路易斯·維克多·德布羅意（Louls－Victor de Broglie 1892－1987）是法國著名理論物理學家，物質波理論的創立者．德布羅意主要從事理論物理、尤其是關於量子問題的研究，他在該領域取得的重大研究成果為現代物理的發展做出了傑出的貢獻．1924年11月，德布羅意在博士論文中闡述了著名的物質波理論，並指出電子的波動性．這一理論為建立波動力學奠定了堅實基礎．由於這一划時代的研究成果，使他獲得1929年的諾貝爾物理學獎，同時也使他成為第一個以學位論文獲得諾貝爾獎金的學者。
基本介紹
- 中文名：路易斯·維克多·德布羅意
- 外文名：Louis de Broglie
- 出生日期：1892
- 逝世日期：1987
生平簡介,科學生涯,科學成就,物質波理論,物質波的驗證,
生平簡介
路易斯·德布羅意 出生在法國一個顯赫的貴族家庭。中學畢業後進入巴黎大學攻讀歷史，1910年獲得歷史學碩士學位。在他哥哥、著名的X射線物理學家莫里斯·德布羅意(Maurice de Broglie,1875～1960)的影響下，對物理學產生了濃厚的興趣，並在他哥哥的私人實驗室里進行物理學的研究工作。特別是在閱讀了第一屆索爾維會議的學術報告和論文後，就下決心去弄清楚普朗克引入的量子概念的真正本性。在獲得了科學碩士學位後，他的研究工作被第一次世界大戰所打斷。大戰結束後，他又繼續從事物理學的研究工作，並在朗之萬(Paul Langevin,1872～1946)的指導下攻讀博士學位。1924年獲巴黎大學博士學位，在博士論文中首次提出了“物質波”概念。1926年起在巴黎大學任教，1932年任巴黎大學理學院理論物理學教授，1933年被選為法國科學院院士，1942年起任該院常任秘書。1945年莫里斯和路易斯·德布羅意兄弟倆被任命為法國原子能高等委員會顧問，他們對原子能的和平發展以及加強科學和工業的聯繫深感興趣。作為科學院的終身秘書，德布羅意強烈要求該機構考慮熱核爆炸的有害後果。1962年退休。
科學生涯
德布羅意從18歲開始在巴黎大學學習理論物理，但是因為打算沿其家族傳統，以後從事外交活動，他也學習歷史，並且於1909年獲得歷史學位．由於他哥哥（M．德布羅意）是一位實驗物理學家，擁有設備精良的私人實驗室，從事物理實驗研究．因而德布羅意在學習歷史的二象性。人類對自然的認識由淺入深、由片面到全面、由現象到本質不斷深化．對光本性的認識同時，受到他哥哥的影響，參與一些物理研究工作．從他哥哥那裡德布羅意了解到普朗克和愛因斯坦關於量子方面的工作，這些引起了他對物理學的極大興趣．經過一翻思想鬥爭之後，德布羅意終於放棄了已決定的研究法國歷史的計畫，選擇了物理學的研究道路，並且希望通過物理學研究獲得博士學位。第一次世界大戰期間，德布羅意在軍隊服役，被分配到無線電台工作，中斷了他的理論物理研究．1919年，德布羅意重新回到他哥哥的實驗室研究X射線，在這裡，他不僅獲得了許多原子結構的知識，而且接觸到X射線時而象波、時而象粒子的奇特性質．德布羅意曾經與其兄就X射線的性質進行了長時間的討論，他對其兄及其同事們的實驗工作發生了濃厚的興趣．為了對這些現象做出理論解釋，1920年，德布羅意重新開始研究理論物理，特別是關於量子問題，他的研究終於取得了可喜成果．1923年9月和10月，德布羅意發表了三篇關於物質波的論文，創立了物質波理論．之後，他投人博士論文的寫作，1924年11月他以題為的論文通過博士論文答辯，獲得博士學位．在這篇論文中，包括了德布羅意近兩年取得的一系列重要研究成果，全面論述了物質波理論及其套用。德布羅意獲得博士學位後，繼續留在巴黎大學，他又發表了有關波動力學的有創造性的研究成果，同時擔任教學任務．德布羅意在神也是沿著這個認識規律發展的．在認識發展中，物質生產水平、實驗條件起了決定性的作用，同時促進人類認識水平的不斷提高．學院擔任了兩年義務講座後，1928年被聘為新建立的巴黎大學享利·彭加勒學院理論物理教授，他擔任這一職務從事教學工作一直到1962年退休．
