最短的博士論文——一個關于德布羅意“物質波”的故事

                          日期:2012-02-06 22:09 點擊數:42509 

                          最短的博士論文

                          一個關于德布羅意“物質波”的故事



                          生平簡介

                          路易•維克多•德布羅意(Louis Victor de Broglie,1892-1987) ,

                          1892年8月15日出生于下塞納,1910年獲巴黎大學文學學士學位,

                          1913年又獲理學士學位,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,1929年因此獲諾貝爾物理學獎。

                          1932年任巴黎大學理論物理學教授,1933年被選為法國科學院

                          院士。1987年3月19日逝世。享年85歲。


                          科學成就

                          德布羅意是法國著名理論物理學家,因提出了著名的“物質波”獲1929年諾貝爾物理學獎,他是波動力學的創始人,物質波理論的創立者,量子力學的奠基人之一。

                          在德布羅意之前,人們對自然界的認識,只局限于兩種基本的物質類型:實物和場。前者由原子、電子等粒子構成,電場、磁場、引力場則屬于后者。但是,許多實驗結果之間出現了難以解釋的矛盾。物理學家們相信,這些表面上的矛盾,勢必有其深刻的根源。

                          1923年,德布羅意最早想到了這個問題,并且大膽地設想,人們對于光子建立起來的兩個關系式會不會也適用于實物粒子。如果成立的話,實物粒子也同樣具有波動性。為了證實這一設想,1923年,德布羅意又提出了作電子衍射實驗的設想。1924年,又提出用電子在晶體上作衍射實驗的想法。1927年,戴維孫和革末用實驗證實了電子具有波動性,不久,G.P.湯姆孫與戴維孫完成了電子在晶體上的衍射實驗。此后,人們相繼證實了原子、分子、中子等都具有波動性。德布羅意的設想最終都得到了完全的證實。這些實物所具有的波動稱為德布羅意波,即物質波。

                          由于德布羅意的杰出貢獻,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。德布羅意于1933年當選為法國科學院院士,1942年以后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。



                          這是一個美麗而動人的故事——

                          第一幕 顯赫家族,棄文從理

                          故事發生在二十世紀初的法國巴黎。一樣的延續著千百年的燈紅酒綠,香榭麗舍大道上散發著繁華和曖昧,紅磨坊里彌漫著躁動與彷徨。

                          而在此時的巴黎,有一個年輕人,名字叫做德布羅意(DeBroglie),從他的名字當中可以看出這是一個貴族。

                          早在17世紀40年代,德布羅意家族就為各朝法國國王效力,在戰場和政壇上屢立功勛,名垂法國史冊。1742年,法國國王路易十四冊封德布羅意家族為公爵,子孫世襲。由于第一代公爵的兒子戰功顯赫,1759年德布羅意家族又被神圣羅馬帝國冊封為世襲親王。這樣,德布羅意家族就有了親王和公爵兩個爵位。 

                          憑借著祖上的榮耀,德布羅意家族高官顯貴層出不窮,100多年來先后出過一位總理、一位議長、三員上將、兩位部長和兩位大使,還有很多爵士、勛爵,但有親王頭銜的卻只有法國的德布羅意。

                          1906年,路易斯•德布羅意的父親去世,親王的爵位由哥哥莫里斯承襲,路易斯承襲公爵之位。1960年莫里斯去世,路易斯承襲了親王之位。

                          百年來,在德布羅意顯赫的家族中,獲得諾貝爾科學獎的學者就有400多人。

                          人們很難把親王和科學家聯系在一起,親王有地位,從政、從軍似乎更為順當,而德布羅意卻偏愛科學,走上了探索自然之謎的道路。

                          事實上,德布羅意的父親正是法國的一個伯爵,并且是正當權的一位內閣部長。

                          這樣一個不愁吃不愁穿只是成天愁著如何打發時光的花花公子自然要找一個能消耗精力的東西來磨蹭掉那些無聊的日子(其實象他這樣的花花公子大約都會面臨這樣的問題)。德布羅意則找到了一個很酷的事業---研究中世紀史。據說是因為中世紀史中有著很多神秘的東西吸引著這位年輕人。

