经过长期独自思考和冥想,我在1923年突然产生了一个想法:爱因斯坦在1905年所做的发现应该得到推广,将其扩展到所有物质粒子,特别是电子。
Louis Victor Pierre Raymond de Broglie,Broglie公爵第七任是一位法国物理学家和贵族,对量子论做出了开创性贡献。在他1924年的博士学位论文中,他假设了电子的波动性质,并建议所有物质都具有波的性质。这个概念被称为德布罗意假说,是波粒二象性的一个例子,构成了量子力学理论的中心部分。
德布罗意因在1927年物质的波性行为首次被实验证明后,于1929年获得了诺贝尔物理学奖。
1925年的导波模型和德布罗意发现的粒子的波状行为被Erwin Schrödinger用于他的波动力学公式中。导波模型和解释随后被放弃,转而采用量子形式,直到1952年它才被David Bohm重新发现和完善。
Louis de Broglie在1944年当选法国学术院(Académie française)第一席位的第十六位成员,并担任法国科学院常任秘书。德布罗意成为第一位呼吁建立多国实验室的高级科学家,这一提议导致了欧洲核研究组织CERN的成立。
传记
出身与教育
Louis de Broglie属于著名的Broglie贵族家族,其代表人物几个世纪以来在法国占据了重要的军事和政治职位。这位未来物理学家的父亲Louis-Alphonse-Victor,Broglie公爵第五任,娶了Pauline d'Armaille为妻,她是拿破仑时代将军Philippe Paul, comte de Ségur的孙女。他们有五个孩子;除了Louis外,还有:Albertina 1872–1946,后来成为Luppé侯爵夫人;Maurice 1875–1960,后来成为著名的实验物理学家;Philip 1881–1890,在Louis出生前两年死亡;以及Pauline, Comtesse de Pange 1888–1972,后来成为著名作家。Louis出生在Dieppe,Seine-Maritime。作为家中最小的孩子,Louis在相对孤独中长大,读了很多书,喜欢历史,尤其是政治历史。从童年早期,他就有很好的记忆力,能够准确朗读戏剧作品的片段或列出法国第三共和国的完整内阁名单。人们预言他将来会成为伟大的政治家。
德布罗意原本打算从事人文学科的工作,获得了他的第一个历史学学位。之后他把注意力转向数学和物理学,获得了物理学学位。1914年第一次世界大战爆发后,他主动为军队提供服务,参与了无线电通信的发展工作。
军事服役
毕业后,Louis de Broglie作为普通工兵加入工程部队进行强制服役。它开始于Mont Valérien堡垒,但不久,在他哥哥的倡议下,他被调到无线电通信服务部门,在埃菲尔铁塔工作,那里有无线电发射机。Louis de Broglie在第一次世界大战期间一直服役,处理纯技术问题。特别是,他与Leon Brillouin和哥哥Maurice一起参与了与潜艇的无线电通信的建立。路易王子于1919年8月以adjudant军衔退役。后来,这位科学家遗憾地发现他不得不花费约六年时间远离他所感兴趣的科学基础问题。
科学和教学生涯
他1924年的论文Recherches sur la théorie des quanta《量子论研究》介绍了他的电子波理论。这包括基于Max Planck和Albert Einstein在光方面工作基础上的物质波粒二象性理论。这项研究的最终成果是德布罗意假说,声称任何运动的粒子或物体都有相关的波。德布罗意由此在物理学中创造了一个新的领域,即mécanique ondulatoire(波动力学),统一了能量波和物质粒子的物理学。因此他在1929年获得了诺贝尔物理学奖。
在他后来的职业生涯中,德布罗意致力于发展波动力学的因果解释,与主导量子力学理论的完全概率性模型相对。它在1950年代被David Bohm完善了。该理论自此被称为德布罗意-玻姆理论。
除了严格的科学工作外,德布罗意还思考并撰写了有关科学哲学的著作,包括现代科学发现的价值。
德布罗意于1933年成为Académie des sciences(科学院)的成员,并从1942年起担任该学院的常任秘书。有人请他加入Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais(法国天主教科学家联盟委员会),但他因为非宗教信仰而拒绝了。1944年10月12日,他当选Académie Française(法国学术院),接替数学家Émile Picard。由于占领期间Académie成员的死亡和监禁以及战争的其他影响,Académie无法达到他当选所需的二十位成员的法定人数;然而,由于特殊情况,他由在场的十七位成员全票通过的当选被接受了。在Académie历史上独有的事件中,他由他自己的哥哥Maurice接待为成员,Maurice于1934年当选。联合国教科文组织于1952年因他在普及科学知识方面的工作向他颁发了第一个Kalinga奖,他于1953年4月23日当选为皇家学会的外国会员。
1960年,由于他没有继承人的长兄Maurice, 6th duc de Broglie(也是一位物理学家)去世,Louis成为Broglie公爵第七任。