1945年以後，他還擔任法國原子能委員會顧問．1930年到1950年間，德布羅意的研究工作主要是波動力學的推廣，他的研究取得了許多成果，發表了大量評論和論文．1951年以後的一段時間，德布羅意研究粒子和波之間的關係，目的是通過研究用經典的空間和時間概念對波動力學作出因果解釋．此時重新研究他於1927年提出的引導波理論，但不久他就放棄這方面的工作，回到了以前的研究領域，探索微觀現象產生的原因和決定論的科學哲學觀點，用波動力學的觀點探討熱力學和分子生物學．德布羅意一生的研究成果頗豐，他的著作就達25本之多．由於德布羅意的傑出貢獻，他獲得了很多的榮譽．1929年獲法國
科學院享利.彭加勒獎章，同年又獲諾貝爾物理學獎．1932年，獲摩納哥阿爾伯特一世獎，1952年聯合國教科文組織授予他一級卡琳加獎，1956年獲法國家科學研究中心的金質獎章，1942年以後任數學科學常務秘書．他還是華沙大學、雅典大學等六所著名大學的榮譽博士，是歐、美、印度等18個科學院院士。德布羅意的新理論，開始時並沒有受到物理學界的重視。因為他的思想是如此新穎，如此大膽，以致於像普郎克、洛侖茲這些人都很難相信它的正確性。即使他的導師朗之萬，雖然認為他的想法有很大的獨創性，但也認為他的想像過分大膽，幾近荒謬。不過他又想到，玻爾的理論開始時也曾被認為是極其荒謬的，說不定德布羅意的想法中包含了一些重要的東西。於是朗之萬還是把德布羅意的論文副本寄給了愛因斯坦，請他提出看法。素來喜歡物理學上的對稱性的愛因斯坦，一下子就看出了德布羅意的理論正是揭示了光子和物質粒子之間的這種對稱性，立即意識到德布羅意思想的深遠意義，並且想到在他自己關於理想氣體的新的漲落公式中出現的波干涉項可能正是起源於德布羅意波。所以他熱情地覆信給朗之萬，稱讚德布羅意“已揭開了巨大帷幕的一角”。 愛因斯坦當時正著手將印度青年物理學家玻色(S．N．Bose,1894～1974)提出的光子統計理論推廣到單原子理想氣體，他立即吸收了德布羅意的新理論，於1924年9月和1925年2月發表了他的論文。在論文中他特別提到了德布羅意把一個粒子系統歸結為一個波場的這篇“非常值得注意”的論文。他還寫道：“看來，粒子的每一運動都伴隨著一個波場，……這個場（它的物理性質目前還不清楚）在原則上應該是能觀察的。”正是由於愛因斯坦的推薦，德布羅意的工作才引起了物理學界的廣泛重視，特別是對薛丁格產生了積極的影響，創立了波動力學。
科學成就
1923年9月至10月間，德布羅意在上接連發表了三篇論文：《輻射——波和量子》、《光學——光量子、衍射和干涉》、《物理學——量子、氣體運動理論以及費馬原理》。在這幾篇短文中，提出了現在稱為“德布羅意波”的思想。1824年，在題為的博士論文中，系統地闡述了他在前幾篇文章中提出的相波理論，並於同年11月27日在佩蘭的主持下通過了博士論文答辯。在《量子理論研究》的提要中，他首先說明了他所追求的目標。他說：“光學理論的歷史表明科學思想曾有很長一段時間徘徊於光的動力學解說和波動學解說之間，這兩種解說毫無疑問並不像人們曾認為的那樣是彼此對立的，量子理論的發展似乎證實了這一結論。”德布羅意非常欣賞愛因斯坦的光量子假說，但是他又認為愛因斯坦的光量子理論也有其不徹底性，只不過使粒子說又重新抬頭而已。他希望粒子觀點和波動觀點統一起來，即在光的理論中同時引進粒子概念和周期性概念，以進一步揭示“量子”的真正含義。他在論文中寫道：“考慮到頻率和能量的概念之間存在著一個總的關係，在本文中我們認為存在著一個其性質有待進一步說明的周期性現象，它與每個孤立能量塊相聯繫，與靜止質量的關係則遵從普朗克-愛因斯坦方程。