                          時間一轉就到了1919,這是一個科學界急劇動蕩著的年代。就在這一年,德布羅意突然移情別戀對物理產生了興趣,尤其是感興趣于當時正流行的量子論。具體來說就是感興趣于一個在當時很酷的觀點:光具有粒子性。

                          這一觀點早在十幾年前由普朗克提出,而后被愛因斯坦用來解釋了光電效應,但即便如此,也非常不見容于物理學界各大門派。德布羅意倒并不見得對這一觀點的物理思想有多了解,也許他的理解也僅僅就是理解到這個觀點是在說“波就是粒子”。

                          或許是一時沖動,或許是因為年輕而擺酷,德布羅意來到了一派宗師朗之萬門下讀研究生。從此,德布羅意走出了一道足以讓任何傳奇都黯然失色的人生軌跡。

                          第二幕 短小神奇,論文難過

                          歷史上德布羅意到底花了多少精力去讀他的研究生也許已經很難說清,事實上德布羅意在他的5年研究生生涯中幾乎是一事無成??梢韵胂?,一個此前對物理一竅不通的中世紀史愛好者很難真正的在物理上去做些什么。白駒過隙般的五年轉眼就過去了,德布羅意開始要為他的博士論文發愁了。

                          其實德布羅意大約只是明白普朗克、愛因斯坦那幫家伙一直在說什么波就是粒子,(事實上對于普朗克大約不能用“一直”二字,此時的普朗克已經完全拋棄自己當初的量子假設,又回到了經典的舊框架。)而其中真正包含的物理,他能理解多少大約只有上帝清楚。

                          五年的盡頭,1924年,路易斯•德布羅意思來想去,干脆決定就用這個新奇的理論申請巴黎大學的博士學位吧,他自己也許可能在想:“自己雖然什么都不清楚,可是別人還是什么都不清楚呀,反正大家都是新的唄!”。于是,畢業前夕,德布羅意東拼西湊,寫出了歷史上最短的一篇博士論文:僅一頁紙長度,其核心只講述了一個物質波理論。

                          可以猜想這一頁多一點的一份論文可能已經讓德布羅意很頭疼了,只可惜當時沒有槍手可以雇來幫忙寫博士論文。他的博士論文其實根本就談不上是什么理論,他只是說了一個猜想,那就是:既然波可以是粒子,那么反過來粒子也可以是波。

                          而進一步德布羅意提出波的波矢和角頻率與粒子動量和能量的關系是:

                          動量=普朗克常數/波矢

                          能量=普朗克常數*角頻率

                          這就是他的論文里提出的兩個公式。而這兩個公式的提出也完全是因為在愛因斯坦解釋光電效應的時候提出光子的動量和能量與光的參數滿足這一關系??梢韵胂筮@樣一個博士論文會得到怎樣的回應。

                          評委判定“涉嫌抄襲”, 因為它太離奇了。根據德布羅意的計算,地球也具有波動性,而且波長為3.6×10-61厘米,當然,這樣的波長太小了,也無法探測。

                          論文評審委員會的主持人也難于表態,當別人再三追問時,他所問非所答地說:"對于這個問題,我能回答的只是德布羅意無疑是一個很聰明的人" 。

                          1902年諾貝爾物理學獎獲得者洛侖茲的態度十分肯定:"德布羅意誤入歧途,實在可惜。

                          學術界對這樣一個新奇的理論實在難于理解,更難于承認。

                          在對論文是否通過的投票之前,德布羅意的老板朗之萬就事先得知論文評審委員會的六位教授中有三位已明確表態會投反對票。本來在歐洲,一個學生苦讀數年都拿不到學位是件很正常的事情,時至今日的歐洲也依然如此。何況德布羅意本來就是這么一個來混日子的花花公子。然而這次偏偏又有些不一樣---德布羅意的父親又是一位權高望眾的內閣部長,而德布羅意在此廝混五年最后連一個Ph.D都沒拿到,雙方面子上自然也有些掛不住。情急之中,朗之萬往他的一個好朋友那里寄了一封信。當初的朗之萬是不是礙于情面想幫德布羅意混得一個PhD已不得而知,然而事實上,這一封信卻改變了科學發展的軌跡。


