После долгих размышлений в одиночестве и медитации, я внезапно получил идею в 1923 году, что открытие, сделанное Einstein в 1905 году, должно быть обобщено путем распространения его на все материальные частицы и особенно на электроны.
Louis Victor Pierre Raymond de Broglie, 7-й герцог de Broglie был французским физиком и аристократом, который внес выдающийся вклад в квантовую теорию. В своей докторской диссертации 1924 года он постулировал волновую природу электронов и предположил, что вся материя обладает волновыми свойствами. Эта концепция известна как гипотеза de Broglie, является примером волново-корпускулярного дуализма и составляет центральную часть теории квантовой механики.
De Broglie выиграл Нобелевскую премию по физике в 1929 году после того, как волновое поведение материи было впервые экспериментально продемонстрировано в 1927 году.
Модель направляющей волны 1925 года и волновое поведение частиц, открытое de Broglie, было использовано Erwin Schrödinger в его формулировке волновой механики. Модель и интерпретация направляющей волны были затем заброшены в пользу квантового формализма до 1952 года, когда они были заново открыты и усовершенствованы David Bohm.
Louis de Broglie был шестнадцатым членом, избранным на место 1 Académie française в 1944 году, и служил постоянным секретарем Французской академии наук. De Broglie стал первым учёным высокого уровня, призвавшим к созданию многонациональной лаборатории, предложение которого привело к созданию Европейской организации ядерных исследований CERN.
Биография
Происхождение и образование
Louis de Broglie принадлежал к известной аристократической семье Broglie, представители которой в течение нескольких столетий занимали важные военные и политические должности во Франции. Отец будущего физика, Louis-Alphonse-Victor, 5-й герцог de Broglie, был женат на Pauline d'Armaille, внучке наполеоновского генерала Philippe Paul, граф de Ségur. У них было пять детей; помимо Louis, это: Albertina 1872–1946, впоследствии маркиза de Luppé; Maurice 1875–1960, впоследствии известный экспериментальный физик; Philip 1881–1890, который умер за два года до рождения Louis, и Pauline, графиня de Pange 1888–1972, впоследствии известная писательница. Louis родился в Dieppe, Seine-Maritime. Как самый младший ребенок в семье, Louis рос в относительной изоляции, много читал, увлекался историей, особенно политической. С раннего детства у него была хорошая память, и он мог точно прочитать отрывок из театральной постановки или дать полный список министров Третьей республики Франции. Для него предсказывали великое будущее государственного деятеля.
De Broglie намеревался сделать карьеру в гуманитарных науках и получил свою первую степень в области истории. Затем он обратил свое внимание на математику и физику и получил степень в области физики. С началом Первой мировой войны в 1914 году он предложил свои услуги армии в развитии радиосвязи.
Военная служба
После окончания учебы Louis de Broglie в качестве простого сапера присоединился к инженерным войскам для прохождения обязательной службы. Она началась в Fort Mont Valérien, но вскоре, по инициативе его брата, он был назначен в Службу беспроводной связи и работал на Eiffel Tower, где находался радиопередатчик. Louis de Broglie оставался на военной службе на протяжении всей Первой мировой войны, занимаясь исключительно техническими вопросами. В частности, вместе с Leon Brillouin и братом Maurice он участвовал в установлении беспроводной связи с подводными лодками. Князь Louis был демобилизован в августе 1919 года в звании адъютанта. Позднее ученый сожалел, что ему пришлось провести около шести лет вдали от фундаментальных проблем науки, которые его интересовали.
Научная и педагогическая карьера
Его диссертация 1924 года Recherches sur la théorie des quanta Исследования на теорию квант представила его теорию электронных волн. Это включало теорию волново-корпускулярного дуализма материи, основанную на работе Max Planck и Albert Einstein по свету. Это исследование завершилось гипотезой de Broglie, в которой говорилось, что любая движущаяся частица или объект имеет связанную с ней волну. Таким образом, de Broglie создал новую область физики, мécanique ondulatoire, или волновую механику, объединяя физику энергетической волны и частицы материи. За это он выиграл Нобелевскую премию по физике в 1929 году.