這種相對論理論將所有質點的勻速運動與某種波的傳播聯繫了起來，而這種波的位相在空間的運動比光速要快。”他假設所有具有動量p和能量E的物質客體，如電子等，都具有波動性，這兩個假設是建立波動力學的物理基礎。當1926年E．薛丁格發表他的波動力學論文時，曾明確表示：“這些考慮的靈感，主要歸因於德布羅意先生的獨創性的論文。”1927年，美國的C．J．戴維孫和L．H．革末及英國的G．P．湯姆孫通過電子衍射實驗各自證實了電子確實具有波動性。至此，德布羅意的理論作為大膽假設而成功的
例子獲得了普遍的讚賞，從而使他獲得了1929年諾貝爾物理學獎。後來，德布羅意主要從事的仍是波力學方面的研究，他在1951年以後著重研究了“雙重解理論”，想要在經典的時空概念的基礎上對波動力學的幾率和因果性作出解釋，但這種努力未獲得成功。德布羅意始終對現代物理學的哲學問題感興趣，喜歡將理論物理學、科學史和自然哲學結合起來考慮，寫過一些有關的論文。在32歲時，也就是在他發表了大約兩打關於電子、原子和X射線問題的論文之後，德布羅意獲得了博士學位。他的博士論文是他以後研究波動力學的起點。德布羅意不大滿意薛丁格等人在波動方程中引入的幾率振幅解釋，他在不斷尋求著波動力學的因果性解釋。德布羅意曾在巴黎大學和H．龐加萊研究院任教。除了他大量的研究論文之外，他所著的書不下20部。其中主要的有《量子論的研究》、《X射線與γ射線專論》、、《物理學與微觀物理學》、等。
物質波理論
德布羅意開始研究物理學時，適逢現代物理學發生深刻革命的時期．1900年，普朗克研究黑體輻射時假定諧振子取分立的能量，提出量子的概念，由此出發，他推導出能夠描述黑體輻射規律的普朗克黑體輻射公式。但是，人們並沒有認識能量子的重要性，只把能量子看作僅僅是在支配物質和輻射相互作用過程中是合適的，頻率為V的物質振子僅僅以hV的倍數發射或吸收能量．直到1905年，量子概念才發生了重要發展．1905年，愛因斯坦發表了題為的論文，文中通過對黑體輻射的研究和論證，得到並提出了光量子的概念，並用它成功地解釋了光電效應．這一工作的意義之一在於，光量子的概念是在分析和研究黑體輻射基礎上得到的，表明量子概念具有比較普遍的意義．愛因斯坦認為：密度小的單色輻射，從其熱現象方面的行為看，仿佛是由一些獨立的能量所組成。本世紀初期，人們通過對X射線的研究認識到，X射線具有時而象波、時而象粒子的奇特性質．1913年，玻爾提出原子中的電子運動的量子化條件，原子中的電子只有可能進行某些運動，成功地解釋了氫原子光譜．玻爾的量子化條件沒有理論基礎，是人為規定的．1919－1922年，法國物理學家布里淵提出了一個解釋玻爾基於化條件的理論．布里淵把電子和波作為一個整體進行研究，構想在原子核周圍存在著一層以太，電子在其中運動掀起波，這些波相互干涉在原子核周圍形成駐波．這些研究成果，尤其是布里淵的理論對德布羅意提出物質被思想產生巨大影響。德布羅意重新開始研究理論物理，物理學面臨著的主要困難是：對於光需要有微粒說和波動說兩種理論；確定原子中電子的穩定運動涉及到整數，這些都是當時人們無法理解的事實．德布羅意首先考察光量子理論和玻爾的量子化條件．確定光微粒能量的表達式是W=hv，這個公式中包含著頻率v，而純粹的粒子理論不包含頻率的因素；確定原子中電子的穩定運動涉及到整數，而物理學中涉及到整數的只是干涉現象和本徵振動現象．這些結果使德布羅意想到，對於光需要同時引進粒子的概念和周期的概念；對於