                          第三幕 師父求情,大師叫絕

                          這封信的收信人是愛因斯坦。信的內容大致如下:

                          尊敬的愛因斯坦閣下:

                          在我這里有一位研究生,已經攻讀了五年的博士學位,如今即將畢業,在他提交的畢業論文中有一些新的想法…請對他的論文作出您的評價。另外順便向您提及,該研究生的父親是鄙國的一位伯爵,內閣的**部長,若您……,將來您來法國定會受到隆重的接待。

                          朗之萬

                          在信中,大約朗之萬的潛臺詞似乎就是如果您不肯給個面子,呵呵,以后就甭來法國了。誰料愛因斯坦讀完后,拍案叫絕,馬上寫信給郎之萬,對德布羅意予以了高度評價,信

                          中寫道:"德布羅意的工作給我留下了深刻的印象,一幅巨大嶄新帷幕的一角卷起來了",他說,該論文有一些很新很有趣的思想。

                          此時的愛因斯坦雖不屬于任何名門望派,卻已獨步于江湖,頗有威望。有了愛因斯坦的這一封信,評審委員會的幾位教授也不好再多說些什么了。于是,皆大歡喜。

                          浪蕩子弟德布羅意就這樣攻讀下了他的PhD(博士)。而按照當時歐洲的學術傳統,朗之萬則將德布羅意的博士論文印成若干份分寄到了歐洲各大學的物理系。大約所有人都以為事情會就此了結,多少年以后德布羅意那篇很新很有趣的博士論文也就被埋藏到了檔案堆里了。德布羅意大約也就從此以一個PhD的身份繼續自己的浪蕩生活。

                          但歷史總是喜歡用偶然來開一些玩笑,而這種玩笑中往往也就順帶著改變了許多人的命運。在朗之萬寄出的博士論文中,有一份來到了維也納大學。


                          第四幕 講者不懂,聽若云霧

                          1926年初,維也納。

                          當時在維也納大學主持物理學術活動的教授是德拜,他收到這份博士論文后,將它交給了他的組里面一位已年屆中年的講師。

                          這位講師接到的任務是在兩周后的Seminar(學術例會)上將該博士論文講一下。這位老講師大約早已適應了他現在這種不知算是平庸還是算是平靜的生活,可以想象,一個已到不惑之年而仍然只在講師的位置上晃蕩的人,其學術前途自然是朦朧而晦暗。而大約也正因為這位講師的這種地位才使得它可以獲得這個任務,因為德拜將任務交給這位講師時的理由正是:你現在研究的問題不很重要,不如給我們講講德布羅意的論文吧。這位講師的名字叫做——薛定諤(Schrodinger)!

                          在接下來的兩周里,薛定諤仔細的讀了一下德布羅意的博士論文,其實從內容上來講也許根本就用不上“仔細”二字,德布羅意的這篇論文只不過一頁紙多一點,通篇提出的式子也不過就兩個而已,并且其原型是已經在愛因斯坦發表的論文中出現過的。

                          然而論文里說的話卻讓薛定諤一頭霧水,薛定諤只知道德布羅意大講了一通“波即粒子,粒子即波”,除此之外則是不知所云。

                          兩周之后,薛定諤硬著頭皮把這篇論文的內容在Seminar上講了一下,講者不懂,聽者自然也是云里霧里,而老板德拜則做了一個客氣的評價:這個年輕人的觀點還是有些新穎的東西的,雖然顯得很孩子氣,當然也許他需要更深入一步,比如既然提到波的概念,那么總該有一個波動方程吧。多年以后有人問德拜是否后悔自己當初作出的這一個評論,德拜自我解嘲的說,你不覺得這是一個很好的評論嗎?并且,德拜建議薛定諤做一做這個工作,在兩周以后的seminar上再講一下。

                          兩周以后。薛定諤再次在seminar上講解德布羅意的論文,并且為德布羅意的波找了一個波動方程。這個方程就是薛定諤方程!

