Nach langer Überlegung in Einsamkeit und Meditation hatte ich plötzlich die Idee, während des Jahres 1923, dass die Entdeckung, die Einstein 1905 gemacht hat, verallgemeinert werden sollte, indem man sie auf alle materiellen Teilchen und besonders auf Elektronen ausdehnt.
Louis Victor Pierre Raymond de Broglie, 7. duc de Broglie war ein französischer Physiker und Aristokrat, der bahnbrechende Beiträge zur Quantentheorie leistete. In seiner Doktorarbeit von 1924 postulierte er die Wellennatur von Elektronen und schlug vor, dass alle Materie Welleneigenschaften hat. Dieses Konzept ist als de-Broglie-Hypothese bekannt, ein Beispiel für Welle-Teilchen-Dualismus, und bildet einen zentralen Teil der Theorie der Quantenmechanik.
de Broglie gewann 1929 den Nobelpreis für Physik, nachdem das wellenartige Verhalten von Materie 1927 erstmals experimentell nachgewiesen wurde.
Das Pilot-Wellen-Modell von 1925 und das wellenartige Verhalten von Teilchen, das von de Broglie entdeckt wurde, wurde von Erwin Schrödinger in seiner Formulierung der Wellenmechanik verwendet. Das Pilot-Wellen-Modell und seine Interpretation wurden dann zugunsten des Quantenformalismus aufgegeben, bis 1952, als es von David Bohm wiederentdeckt und erweitert wurde.
Louis de Broglie war das sechzehnte Mitglied, das 1944 gewählt wurde, um Sitz 1 der Académie française zu besetzen, und diente als ständiger Sekretär der Französischen Akademie der Wissenschaften. de Broglie wurde der erste hochrangige Wissenschaftler, der sich für die Gründung eines multinationalen Labors aussprach, ein Vorschlag, der zur Gründung der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN führte.
Biografie
Herkunft und Ausbildung
Louis de Broglie gehörte zur berühmten aristokratischen Familie Broglie, deren Vertreter seit mehreren Jahrhunderten wichtige militärische und politische Positionen in Frankreich innehatten. Der Vater des zukünftigen Physikers, Louis-Alphonse-Victor, 5. duc de Broglie, war mit Pauline d'Armaille verheiratet, der Enkelin des napoleonischen Generals Philippe Paul, comte de Ségur. Sie hatten fünf Kinder; neben Louis waren dies: Albertina 1872–1946, später Marquise de Luppé; Maurice 1875–1960, später ein berühmter experimenteller Physiker; Philip 1881–1890, der zwei Jahre vor der Geburt von Louis starb, und Pauline, Comtesse de Pange 1888–1972, später eine berühmte Schriftstellerin. Louis wurde in Dieppe, Seine-Maritime geboren. Als jüngstes Kind der Familie wuchs Louis in relativer Einsamkeit auf, las viel und war von Geschichte, besonders von politischer Geschichte, begeistert. Seit seiner frühen Kindheit hatte er ein gutes Gedächtnis und konnte genau einen Auszug aus einer Theateraufführung lesen oder eine vollständige Liste der Minister der Dritten Republik Frankreichs geben. Für ihn wurde eine große Zukunft als Staatsmann vorhergesagt.
de Broglie hatte eine Karriere in den Geisteswissenschaften angestrebt und erhielt seinen ersten Abschluss in Geschichte. Danach wandte er seine Aufmerksamkeit Mathematik und Physik zu und erhielt einen Abschluss in Physik. Mit dem Ausbruch des Ersten Weltkriegs 1914 bot er seine Dienste der Armee in der Entwicklung von Funkkommunikation an.
Militärdienst
Nach seinem Abschluss trat Louis de Broglie als einfacher Pionier den Ingenieurtruppen bei, um seinen Pflichtdienst zu absolvieren. Es begann in Fort Mont Valérien, aber bald wurde er auf Initiative seines Bruders zum Wireless Communications Service abgeordnet und arbeitete am Eiffelturm, wo der Radiosender untergebracht war. Louis de Broglie blieb während des gesamten Ersten Weltkriegs im Militärdienst und befasste sich mit rein technischen Fragen. Insbesondere beteiligte er sich zusammen mit Leon Brillouin und seinem Bruder Maurice an der Einrichtung der Funkkommunikation mit U-Booten. Prinz Louis wurde im August 1919 mit dem Rang eines adjudant entlassen. Später bedauerte der Wissenschaftler, dass er etwa sechs Jahre von den grundlegenden wissenschaftlichen Problemen, die ihn interessierten, entfernt verbringen musste.