На протяжении своей поздней карьеры de Broglie работал над разработкой причинного объяснения волновой механики, в противоположность чисто вероятностным моделям, которые доминируют в теории квантовой механики; она была уточнена David Bohm в 1950-х годах. С тех пор теория известна как теория De Broglie–Bohm.
Помимо строго научной работы, de Broglie размышлял и писал о философии науки, включая значение современных научных открытий.
De Broglie стал членом Académie des sciences в 1933 году и был постоянным секретарем академии с 1942 года. Его попросили присоединиться к Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais, но он отказался, потому что был нерелигиозен. 12 октября 1944 года он был избран в Académie Française, заменив математика Émile Picard. Из-за смертей и заключений членов Académie во время оккупации и других последствий войны, Académie не смогла выполнить кворум из двадцати членов для его избрания; однако, учитывая исключительные обстоятельства, его единогласное избрание семнадцатью присутствующими членами было принято. В событии, уникальном в истории Académie, он был принят в качестве члена его собственным братом Maurice, который был избран в 1934 году. ЮНЕСКО вручила ему первую премию Kalinga в 1952 году за его работу по популяризации научных знаний, и он был избран иностранным членом Royal Society 23 апреля 1953 года.
Louis стал 7-м герцогом de Broglie в 1960 году после смерти без наследника его старшего брата, Maurice, 6-го герцога de Broglie, также физика.
В 1961 году он получил титул Knight of the Grand Cross в Légion d'honneur. De Broglie была назначена на должность советника French High Commission of Atomic Energy в 1945 году за его усилия по сближению промышленности и науки. Он учредил центр прикладной механики в Henri Poincaré Institute, где проводились исследования оптики, кибернетики и атомной энергии. Он вдохновил создание International Academy of Quantum Molecular Science и был ранним членом. Его похороны состоялись 23 марта 1987 года в Church of Saint-Pierre-de-Neuilly.
Louis никогда не женился. Когда он умер в Louveciennes, его преемником как герцога стал дальний родственник, Victor-François, 8-й герцог de Broglie.
Научная деятельность
Физика рентгеновского излучения и фотоэлектрического эффекта
Первые работы Louis de Broglie в начале 1920-х годов были выполнены в лаборатории его старшего брата Maurice и касались особенностей фотоэлектрического эффекта и свойств рентгеновских лучей. Эти публикации изучали поглощение рентгеновских лучей и описывали это явление с использованием теории Bohr, применяли квантовые принципы к интерпретации спектров фотоэлектронов и давали систематическую классификацию рентгеновских спектров. Изучение рентгеновских спектров было важно для выяснения структуры внутренних электронных оболочек атомов; оптические спектры определяются внешними оболочками. Таким образом, результаты экспериментов, проведенных вместе с Alexandre Dauvillier, выявили недостатки существующих схем распределения электронов в атомах; эти трудности были устранены Edmund Stoner. Другим результатом было выяснение недостаточности формулы Sommerfeld для определения положения линий в рентгеновских спектрах; это несоответствие было устранено после открытия спина электрона. В 1925 и 1926 годах ленинградский физик Orest Khvolson номинировал братьев de Broglie на Нобелевскую премию за их работу в области рентгеновских лучей.
Материя и волново-корпускулярный дуализм
Изучая природу рентгеновского излучения и обсуждая его свойства со своим братом Maurice, который рассматривал эти лучи как некоторую комбинацию волн и частиц, способствовал осознанию Louis de Broglie необходимости построить теорию, связывающую представления о частицах и волнах. Кроме того, он был знаком с работами 1919–1922 годов Marcel Brillouin, которые предложили гидродинамическую модель атома и попытались связать ее с результатами теории Bohr. Отправной точкой в работе Louis de Broglie была идея A. Einstein о квантах света. В своей первой статье по этому вопросу, опубликованной в 1922 году, французский ученый рассмотрел излучение черного тела как газ световых квантов и, используя классическую статистическую механику, вывел закон радиации Wien в рамках такого представления. В своей следующей публикации он попытался согласовать концепцию световых квантов с явлениями интерференции и дифракции и пришел к выводу, что необходимо связать с квантами некоторую периодичность. В этом случае световые кванты интерпретировались им как релятивистские частицы очень малой массы.
