳對(duì)電子的散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子被散射后出現(xiàn)類(lèi)似光的干涉、衍射圖樣;幾乎就在同時(shí)，英國(guó)物理學(xué)家喬治·佩杰特·湯姆生在觀察電子束通過(guò)薄金箔時(shí)也觀察到圓環(huán)條紋……這些實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了德布羅意“電子具有波動(dòng)性”的假設(shè)。1929年，德布羅意因畢業(yè)論文中的“電子具有波動(dòng)性”理論而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他的理論被視為波動(dòng)力學(xué)一般理論的基礎(chǔ)，改變了人們從原子層面認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象的歷史。曾經(jīng)的“文科生”德布羅意，就這樣走上了物理學(xué)的巔峰。

簡(jiǎn)樸一生，默默耕耘

年少成名之后，德布羅意并沒(méi)有驕傲自滿，而是開(kāi)始了教學(xué)工作。自1932年起，他開(kāi)始擔(dān)任巴黎大學(xué)理學(xué)院理論物理系主任，并且每年都在巴黎大學(xué)的亨利·龐加萊研究所開(kāi)設(shè)一門(mén)不同學(xué)科的課程，培養(yǎng)了很多位博士，許多法國(guó)和外國(guó)的學(xué)生都參與過(guò)他的研究。

從1930年到1950年，德布羅意主要致力于波動(dòng)力學(xué)的各種擴(kuò)展研究：狄拉克的電子理論、新的光理論、粒子的自旋的一般理論、波動(dòng)力學(xué)在核物理中的應(yīng)用等。他在這方面發(fā)表了數(shù)篇筆記和論文，并在他特別感興趣的領(lǐng)域出版了超過(guò)25本的著作。德布羅意在物理領(lǐng)域的默默耕耘使他獲得諸多榮譽(yù)：1933年，當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院院士;1952年，被聯(lián)合國(guó)教科文組織授予首屆卡林加獎(jiǎng);1956年，獲得法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，以表彰他向非?zhuān)業(yè)人員普及現(xiàn)代物理學(xué)所作出的不懈努力。1987年，他安詳離世，享年95歲。

德布羅意是高貴的親王，卻連私人汽車(chē)都不愿購(gòu)買(mǎi);他賣(mài)掉世襲的豪宅，居住于平民小屋，過(guò)著深居簡(jiǎn)出的日子……這位最初鉆研“文史”的學(xué)生，卻因興趣最終成為一位物理學(xué)大師。雖然如今這樣的成功已經(jīng)很難復(fù)制，但他的故事卻啟迪我們：真正的熱愛(ài)可以激發(fā)起多么強(qiáng)大的潛能。

（責(zé)任編輯/江盼? 美術(shù)編輯/胡美巖）