Wissenschaftliche und pädagogische Karriere
Seine Doktorarbeit von 1924 Recherches sur la théorie des quanta Forschung zur Theorie der Quanta führte seine Theorie der Elektronenwellen ein. Dies beinhaltete die Welle-Teilchen-Dualitätstheorie der Materie, basierend auf der Arbeit von Max Planck und Albert Einstein über Licht. Diese Forschung gipfelte in der de-Broglie-Hypothese, die besagt, dass jedes sich bewegende Teilchen oder Objekt eine damit verbundene Welle hat. de Broglie schuf damit ein neues Gebiet der Physik, die mécanique ondulatoire oder Wellenmechanik, die die Physik der Energiewelle und des Materieteilchens vereinigt. Dafür erhielt er 1929 den Nobelpreis für Physik.
In seiner späteren Karriere arbeitete de Broglie daran, eine kausale Erklärung der Wellenmechanik zu entwickeln, im Gegensatz zu den rein probabilistischen Modellen, die die Quantenmechanik dominieren; es wurde von David Bohm in den 1950er Jahren verfeinert. Die Theorie ist seitdem als De-Broglie-Bohm-Theorie bekannt.
Neben streng wissenschaftlicher Arbeit dachte und schrieb de Broglie über die Philosophie der Wissenschaft, einschließlich des Wertes moderner wissenschaftlicher Entdeckungen.
de Broglie wurde 1933 Mitglied der Académie des sciences und war von 1942 an deren ständiger Sekretär. Er wurde aufgefordert, dem Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais beizutreten, lehnte aber ab, da er nicht religiös war. Am 12. Oktober 1944 wurde er in die Académie Française gewählt und ersetzte den Mathematiker Émile Picard. Aufgrund der Todesfälle und Verhaftungen von Akademiemitgliedern während der Besatzung und anderer Auswirkungen des Krieges konnte die Académie das Quorum von zwanzig Mitgliedern für seine Wahl nicht erfüllen; aufgrund der außergewöhnlichen Umstände wurde jedoch seine einstimmige Wahl durch die anwesenden siebzehn Mitglieder akzeptiert. In einem in der Geschichte der Académie einzigartigen Ereignis wurde er als Mitglied von seinem eigenen Bruder Maurice aufgenommen, der 1934 gewählt worden war. UNESCO verlieh ihm 1952 den ersten Kalinga-Preis für seine Arbeit zur Verbreitung wissenschaftlichen Wissens, und er wurde am 23. April 1953 zum ausländischen Mitglied der Royal Society gewählt.
Louis wurde 1960 nach dem Tod seines älteren Bruders Maurice, 6. duc de Broglie, ohne Erbe, zum 7. duc de Broglie. Maurice war ebenfalls Physiker.
1961 erhielt er den Titel eines Ritters des Großkreuzes in der Légion d'honneur. de Broglie wurde 1945 für seine Bemühungen, Industrie und Wissenschaft näher zusammenzubringen, als Berater der Französischen Hohen Kommission für Atomenergie eingestellt. Er gründete ein Zentrum für angewandte Mechanik am Henri-Poincaré-Institut, wo Forschungen in den Bereichen Optik, Kybernetik und Atomenergie durchgeführt wurden. Er inspirierte die Bildung der Internationalen Akademie der Quantenmolekularen Wissenschaft und war ein frühes Mitglied. Sein Begräbnis fand am 23. März 1987 in der Kirche Saint-Pierre-de-Neuilly statt.
Louis heiratete nie. Als er in Louveciennes starb, wurde er als Herzog von einem entfernten Cousin, Victor-François, 8. duc de Broglie, abgelöst.
