法國少了一名歷史學家，人類多了一位偉大的物理學家！
（圖源：wikipedia）
撰文 | 張天蓉
我們之前介紹的三位量子力學創始人中，愛因斯坦出身於商人之家，其他兩位（普朗克和玻爾）的父親都是教授。今天我們要講的，第四位量子傳承人，則是一位貨真價實的法國貴族。
布羅伊家族，政治地位顯赫
路易·德布羅意（伊）（Louis de Broglie，1892年－1987年）是著名的法國物理學家，也是第七代布羅伊公爵。從他的「姓氏」中有個de就可以看出來他的貴族身份。法國貴族的姓，是de後面跟著封地的名字，在德布羅意這兒，封地名字便是「布羅伊」。第七代的意思容易猜測，不就是傳了七個當家人嘛？的確如此，德布羅意的祖先是路易十四和路易十五時代的法國元帥，因此被封為布羅伊公爵，然後，便一代一代地世襲。
因此，德布羅意家族地位顯赫，名人眾多。自17世紀以來，這個家族的成員在法國軍隊、政治、外交方面頗具盛名，數百年來在戰場上和外交上為法國各朝國王服務。德布羅意的祖父（第四代）是法國著名評論家、公共活動家和歷史學家，曾於1871年任法國駐英國大使，1873年到1874年任法國首相。
圖1. 布羅伊公爵
這樣一個外交和政治世家的後代中，如何蛻變出來路易·德布羅意這麼一位著名的物理學家呢？這還得從他的哥哥莫里斯·德布羅意（Maurice de Broglie）談起。
路易14歲時，父親就早逝了，爵位由比他大17歲的哥哥莫里斯繼承。當然，莫里斯也同時繼承了對弟弟路易教育撫養的責任。他不負家族之望，將弟弟送進最好的貴族學校，希望弟弟能發揚光大祖輩的傳統，成為有名望的外交官或歷史學家。
不過，莫里斯的努力好像適得其反，應了那句話：身教重於言教！莫里斯自己就叛逆了祖輩的事業，從1904年開始一直進行物理研究。他從海軍軍官學校畢業後，在法國海軍服役9年，逐漸對物理學產生了興趣，還在法國軍艦上安裝了第一台無線電設備。但是，當莫里斯向祖父布羅伊公爵徵求「研究物理」的許可時，老人的回答令他沮喪、反感：
祖父逝世後，莫里斯最終走上了物理之路。他在朗之萬手下工作和學習，並於1908年獲得物理學博士學位。他對X射線科學感到興奮，並在巴黎建立了私人實驗室進行專門的研究。
莫里斯沒想到，他的物理研究影響弟弟也走上了科學道路。路易·德布羅意受到哥哥實驗室環境的熏陶，對物理產生了極大的興趣，於是丟棄了他的歷史專業，轉而研究思考理論物理問題，並為其奮鬥終生而無悔。法國少了一名歷史學家，人類多了一位偉大的物理學家！
索爾維會議，法國學者眾多
實際上，路易·德布羅意在主修歷史的學生時代，就對科學發生了濃厚的興趣，這主要得益於閱讀彭加勒（或稱昂利·龐加萊，Henri Poincaré，1854年－1912年）的著作《科學的生涯》和《科學與假設》等。
路易·德布羅意出生於以卓越的思想文化著稱，且崇尚科學藝術的法國。從17世紀開始，法國的物理及數學界，就是人才濟濟、群星璀璨：笛卡爾、帕斯卡、費馬、惠更斯…… 當年梅森創辦的「梅森學院」，是科學家們的聚會場所和交流信息中心，也是後來開明君王路易十四給予豐富贊助成立的「巴黎皇家科學院」的前身。
之前我們介紹過量子物理的首次華山論劍，即第一次索爾維會議，其中出席的24位學者中，有6位法國科學家，影響德布羅意的龐加萊便在其中，是照片里坐在中間與居里夫人交談的那位（圖2）。居里夫人左邊，正在閱讀文獻的那位，是讓·佩蘭，研究X射線、陰極射線、和布朗運動的專家。他後來獲得了1926年的諾貝爾物理學獎。
圖2. 第一次索爾維會議中的法國學者-1