電子不能簡單地用微粒來描述電子本身，還必須賦予它們周期的概念．於是，德布羅意形成了指導他進行研究的全部概念：在所有情況下，都必須假設微粒伴隨著波而存在，他的首要目的就是建立微粒的運動和締合波的傳播之間的對應關係。1923年夏末，德布羅意已開始形成他的相波（後來他稱為相位波）概念，9月10日，他發表了關於物質波理論的第一篇論文——《波和量子》，文中提出的思想可以被看作是波動力學理論的開端．兩個星期後，德布羅意又發表了的論文，明確提出相干波的概念．文中明確指出：要描述一個動點的運動，觀察者必須將這一運動與一個非物質的、在同一方向上傳播的正弦波聯繫起來．在觀察者看來，這一波的頻率等於上述動點的總能量除以普朗克常量h．同年10月8日，德布羅意發表關於物質波理論的第三篇論文。文中闡述了波與粒子的對應關係，他假定與任何粒子相聯繫的相波，在空間任何點與粒子同相位．相波的頻率與速度由粒子的能量和速度所決定。德布羅意的這三篇論文是物質波理論奠基工作的開端．繼這三篇論文之後，德布羅意著手撰寫他的博士論文《量子理論的研究》。他的博士論文包括了近兩年研究的一些成果，比較系統地論述了物質波理論，得到物質波的一些重要結果．德布羅意認為，任何運動著的物體都伴隨著一種波動，而且不可能將物體的運動和波的傳播分開，這種波稱為相位波．存在相位波是物體的能量和動量同時滿足量子條件和相對論關係的必然結果．德布羅意考慮靜止質量為外、相對於靜止觀察者的速度為的粒子，他假設粒子是周期性內在現象的活動中心，它的頻率， 是普朗克常數，是粒子的內在能量．以狹義相對論原理和嚴格的量子關係式為基礎，德布羅意通過嚴格論徵得到：相位波的波長是，是普朗克常數，是相對論動量，這就是著名的德布羅意波長與動量的關係．此外，德布羅意把相位波的相速度和群速度（能量傳遞的速度）聯繫起來，證明了波的群速度等於粒子速度，確定了群速度與粒子速度的等同性．他的這些研究成果形成了比較完整的物質波理論。
物質波的驗證
德布羅意撰寫論文時，他的哥哥（M．德布羅意）建議他的論文應包括實驗部分，可是他沒有採納這個建議．他的物質波理論是在沒有得到任何已知事實支持的情況下提出來的，這就使得答辯委員會對物質波的真實性存在疑慮，答辯委員會主席佩蘭就提出了物質波如何用實驗來證實的問題．對佩蘭的提問，德布羅意回答：用晶體對電子的衍射實驗驗證物質波的存在是可能的．他的這個思想是早已形成的，他曾在1923年9月24日一文中指出：從很小的孔穿過的電子束，可能產生衍射現象，這也許會成為在實驗上驗證物質具有波粒二象性的方法．他還曾向他哥哥的同事道維里葉提出做電子的衍射實驗，後者因忙於電視實驗而將其擱置。物理學的發展需要理論的和實驗的兩隻腳向前邁進，現在理論這隻腳已經先向前邁進了一步，這就給實驗提出了研究課題．物質波理論提出後，如何從實驗上證實物質波存在就成了人們關注的一個熱點。按照德布羅意理論，經過幾千伏加速電壓的電子束，其波長數量級為10-10米，這與X射線的波長是同一個數量級，因而可以用晶體對電子的衍射實驗驗證物質波．德布羅意的理論一傳到美國，就在紐約開始了顯示電子衍射的實驗．儘管這個實驗開始並不是為驗證波動理論而做的，但是到了1926年，這項工作的目的已經轉變為驗證物質波理論．1927年初，戴維森和革末通過實驗發現，在鎳晶體對電子的衍射實驗中，有19個事例可以用來驗證波長和動量之間的關係，而且每次都在測量精確度範圍內證明了德布羅意公式的正確性．戴維森實驗所用電子束的電子能量很低，僅有50－600電子伏特．同年G.P.湯姆遜用較高能量的電子做了晶體對電子束衍射的實驗，他讓電子能量為1000－8000電子伏特的電子束垂直射入賽瑪哈、金、鉑或鋁等薄膜上，觀測產生的衍射圖樣。實驗觀測和由德布羅意理論得到的結果非常一致，這充分證明了電子具有波動性，再一次用無可辨駁的事實向人們展示了德布羅意理論是正確的。以後，人們通過實驗又觀察到原子、分子等微觀粒子都具有波動性。實驗證明了物質具有波粒二象性，不僅使人們認識到德布羅意的物質波理論是正確的，而且為物質波理論奠定了堅實基礎。