                          當然,一開始德布羅意的那篇論文就已經認為是垃圾,而從垃圾產生出來的自然也不會離垃圾太遠,于是沒人真正把這個硬生生給德布羅意的波套上的方程當一回事,甚至還有人順口編了一首打油詩諷刺薛定諤的方程:歐文用他的psi,計算起來真靈通:但psi真正代表什么,沒人能夠說得清。(歐文就是薛定諤,psi是薛定諤波動方程中的一個變量)。

                          故事的情節好像又一次的要歸于平庸了,然而平庸偏偏有時候就成了奇跡的理由。大約正是薛定諤的平庸使得它對自己的這個波動方程的平庸有些心有不甘,他決定再在這個方程中撞一撞運氣。


                          第五幕 事故檢修,意外發現

                          其實,路易斯•德布羅意在提出物質波的論文之后不久,為了證實物質波的存在,1923年,德布羅意又提出了作電子衍射實驗的設想。他曾向一位在其長兄莫理斯•德布羅意(Maurice de Broglie)實驗室里工作的物理學家道威利爾(Dauvillier)建議是不是做一個實驗來實現電子的衍射或干涉現象。這個實驗做了,但沒有取得成功。據說,當時這個實驗室的同行們包括道威利爾在內,對物質波假說都半信半疑,認為不可能實現,所以道威利爾也沒有下太大功夫。據他后來分析,這個實驗的陰極射線太軟,即電子的速度太低,致使作為靶子的云母晶體在高真空中吸收了空中游離的電荷。

                          1925年,美國貝爾實驗室的戴維森與革末在做真空鎳板電子流實驗時,發生了爆炸事故。他們在檢查事故修復設備時,意外地發現了鎳板上有衍射圖樣。分析表明,這是電子流產生的衍射圖像,從而表明了電子具有波動性;在這以前人們一般都認為電子是一種粒子。

                          蘇格蘭的湯姆孫也在實驗中發現了上述現象。這些電子衍射實驗的結果都證明了德布羅意的計算公式的正確性,證實了德布羅意的大膽假設是正確的。

                          1929年,德布羅意因發現了電子的波動性而獲諾貝爾物理學獎。1937年,戴維森和G .P .湯姆孫因用晶體對電子衍射所作的實驗而獲諾貝爾物理學獎。

                          稍后,物理巨神薛定諤,閉關一年,才悟出了傳說中的頂級絕學——《波動力學》。


                          第六幕 平凡講師,靈感突現

                          上面講到的情節放到當時的大環境中來看就好像是湖水下的一場大地震---從湖面上看來卻是風平浪靜。下面請允許我暫時停止對老講師薛定諤的追蹤,而回過頭來看一看這兩年發生在物理學界這個大湖表面的風浪。

                          此前,玻爾由普朗克和愛因斯坦的理論的啟發提出了著名的三部曲,解釋了氫光譜,在這十幾年的發展當中,由玻爾掌門的哥本哈根學派已然是量子理論界的少林武當。

                          1922年,玻爾由于對原子結構理論的重大貢獻,榮獲諾貝爾物理獎。

                          1925年,玻爾的得意弟子海森堡提出了著名的矩陣力學,進一步拋棄經典概念,揭示量子圖像,精確地解釋了許多現象,已經成為哥本哈根學派的鎮門之寶——量子界的“屠龍寶刀”。1932年,海森伯(Werner Heisenberg ,1901-1976),因創立了量子力學,尤其是他的應用導致了發現氫的同素異形體,而榮獲諾貝爾物理獎。