這第一次的量子大會，對路易·德布羅意的影響極大，主要是因為他的哥哥出席了這次會議，並擔任會議的科學秘書（莫里斯是圖3的中間一位，他也是第二、三次索爾維會議的科學秘書）。因此，路易·德布羅意有機會接觸到會議的許多相關文件，比如愛因斯坦和普朗克有關量子化概念的文章等等。
圖3. 第一次索爾維會議中的法國學者-2
讀了龐加萊的著作，德布羅意對物理學和科學哲學產生了濃厚的興趣。他哥哥（M·德布羅意）實驗室中對X射線的研究，啟發了他對波和粒子的思考。第一、二、三次索爾維會議的文件中，有使用量子化概念對黑體輻射和光電效應進行的計算，有勞厄和布喇格分別做的X射線晶體衍射和反射強度的專題報告，有盧瑟福有關原子結構的報告……這些珍貴的文件，使德布羅意對物理學產生了極大的興趣，決心轉學自然科學。
在第一次世界大戰期間，德布羅意在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服役。退伍後，他便跟隨朗之萬（圖3右）攻讀物理學博士學位。
第一次索爾維會議中，還有一位法國物理學家，M·布里淵（M. Brillouin，圖3左邊那位）。他就是後來研究晶體結構，以「布里淵區」知名的萊昂·布里淵（Léon Brillouin，1889年－1969年）的父親。M·布里淵曾經是朗之萬和讓·佩蘭的老師，因此德布羅意算是他的「徒孫」。
M·布里淵在1919年到1922年間，曾連續發表三篇論文，都是關於1913年玻爾提出的原子模型定態軌道的理論。這幾篇文章對德布羅意形成物質波思想有很大幫助。
電子駐波態，解釋玻爾模型
玻爾不在參加首屆索爾維會議的科學家之列，因為他1913年才發表有關原子模型的論文。在1911年，他還是一個無名小卒。不過後來的二、三、四次索爾維會議上，不知道什麼原因，也都沒有看到玻爾的蹤影。在這點上，比玻爾小7歲的德布羅意，雖然未親自參加會議，但得益於哥哥，能夠近水樓台先得月，早就開始思考些「波」「粒子」之類的深刻理論問題。
歷史本來就是交錯進行的，有豎線條也有橫線條，許多事件互相糾纏影響，猶如一張縱橫交叉的大網。玻爾提出原子模型時，為了符合實驗結果，做了三條假設：定態假設、量子化條件、頻率規則。但是，玻爾當年並未弄清楚這三大假設的理論基礎，他提出了電子軌道間的躍遷，也沒有清楚地解釋躍遷之機理，只是作為幾條硬性規定放在那兒，讓其他人去猜測捉摸。因此，玻爾模型開始時不被物理學界接受。湯姆孫拒絕對其發表評論，盧瑟福也不贊同，薛定諤則說，那是一種「糟透了的躍遷」。
但玻爾模型畢竟解決了一些問題，那麼，應該如何解釋和改進玻爾模型呢？大多數物理學家仍然走在那條「半經典半量子」的道路上。例如，1916年，德國的索末菲將圓軌道推廣為橢圓軌道，並引入相對論修正，提出了索末菲模型。法國的M·布里淵，提出了一種解釋玻爾定態軌道原子模型的理論。他設想原子核周圍的「以太」會因電子的運動激發出波，當電子軌道半徑與波長呈一定比例關係時，這些波互相干涉形成環繞原子核的駐波。這種說法似乎可以解釋電子軌道的量子化，但是需要「以太」的參與，與愛因斯坦的狹義相對論相違背。
德布羅意聽到布里淵的見解，高興了。他把以太的概念去掉，將波動性的來源直接賦予電子本身。也就是說，電子本來就具有波動性！德布羅意想，輻射本來是波動，普朗克和愛因斯坦卻賦予它們粒子性，那麼，原本以為是粒子的電子，為什麼不能也具有波動性呢？