1961年,他获得了Légion d'honneur(荣誉军团)大十字勋章的头衔。德布罗意因在使工业和科学更加紧密联系方面的努力,于1945年被授予法国原子能高级委员会顾问的职位。他在Henri Poincaré研究所建立了应用力学中心,该中心进行了光学、控制论和原子能方面的研究。他推动了国际量子分子科学学院的成立,并是其早期成员。他的葬礼于1987年3月23日在Saint-Pierre-de-Neuilly教堂举行。
Louis终身未婚。他在Louveciennes去世时,由远房表亲Victor-François, 8th duc de Broglie继承了公爵之位。
科学活动
X射线和光电效应的物理学
Louis de Broglie在20世纪20年代初的第一批研究工作是在他的哥哥Maurice的实验室进行的,涉及光电效应的特征和X射线的性质。这些出版物研究了X射线的吸收,并使用Bohr理论描述了这一现象,将量子原理应用于光电子谱的解释,并给出了X射线谱的系统分类。X射线谱的研究对于阐明原子内部电子壳层的结构很重要,光谱由外壳决定。因此,与Alexandre Dauvillier进行的实验结果揭示了原子中电子分布的现有方案的不足;这些困难后来由Edmund Stoner消除了。另一个结果是阐明了Sommerfeld公式对确定X射线谱中谱线位置的不足之处;这一差异在发现电子自旋后得到了消除。1925年和1926年,列宁格勒物理学家Orest Khvolson因德布罗意兄弟在X射线领域的工作为他们提名了诺贝尔奖。
物质和波粒二象性
在研究X射线辐射的性质并与他的哥哥Maurice讨论其性质的过程中,Maurice认为这些射线是波和粒子的某种组合,这有助于Louis de Broglie意识到需要建立一个连接粒子和波表示的理论。此外,他熟悉Marcel Brillouin在1919-1922年间的工作,该工作提出了原子的流体动力学模型,并试图将其与Bohr理论的结果联系起来。Louis de Broglie工作的出发点是A. Einstein关于光量子的观点。在他关于这个主题的第一篇论文中,发表于1922年,这位法国科学家将黑体辐射视为光子气体,并使用经典统计力学推导出了这种表示框架内的Wien辐射定律。在他的下一个出版物中,他试图协调光子的概念与干涉和衍射现象,并得出结论,有必要将某种周期性与光子相关联。在这种情况下,光子被他解释为非常小质量的相对论粒子。
剩下的是将波的考虑扩展到任何大质量粒子,在1923年夏天发生了决定性突破。德布罗意在一份简短的笔记"Waves and quanta"(French: Ondes et quanta)中概述了他的想法,这份笔记在1923年9月10日的巴黎科学院会议上提出,标志着波动力学创建的开始。在这篇论文中,科学家建议一个具有能量E和速度v的运动粒子的特征是某个内部周期过程,频率为E/h。这样一个波,后来被称为相波或德布罗意波,在物体运动的过程中与内部周期过程保持同相。然后,检查了电子在闭合轨道中的运动,科学家表明相匹配的要求直接导致了量子Bohr-Sommerfeld条件,即角动量的量子化。在随后分别在9月24日和10月8日的会议上报告的两份笔记中,德布罗意得出结论,粒子速度等于相波的群速,粒子沿着等相面的法线运动。在一般情况下,粒子的轨迹可以使用Fermat的波原理或粒子的最小作用原理来确定,这表明了几何光学和经典力学之间的联系。
这个理论为波动力学奠定了基础。它得到了Einstein的支持,得到了G P Thomson和Davisson及Germer的电子衍射实验的证实,并被Schrödinger的工作推广了。
然而,这种推广是统计性的,并且没有得到德布罗意的认可,他说"粒子必须是内部周期运动的所在地,它必须在波中运动以与之保持同相被当时的物理学家所忽视,他们错误地认为波的传播可以没有粒子的定位,这与我最初的想法完全相反。"
从哲学角度来看,这个物质波理论对过去的原子论的破坏做出了很大贡献。最初,德布罗意认为真实的波,即具有直接物理解释的波与粒子相关联。实际上,物质的波动方面被由Schrödinger方程定义的波函数形式化了,这是一个纯数学实体,具有概率解释,没有真实物理元素的支持。这个波函数给物质一个波行为的外观,而不产生真实的物理波。然而,直到生命的最后,德布罗意仍然回到了物质波的直接和真实物理解释,遵循David Bohm的工作。德布罗意-玻姆理论今天是唯一给予物质波真实地位并代表量子论预测的解释。
电子内部时钟的猜想
在他1924年的论文中,德布罗意推测电子有一个内部时钟,它构成了导波引导粒子的机制的一部分。随后,David Hestenes提出了与Erwin Schrödinger建议的Zitterbewegung的联系。
虽然验证内部时钟假说和测量时钟频率的尝试迄今为止还不确定,但最近的实验数据至少与德布罗意的猜想是相容的。
质量的非零性和可变性
根据德布罗意的观点,中微子和光子具有非零但非常小的静止质量。光子不完全无质量是由他的理论的一致性决定的。顺便说一句,这种对无质量光子假说的否定使他能够质疑宇宙膨胀的假说。
此外,他认为粒子的真实质量不是常数,而是可变的,每个粒子都可以表示为一个等效于作用的循环积分的热力学机器。
最小作用原理的推广
在他1924年论文的第二部分中,德布罗意使用了力学最小作用原理与Fermat光学原理的等价性:"Fermat原理