Оставалось распространить волновые соображения на любые массивные частицы, и летом 1923 года произошел решающий прорыв. De Broglie изложил свои идеи в коротком примечании "Волны и кванты" французский: Ondes et quanta, представленном на заседании Paris Academy of Sciences 10 сентября 1923 года, что ознаменовало начало создания волновой механики. В этой работе ученый предположил, что движущаяся частица с энергией E и скоростью v характеризуется некоторым внутренним периодическим процессом с частотой E / h. Такая волна, которая позже получила название фазовой, или волны de Broglie, в процессе движения тела остается в фазе с внутренним периодическим процессом. Затем, рассмотрев движение электрона на замкнутой орбите, ученый показал, что требование согласования фаз непосредственно приводит к квантовому условию Bohr-Sommerfeld, то есть к квантованию углового момента. В следующих двух примечаниях, представленных на заседаниях 24 сентября и 8 октября соответственно, de Broglie пришел к выводу, что скорость частицы равна групповой скорости фазовых волн, и что частица движется по нормали к поверхностям равной фазы. В общем случае траектория частицы может быть определена с использованием принципа Fermat для волн или принципа наименьшего действия для частиц, что указывает на связь между геометрической оптикой и классической механикой.
Эта теория положила основу волновой механики. Она была поддержана Einstein, подтверждена экспериментами электронной дифракции G P Thomson и Davisson и Germer, и обобщена работой Schrödinger.
Однако это обобщение было статистическим и не было одобрено de Broglie, который сказал, что "идея того, что частица должна быть местом внутреннего периодического движения и что она должна двигаться в волне, чтобы оставаться в фазе с ней, была игнорирована фактическими физиками, которые неправильно рассматривают распространение волны без локализации частицы, что было совершенно противоречиво моим первоначальным идеям."
С философской точки зрения, эта теория материальных волн внесла большой вклад в разрушение атомизма прошлого. Первоначально de Broglie думал, что реальная волна, то есть имеющая прямую физическую интерпретацию, была связана с частицами. На самом деле, волновой аспект материи был формализован волновой функцией, определяемой уравнением Schrödinger, которое является чистой математической сущностью, имеющей вероятностную интерпретацию, без поддержки реальных физических элементов. Эта волновая функция создает видимость волнового поведения материи, не создавая реальных физических волн. Однако до конца своей жизни de Broglie вернулся к прямой и реальной физической интерпретации материальных волн, следуя работе David Bohm. Теория De Broglie–Bohm сегодня является единственной интерпретацией, придающей реальный статус материальным волнам и представляющей предсказания квантовой теории.
Гипотеза об внутренних часах электрона
В своей диссертации 1924 года de Broglie предположил, что электрон имеет внутренние часы, которые составляют часть механизма, посредством которого волна-направляющая направляет частицу. Впоследствии David Hestenes предложил связь с Zitterbewegung, который был предложен Erwin Schrödinger.
Хотя попытки проверить гипотезу о внутренних часах и измерить частоту часов до сих пор не являются окончательными, недавние экспериментальные данные, по крайней мере, совместимы с предположением de Broglie.
Ненулевость и изменчивость массы
По мнению de Broglie, нейтрино и фотон имеют массы покоя, которые ненулевые, хотя и очень низкие. То, что фотон не совсем без массы, требуется согласованностью его теории. Кстати, это отвержение гипотезы о безмассовом фотоне позволило ему усомниться в гипотезе расширения Вселенной.
Кроме того, он считал, что истинная масса частиц не является постоянной, а переменной, и что каждая частица может быть представлена как термодинамическая машина, эквивалентная циклическому интегралу действия.
Обобщение принципа наименьшего действия
Во второй части его диссертации 1924 года de Broglie использовал эквивалентность механического принципа наименьшего действия с оптическим принципом Fermat: "Принцип Fermat