如上圖所示，電子形成駐波的原子模型，很自然地解釋了電子軌道及角動量的量子化假設。此外，駐波當然不輻射能量，這是經典波動學說就有的結論。不過，德布羅意的假設解釋索末菲的橢圓軌道模型有點困難。此外，德布羅意當時關於電子波的想法，也只是文字上的說法，沒有導出嚴格的動力學方程，所以人們仍然感到美中不足。
物質波概念，影響廣泛深遠
經過幾年的努力，德布羅意在1924年完成了他的博士論文《量子理論研究》，較為詳細地解釋了有關電子波的理論。
德布羅意認為，物質粒子與光，都具有波粒二象性。考慮動量和能量分別為p、E的粒子（或物體），它們也有波長λ和頻率ν，表述為：
式中的h是普朗克常數。對粒子和光子，公式（1）都成立。也就是說，粒子和光，都既是粒子又是波。公式（1）即為物質波的德布羅意公式。
德布羅意想像力極其豐富，認為粒子也是波，稱之為物質波。德布羅意想像，這種物質波是普適的，一個巨大的物體，也會有相應的波長，不過這個波長接近於零，沒有實際意義而已。
對於德布羅意的物質波猜想，朗之萬等人覺得很是新穎，但也有些拿捏不準。1924年4月，在第四次索爾維國際物理會議上，朗之萬談到了德布羅意的工作。這引起未參加會議的愛因斯坦的注意。後來，朗之萬將德布羅意的論文寄給愛因斯坦。這位偉人給予德布羅意的大膽假設極高的評價：「我相信這是我們揭開物理學最難謎題的第一道曙光。」愛因斯坦還將論文推薦給玻恩和薛定諤等，這才有了後來的波動方程及其概率詮釋之事。
實際上，德布羅意自己，對波動性和粒子性等問題，在腦海中反覆思考已久，在論文答辯時，他已經有了深入的認識和充分的自信。因此，當讓·佩蘭問道：「怎樣用實驗來證實你的理論呢？」
德布羅意胸有成竹地回答說：「用晶體對電子的衍射實驗是可以證實的！」
後來，實驗物理學家也緊跟著德布羅意的思想，得到了能夠支撐其假說的實驗結果。1926年夏天，美國貝爾實驗室物理學家戴維森在實驗中發現電子衍射現象。緊接著，幾乎是同時，英國劍橋的G.P.湯姆遜也觀察到電子束通過薄金箔時有圓環條紋產生。這兩個實驗為德布羅意波提供了堅實的基礎。由此，德布羅意獲得1929年的諾貝爾物理學獎，戴維森和湯姆遜也分別獲得了1933年和1937年的諾貝爾獎。
量子傳承人，看透人間煙火
德布羅意提出了物質波的偉大假說，卻經常被不明真相的世人詬病。許多人都聽過這位所謂的「花花公子」「紈絝子弟」的傳說，但實際上這些謠言與德布羅意做學問的風格相距甚遠。還有傳說德布羅意靠著「一頁紙」論文得到博士學位，更是無稽之談。網上可以查到德布羅意博士論文的英文版，不是1頁，而是81頁。此外，當你看完了我們這篇介紹德布羅意的文章，你還會相信這些謠言么？
1960年，德布羅意的哥哥，第六代布羅伊公爵莫里斯去世，路易正式成為第七代布羅伊公爵。公爵的世襲頭銜並未使德布羅意的生活改變許多。他仍然是理論物理教授，仍然從事科學研究。他對人彬彬有禮，絕不發脾氣，既是一位貴族紳士，也是一位畢生兢兢業業的科學家。
路易·德布羅意從未結婚，一輩子單身。據說他交過女朋友，有兩位忠心耿耿的隨從。他喜歡過平俗簡樸的生活，賣掉了貴族世襲的豪華巨宅，選擇住在平民小屋。他深居簡出，從來不放假，是個標準的工作狂。他喜歡步行，或搭公車，不曾擁有私人汽車。
1987年3月19日，德布羅意過世，高齡九十五歲。
量子力學的誕生與發展，產生了數名諾貝爾獎得主，我們介紹過的四位便先後獲得諾獎。然而，讚賞之餘有遺憾，在量子之林中，也有幾個光環沒有照到的死角。下周，我們將介紹一位無冕之王，敬請期待！
本文經授權轉載自《賽先生》微信公眾號
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