                          不過在當時懂矩陣的物理學家沒有幾個,所以矩陣力學的影響力仍然有限。

                          事實上,海森堡本人也并不懂矩陣,而只是在他的理論出爐之后哥本哈根學派的另一位弟子玻恩告訴海森堡他用的東西在數學中就是矩陣。

                          回過頭來再關注一下我們那個生活風平浪靜的老講師薛定諤在干些什么---我指的是在薛定諤講解他的波動方程之后的兩個星期里。事實上此時的他正沉浸在溫柔鄉中---帶著他的情婦在維也

                          納的某個滑雪場滑雪。不知道是不是宜人的風景,總之是冥冥之中有某種東西,給了薛定諤一個靈感,而就是這一個靈感,改變了物理學發展的軌跡。

                          薛定諤從他的波動方程中得出了玻爾的氫原子理論!


                          第七幕 倚天一出,天下大驚

                          從此,誰也不敢再把薛定諤的波動方程當成nonsense了。哥本哈根學派的掌門人玻爾更是大為驚詫,于是將薛定諤請到哥本哈根,詳細切磋量子之精妙。然而讓玻爾遺憾的是,在十天的漫長切磋中,兩個人根本都不懂對方在說些什么。在一場讓兩個人都疲憊不堪卻又毫無結果的哥本哈根論劍之后,薛定諤回到了維也納。

                          薛定諤回到了維也納之后仍然繼續做了一項工作,他證明了海森堡的矩陣力學和他的波動方程表述的量子論其實只是不同的描述方式。

                          從此,倚天、屠龍合而為一。此后,薛定諤雖也試圖從更基本的假設出發導出更基本的方程,但終究沒有成功,而不久,他也對這個失去了興趣,轉而去研究生命是什么。歷史則繼續演義著它的歷史喜劇。

                          倚天一出,天下大驚,德布羅意,薛定諤都在這場喜劇中成為諾獎得主而名垂青史。


                          尾聲 上帝擲骰,頂級絕學

                          其實在這一段讓人啼笑皆非的歷史當中,上帝還是保留了某種公正的。

                          波動方程也就是偏微分方程的理論是為大多數物理學家所熟悉的,而矩陣在當時則沒有多少人懂,薛定諤得出它的波動方程僅在海森堡的矩陣力學誕生一年之后。

                          倘若上帝把這個玩笑開得更大一點,讓薛定諤在1925年之前就導出薛定諤方程,那恐怕矩陣力學就根本不可能誕生了。

                          如此則此前在量子領域已辛苦奮斗了十幾年的哥本哈根學派就真要吐血了!

                          薛定諤雖然搞出了這么一個薛定諤波動方程,卻并不能真正理解這個方程的精髓之處,反而對它的方程給出了一個錯誤的解釋——也許命中注定不該屬于他的東西終究就不會讓他得到。對薛定諤方程的正確解釋最終由哥本哈根學派的玻恩對波函數所做的統計解釋完成的,俗稱“上帝擲骰子”。

                          當然,玻恩的統計解釋讓當時已成為物理界的另一位大師——愛因斯坦極為震怒,至死也念念不忘“上帝是絕對不會用擲骰子的方法來決定這個世界的”,此為后話。

                          1954年,波恩和博特因波函數的統計解釋和用符合法作出的發現榮獲諾貝爾物理學獎。

                          更基本的量子力學方程,也就是薛定諤試圖獲得但終究無力企及的基本理論,最終由哥本哈根學派的另一位少壯派弟子——狄拉克導出的,而狄拉克則最終領袖群倫,建立起了頂級絕學——量子力學的神殿。

                          1933年,薛定諤和狄拉克因他們發現了原子理論的新式而榮獲諾貝爾物理學獎。


                            重慶市巴蜀中學?! ∞k公室電話:023-63002371  招生咨詢電話:023-63002629  學校地址:重慶市渝中區北區路51號  郵編:400013
                          版權所有 巴蜀中學 渝ICP備11004221 ENGLISH
                          久久综合精品国产二区无码