Wissenschaftliche Tätigkeit
Physik der Röntgenstrahlung und des photoelektrischen Effekts
Die ersten Arbeiten von Louis de Broglie in den frühen 1920er Jahren wurden im Labor seines älteren Bruders Maurice durchgeführt und befassten sich mit den Merkmalen des photoelektrischen Effekts und den Eigenschaften von Röntgenstrahlen. Diese Veröffentlichungen untersuchten die Absorption von Röntgenstrahlen und beschrieben dieses Phänomen unter Verwendung der Bohr-Theorie, wandten Quantenprinzipien auf die Interpretation von Photoelektronenspektren an und gaben eine systematische Klassifizierung von Röntgenspektren. Die Studien der Röntgenspektren waren wichtig für die Aufklärung der Struktur der inneren Elektronenschalen von Atomen; optische Spektren werden durch die äußeren Schalen bestimmt. So zeigten die Ergebnisse von Experimenten, die zusammen mit Alexandre Dauvillier durchgeführt wurden, die Mängel der vorhandenen Schemata für die Verteilung von Elektronen in Atomen; diese Schwierigkeiten wurden von Edmund Stoner beseitigt. Ein weiteres Ergebnis war die Aufklärung der Unzulänglichkeit der Sommerfeld-Formel zur Bestimmung der Position von Linien in Röntgenspektren; dieser Widerspruch wurde nach der Entdeckung des Elektronenspins beseitigt. 1925 und 1926 nominierten der Leningrader Physiker Orest Khvolson die de-Broglie-Brüder für den Nobelpreis für ihre Arbeit auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen.
Materie und Welle-Teilchen-Dualismus
Bei der Untersuchung der Natur der Röntgenstrahlung und der Diskussion ihrer Eigenschaften mit seinem Bruder Maurice, der diese Strahlen als eine Art Kombination von Wellen und Teilchen ansah, trug dies zu Louis de Broglies Bewusstsein der Notwendigkeit bei, eine Theorie zu entwickeln, die Teilchen- und Wellendarstellungen verknüpft. Darüber hinaus war er mit den Arbeiten 1919–1922 von Marcel Brillouin vertraut, die ein hydrodynamisches Modell eines Atoms vorschlugen und versuchten, es mit den Ergebnissen der Bohr-Theorie zu verknüpfen. Der Ausgangspunkt in der Arbeit von Louis de Broglie war die Idee von A. Einstein über die Quanten des Lichts. In seinem ersten Artikel zu diesem Thema, veröffentlicht 1922, betrachtete ein französischer Wissenschaftler die Schwarzkörperstrahlung als ein Gas von Lichtquanten und leitete unter Verwendung der klassischen statistischen Mechanik das Wiensche Strahlungsgesetz im Rahmen einer solchen Darstellung ab. In seiner nächsten Veröffentlichung versuchte er, das Konzept der Lichtquanten mit den Phänomenen der Interferenz und Diffraktion zu vereinbaren und kam zu dem Schluss, dass es notwendig war, mit Quanten eine bestimmte Periodizität zu verbinden. In diesem Fall interpretierte er Lichtquanten als relativistische Teilchen mit sehr geringer Masse.
Es blieb, die Wellenüberlegungen auf massive Teilchen auszudehnen, und im Sommer 1923 kam es zu einem entscheidenden Durchbruch. de Broglie skizzierte seine Ideen in einer kurzen Notiz „Wellen und Quanten" Französisch: Ondes et quanta, die auf einer Sitzung der Pariser Akademie der Wissenschaften am 10. September 1923 präsentiert wurde, was den Beginn der Schaffung der Wellenmechanik markierte. In dieser Arbeit schlug der Wissenschaftler vor, dass ein sich bewegendes Teilchen mit Energie E und Geschwindigkeit v durch einen inneren periodischen Prozess mit einer Frequenz E / h charakterisiert ist. Eine solche Welle, die später den Namen Phase oder de-Broglie-Welle erhielt, bleibt während der Körperbewegung mit dem inneren periodischen Prozess in Phase. Nach der Untersuchung der Bewegung eines Elektrons auf einer geschlossenen Umlaufbahn zeigte der Wissenschaftler, dass die Anforderung der Phasenübereinstimmung direkt auf die quantenmechanische Bohr-Sommerfeld-Bedingung führt, das heißt, zum Quantisieren des Drehimpulses. In den nächsten zwei Notizen, die auf Sitzungen am 24. September bzw. 8. Oktober gemeldet wurden, kam de Broglie zu dem Schluss, dass die Teilchengeschwindigkeit gleich der Gruppengeschwindigkeit von Phasenwellen ist und sich das Teilchen entlang der Normalen zu Flächen gleicher Phase bewegt. Im allgemeinen Fall kann die Flugbahn eines Teilchens unter Verwendung des Fermatschen Prinzips für Wellen oder des Prinzips der kleinsten Wirkung für Teilchen bestimmt werden, was eine Verbindung zwischen geometrischer Optik und klassischer Mechanik anzeigt.
