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【疯狂物理学家】德布罗意:波动与粒子的千年论战落幕,一切物质都具有波粒二象性
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这是【疯狂的智人】第 069 篇文章
疯狂的物理学家】第 028 篇文章

玻尔的原子模型问世后,量子力学似乎迎来了一个新的契机。在1919-1923年间,人们都试图去解释玻尔的原子模型。

实际上,玻尔的原子模型有个最奇怪的特征,就是电子的轨道半径不是连续的。比如一栋楼,有20层楼高,电子要么就在一层,要么就在二层,不可能出现在两个层级之间的任何楼梯上。

然而在当时的物理学家看来,这一切都匪夷所思,因为一直以来,大家认为这个世界是连续的,甚至就连普朗克本人,被称为“量子之父”的科学家,也拒绝接受量子世界的不连续性。

法国物理学家布里渊就写过这方面的论文,来解释玻尔的原子模型,他认为,电子在转动的过程中扰乱了周围的以太,以太震动形成了一种波,这个波形成了驻波。假如电子绕圈的周期与这个周期不匹配,那么就待不下去了,因此才形成了这种轨道不连续的效果。

似乎,整个量子世界又陷入了一片黑暗,不过很快,一位足以名留青史的人出现了,他就是德布罗意。

路易斯·维克托·皮雷·德布罗意出身于法国的显赫家族,前辈有很多牛人。德布罗意大学学的是历史,曾作为一名无线电技术人员参加过一战。一战结束后,他继续回到大学,这次学了物理,他的博士导师就是著名的郎之万。

回到那个问题,如何解释玻尔模型中电子轨道的问题呢?

德布罗意想到了爱因斯坦的方程E=mc²,电子是有质量的,那它也就有一个内在的、潜在的能量,再根据E=hv,那么电子肯定也有一个内在的、潜在的频率。E=mc²=hv,可以推出,v=mc²/h。

频率是震动的周期,根据这个简单的公式推导,德布罗意发现,电子有一个震动的周期,这究竟是什么意思呢?

德布罗意根据相对论的推算,发现当电子以速度v0前进时,必定伴随着一个速度为c²/v0的波。虽然这个算出来的速度很大,超过了光速,看上去违反了狭义相对论,但德布罗意解释,这种波不携带任何信息。

德布罗意将这种波称为“相波”,他说话很含蓄,没敢说物质波这个概念,仅仅讲了电子可能具有一种相波特性。物质波是薛定谔方程提出以后,大家给起的名字。这种相波的波长计算公式如下:

波长=(c²/v0)/(mc²/h)=h/mv0

这也可以叫作德布罗意波长公式。

1924年,德布罗意将自己写好的16页博士论文提交上去了,简而言之就是一个意思:所有物质都具有波动性。

波粒战争的局面出现了出人意料的反转,当粒子派节节胜利的时候,德布罗意突然站了出来,一篇论文将光又拉回了波动派,不仅是波,甚至就连所有的物质都是波。

在博士答辩中,大家都对德布罗意的论文表示怀疑,不敢确定,并要求其提供可靠的证据。

“证据,我们需要证据!”

郎之万将自己学生的大胆想法告诉给爱因斯坦的时候,爱因斯坦给予了高度评价,称德布罗意“揭开了大幕的一角”。

后来,德布罗意仅凭这篇博士论文获得的了1929年的诺贝尔物理学奖!证明电子波动性的几个实验物理学家得到了1937年的诺贝尔物理学奖,其中一个获奖者是乔治·汤姆逊,是约瑟夫·汤姆逊——也就是提出了葡萄干蛋糕模型的那个汤姆逊的儿子。

根据德布罗意的理论,实际上可以通过一场干涉实验来证明。

1925年,出生在美国的戴维逊做了一个实验,这个实验的结果是出人意料的。戴维逊和助手用电子束轰击一块金属镍,根据实验要求,戴维逊把金属放在了一个真空的容器里,以确保没有任何杂物混进去。

可是一场意外发生了,这个真空管爆炸了,空气迅速氧化了金属镍。戴维逊和助手非常懊恼,但依旧想继续做实验,他们决定对金属镍重新净化。当时,去除氧化层最好的办法就是对金属进行高温加热。

就在加热的时候,容器里的金属发生了奇妙的变化,原本它是由许许多多快的小晶体组成,在加热后,整块镍熔合成了几块大晶体。

当时的戴维逊和助手并没有在意,折腾了两个月后,实验继续进行。

一开始,并没有奇怪的事情发生,但是没多久,两人吓了一跳,因为实验曲线发生了剧烈的改变。当时,他们认为,折腾了近一年的实验黄了。

随后,戴维逊来到了欧洲,参加了一场会议,会议由著名的德国物理学家波恩主持,提到了一个与戴维逊类似的实验,并认为其可以用德布罗意波来解释。

戴维逊越想越觉得兴奋,于是将之前实验的数据拿出来一起研究,大家基本认为,这很可能就是德布罗意所预言过的电子衍射。

后来,越来越多的实验表明,在某种情况下,电子将表现出波动的性质。

波动派继续将粒子派摁在地上摩擦,这时,德布罗意说,当今的辐射物理被分成粒子和波两种观点,这两种观点应当以某种方式统一,而不是始终地尖锐对立。

可是,无论是波动派还是粒子派,在一开始都难以接受这样的和稀泥解释,而且双方的战争越来越激烈,当时流传一个笑话:“物理学家们不得不在星期一三五把世界看成粒子,在二四六则把世界看成波,到了星期天,他们干脆就待在家里祈祷上帝的保佑。”

当然,因为德布罗意的物质波概念跟经典理论有着千丝万缕的联系,大家对这些东西都很熟悉,因此在物理学界掀起了一股热潮,大家都在谈论物质波。经过爱因斯坦的大力推广,德布罗意波已经是当时的热门话题了。

爱因斯坦非常喜欢德布罗意的物质波概念,二人后来和薛定谔一伙,在两次索尔维会议中形成了同盟,一起PK以玻尔为首的哥本哈根学派。

一次索尔维会议前,爱因斯坦和德布罗意两个人一起下了火车,朝着出口走去,爱因斯坦点了点头,笑着说:“差不多在 20年前,普朗克问我那时正在做什么。我向他描述了刚开始在我脑中形成的广义相对论的梗概。他对我说:'作为一个比你年长的朋友,我必须劝你放弃这个想法。’”

爱因斯坦模仿普朗克的样子,一脸严肃地挥了挥食指,继续说道:“这是因为,首先,你不会成功;其次,即使你成功了,也没人会相信你。”

然后,爱因斯坦眨了眨眼继续说:“我也必须劝你放弃你已经开始研究的课题。”他对德布罗意微微一笑,“首先,你不会成功;其次,即使你成功了……”

德布罗意笑呵呵地把爱因斯坦的话接着说完:“……也没人会相信我。”

他们走出车站,正要分道扬镳之际,爱因斯坦忽然大声喊道:“坚持下去!你走的路,没错!

然而,两次索尔维会议,以爱因斯坦为首的传统派在与哥本哈根学派的较量中落入了下风,以玻尔为首的哥本哈根学派也随之进入了主流世界,成了量子力学世界的中流砥柱。

德布罗意虽然出身贵族,但一生低调,不讲究排场,也单身了一辈子。二战结束后,他卖掉了祖上传下来的豪华巨宅,深居简出,住在一间小房子里面,一直到1987年3月19日,德布罗意去世,享年95岁。

下期:海森堡

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