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做过工,开过荒,教过书,扛过枪,当过干部仍在党,现任公司董事长。业余以探索天地人和谐之道为乐!

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(原创)揭开巨大帷幕的一角(图)  

2009-05-22 00:27:47|  分类: 科学的皇后 |  标签: |举报 |字号 订阅

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上一回说到,18岁的德布罗意文科毕业后改行研究物理学,21岁拿到理学硕士学位,正当他继续向理论物理研究大踏步进军时,第一次世界大战爆发了!他的研究工作被该死的战争所打断。

从1914年开始,德布罗意在法国军队工兵部队中服役,被分配到巴黎埃菲尔铁塔的军用无线电台工作了6年。但人只要有坚定的信念,一切逆境都可以被转化为有利条件。服役的6年正好弥补了这个文科生所短缺的工程技术和检测经验,为他以后的重大发现奠定了实践基础。正可谓因祸得福!

1920年大战结束后,他又继续从事物理学的研究工作,并在朗之万(Paul Langevin,1872—1946)的指导下攻读博士学位。此外还抽出部分时间到哥哥的实验室从事X射线的实验研究。这些实验工作为德布罗意的抽象思维提供了必要的科学实验基础,并逐渐产生了波和粒子相结合的想法。

1922年30岁的德布罗意发表了他研究绝对黑体辐射的量子理论的初步成果。

1923年9月至10月间,德布罗意在《法国科学院通报》上接连发表了三篇论文:《辐射——波和量子》、《光学——光量子、衍射和干涉》、《物理学——量子、气体运动理论及费马原理》。表明他关于微观世界中波粒二象性的想法已趋成熟。

1924年11月27日,32岁的德布罗意的博士论文《量子理论的研究》在佩兰的主持下通过了答辩。在博士论文中系统地阐述了他在前几篇文章中提出的相波理论,把光的波粒二象性推广到实物粒子特别是电子上去,首创了“物质波”的概念。他认为实物粒子如电子也具有物质周期过程的频率,伴随物体的运动也有由相位来定义的相波(后人称德布罗意波或物质波),用公式

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表示物质波的波长,并指出可以用晶体对电子的衍射实验加以证明。

在《量子理论研究》的提要中,德布罗意首先说明了他所追求的目标。他说:“光学理论的历史表明科学思想曾有很长一段时间徘徊于光的动力学解说和波动学解说之间,这两种解说毫无疑问并不像人们曾认为的那样是彼此对立的,量子理论的发展似乎证实了这一结论。”

德布罗意非常欣赏爱因斯坦的光量子假说,但是他又认为爱因斯坦的光量子理论也有其不彻底性,只不过使粒子说又重新抬头而已。他希望粒子观点和波动观点统一起来,即在光的理论中同时引进粒子概念和周期性概念,以进一步揭示“量子”的真正含义。他在论文中写道:“考虑到频率和能量的概念之间存在着一个总的关系,在本文中我们认为存在着一个其性质有待进一步说明的周期性现象,它与每个孤立能量块相联系,与静止质量的关系则遵从普朗克-爱因斯坦方程。这种相对论理论将所有质点的匀速运动与某种波的传播联系了起来,而这种波的位相在空间的运动比光速要快。”他假设所有具有动量p和能量E的物质客体,如电子等,都具有波动性,其频率和波长分别由下式给出

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其中ν为实物粒子的波动频率,λ为其波长;m为实物粒子的质量,v为粒子的运动速度,p为粒子的动量,E为粒子的能量;c为真空中的光速,h为普朗克常量。

这两个假设就是后来建立波动力学的物理基础。

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德布罗意的新理论,开始时并没有受到物理学界的重视。因为他的思想是如此新颖,如此大胆,以致于像普郎克、洛仑兹这些人都很难相信它的正确性。即使他的导师朗之万,虽然认为他的想法有很大的独创性,但也认为他的想象过分大胆,几近荒谬。不过导师又想到,玻尔的理论开始时也曾被认为是极其荒谬的,说不定德布罗意的想法中包含了一些重要的东西。于是朗之万还是把德布罗意的论文副本寄给了爱因斯坦,请他提出看法。

素来喜欢物理学上的对称性的爱因斯坦,一下子就看出了德布罗意的理论正是揭示了光子和物质粒子之间的这种对称性,立即意识到德布罗意思想的深远意义,并且想到在他自己关于理想气体的新的涨落公式中出现的波干涉项可能正是起源于德布罗意波。所以他热情地复信给朗之万,称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。

爱因斯坦当时正着手将印度青年物理学家玻色(S.N.Bose,1894~1974)提出的光子统计理论推广到单原子理想气体,他立即吸收了德布罗意的新理论,于1924年9月和1925年2月发表了他的论文,在论文中他特别提到了德布罗意把一个粒子系统归结为一个波场的这篇“非常值得注意”的论文。他还写道:“看来,粒子的每一运动都伴随着一个波场,……这个场(它的物理性质目前还不清楚)在原则上应该是能观察的。”

正是由于爱因斯坦的推荐,德布罗意的理论才引起了物理学界的广泛重视,特别是对薛定谔产生了积极的影响,而导致了波动力学的建立。

1926年奥地利物理学家E.薛定谔在此基础上加以数学论证,提出了著名的薛定谔方程,建立了现代物理学的基础――量子力学。薛定谔在发表他的波动力学论文时曾明确表示:“这些考虑的灵感,主要归因于德布罗意先生的独创性的论文。”薛定谔解释波函数的物理意义时称德布罗意波为“物质波”。

1926年起德布罗意在巴黎大学任教。但对于物质波的假设并没有得到实验的验证。

实践是检验真理的唯一标准。德布罗意的理论是否正确?且听周法哲下回分解。

(作者:周法哲2009-5-21于广东,插图为转摘)

 

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