Diese Theorie bildet die Grundlage der Wellenmechanik. Sie wurde von Einstein unterstützt, durch die Elektronendiffraktionsexperimente von G P Thomson sowie von Davisson und Germer bestätigt und durch die Arbeiten von Schrödinger verallgemeinert.
Diese Verallgemeinerung war jedoch statistisch und wurde von de Broglie nicht gebilligt, der sagte, „dass das Teilchen der Sitz eines inneren periodischen Bewegungsvorgangs sein muss und dass es sich in einer Welle bewegen muss, um mit ihm in Phase zu bleiben, wurde von den tatsächlichen Physikern ignoriert, die zu Unrecht eine Wellenausbreitung ohne Lokalisierung des Teilchens betrachten, was ganz dem Gegenteil meiner ursprünglichen Ideen entspricht."
Aus philosophischer Sicht hat diese Theorie der Materiewellen stark zum Untergang des Atomismus der Vergangenheit beigetragen. Ursprünglich dachte de Broglie, dass eine echte Welle, das heißt, eine direkte physikalische Interpretation hatte, mit Teilchen verbunden war. Tatsächlich wurde der Wellenaspekt der Materie durch eine Wellenfunktion formalisiert, die durch die Schrödinger-Gleichung definiert ist, die eine reine mathematische Entität mit probabilistischer Interpretation ist, ohne die Unterstützung echter physikalischer Elemente. Diese Wellenfunktion gibt der Materie das Aussehen eines Wellenverhaltens, ohne echte physikalische Wellen zu erzeugen. Jedoch kehrte de Broglie bis zu seinem Lebensende zu einer direkten und echten physikalischen Interpretation von Materiewellen zurück, folgend der Arbeit von David Bohm. Die de-Broglie-Bohm-Theorie ist heute die einzige Interpretation, die Materiewellen einen echten Status verleiht und die Vorhersagen der Quantentheorie darstellt.
Vermutung einer inneren Uhr des Elektrons
In seiner Doktorarbeit von 1924 vermutete de Broglie, dass das Elektron eine innere Uhr hat, die Teil des Mechanismus ist, durch den eine Pilotwelle ein Teilchen führt. Anschließend hat David Hestenes einen Link zum Zitterbewegung vorgeschlagen, der von Erwin Schrödinger vorgeschlagen wurde.
Während Versuche, die Hypothese der inneren Uhr zu verifizieren und die Uhrfrequenz zu messen, bisher nicht schlüssig sind, sind die neuesten experimentellen Daten zumindest mit de Broglies Vermutung kompatibel.
Nicht-Nullität und Variabilität der Masse
Nach de Broglie haben das Neutrino und das Photon Ruhemassen, die nicht null sind, obwohl sehr niedrig. Dass ein Photon nicht ganz masselos ist, wird durch die Kohärenz seiner Theorie erzwungen. Übrigens ermöglichte diese Ablehnung der Hypothese eines masselosen Photons ihm, die Hypothese der Expansion des Universums in Frage zu stellen.
Darüber hinaus glaubte er, dass die wahre Masse von Teilchen nicht konstant, sondern variabel ist, und dass jedes Teilchen als eine thermodynamische Maschine dargestellt werden kann, die einem zyklischen Integral der Wirkung entspricht.
Verallgemeinerung des Prinzips der kleinsten Wirkung
Im zweiten Teil seiner Doktorarbeit von 1924 verwendete de Broglie die Äquivalenz des mechanischen Prinzips der kleinsten Wirkung mit Fermats optischem Prinzip: „Fermats Prinzip a
