德布罗意：一个法国贵族的物理学人生
文摘
2024-07-01 21:14
意大利
载2024年6月19日《第一财经日报》
科学外史II（30）
德布罗意：一个法国贵族的物理学人生
江晓原
经典物理学到19世纪末已经集其大成，有的物理学家甚至感叹自己将要没什么事情可干了。然而刚一进入20世纪，经典物理学这个贵族之家，就出了一个名叫“量子力学”的逆子，才二十几年功夫就将经典物理学搞得家翻宅乱。在这个过程中，一个现实中的法国贵族起了关键作用。经典物理学家族的逆子
有一种说法认为，量子力学诞生于1900年12月17日。这天其实在经典物理学贵族城堡中仍是岁月静好的一天，但不幸的是德国物理学家普朗克（Max Planck）在柏林科学院物理学会做了一次关于热辐射理论的报告，这天后来就被人们视为量子力学的诞辰。![]()
普朗克提出，在热辐射中，能量不是像人们惯常想象的那样以连续的形态输出，而是以一小包一小包的形态输出。这一小包一小包的能量被称为“能量子”，通常由“普朗克常数”来表征。“量子”的概念由此诞生——经典物理学世界中的连续性被破坏了。不过当时科学界对普朗克的报告反应并不热烈，毕竟人们（包括普朗克本人）还完全无法想象量子力学会弄出多大麻烦。但这个逆子长到五岁那年，世界上又出了一件和量子力学有关的大事。这年是1905年，我们知道这年还有一个响亮的名字——“爱因斯坦奇迹年”。在这一年，不知名的专利局小职员爱因斯坦一下发表了五篇物理学论文，狭义相对论就是在这年创立的。爱因斯坦至死没有因为相对论而获得诺贝尔物理学奖，但以“光电效应”为理由给了他一个（1921年）——“光电效应”是爱因斯坦1905年另一篇论文的主题。![]()
爱因斯坦提出了“光量子”的概念，他认为光无非就是一束“能量子”形成的流，而同一波长的所有量子都携带着同样的能量。这些“光量子”后来就得名“光子”。这种观念和普朗克的“量子”异曲同工，又一次破坏了经典物理学世界的和谐安宁——其实光的微粒说之前就有了，但麦克斯韦（J. C. Maxwell）的电磁理论将光视为一种波，并且在理论和实验上都取得了完美的证明（理论物理“四大力学”中的“电动力学”就包括电磁波的系统理论），微粒说已被放弃许久了。而现在完美的电磁理论竟然无法解释光电效应。爱因斯坦因此主张用“光的波粒二象性”来解释光电效应，光的微粒说再次复活，光的本质再次成为未解之谜。物理学家们为光是粒子还是波，以及如何理解光的本质，喋喋不休争论了二十年，没想到在1924年，他们迎来了量子力学的成人礼。这年英国《哲学杂志》9月号上，发表了法国人德布罗意（L. V. De Broglie）的一篇文章，德布罗意提出了“物质波”的概念。这个概念是如此的石破天惊，如此的难以理解，所以有时候人们索性就称之为“德布罗意波”。所谓“物质波”，简单粗暴地说就是“世间万物只要运动就会产生波”，它有一个十分简单的关系：当物体静止时，波长就变成无穷大，而无穷大的波长当然意味着波的消失。别看这个简单的关系好像人畜无害的样子，实际上对经典物理学贻害无穷。按照德布罗意的想法，物质波就好比一个粒子在冲浪——粒子坐在波上随波奔驰，而波是粒子自身产生出来的。换句话说，就是“粒子骑在自己的波上”，这真是一种难以理解的滑稽而怪诞的意象，被一些人戏称为“半人半马的怪物”，但用来说明“光的波粒二象性”倒似乎又言之成理。现实生活中的法国贵族
德布罗意出身法国贵族，布罗意公爵的贵族身份至少可以上溯到1740年，传到他已经是第七代。这个家族还被奥地利人授予“亲王”头衔，因此德布罗意在1960年承袭了公爵和亲王两个贵族头衔。他1987年逝世于巴黎，享年95岁。德布罗意大学念的是索邦神学院（今巴黎大学前身），本来学的是历史，但后来受其兄影响，改念物理。在一些传记作者笔下，德布罗意“留着精心修剪过的小胡子，一副无精打采的样子”，服饰讲究，“身上每一丝每一毫都是纯正的法国贵族范儿”。![]()
1923年德布罗意发表了3篇关于光量子的论文，1924年他将关于物质波理论的物理学论文提交索邦神学院，对于这一“半人半马的怪物”，答辩委员们不知道该怎么办，但“他们都不想让一个社会地位这么高的人失望”，所以就让他通过了。德布罗意的答辩委员会主席是著名物理学家朗之万（Paul Langevin）——他的另一个著名身份是居里夫人（Marie Curie）的婚外情人。比较严肃的看法是，德布罗意之所以能够通过答辩，朗之万对他论文的赏识起了重要作用。![]()
出人意表的是，没过几年德布罗意居然就得了诺贝尔物理学奖（1929年）。相传他得诺奖的论文只有半页长，记得1980年笔者在南京大学念天体物理专业，有一次量子力学课测验中，一道难题全班无人答对，事后教授告诉大家：这道题是根据德布罗意得诺奖的论文改造的，“你们要是能答对就怪了”，听教授这么一说，班上那些尖子同学才释然了。更有趣的是瑞典皇家科学院给德布罗意的颁奖辞：在没有任何已知事实佐证的情况下，您大胆断言，物质不仅具有粒子性，也有波动性。后来的实验证明，您的看法是正确的。您给一个戴上荣耀桂冠好几个世纪的名字带来了新的荣耀。经典物理学的黄昏
对经典物理学来说，德布罗意波概念的出现就是一场浩劫。因为物理学家们发现：构成现代量子力学基础德布罗意波是一种“几率波”，这种波以几率——而不是经典物理学所习惯的准确形式——决定着粒子（比如电子）的运动。所以几率波（即德布罗意所主张的物质波）实际上断然否定了经典物理学中的确定性。1927年夏天，在布鲁塞尔的世界物理学家大会上，据说德布罗意的学说“遭到了全体一致的否定”（然而这又并不妨碍他在两年后获得诺贝尔物理学奖），引领风骚的人物换上了两位德国青年物理学家，海森堡（Werner Heisenberg）和薛定谔（Erwin Schrodinger），有人认为这两人决定了此后量子力学的发展方向。海森堡最出名的当然就是“测不准原理”，这个原理也有一个相当简洁的关系式，和德布罗意波的表达式有着明显的血缘关系：粒子位置的测不准量，和粒子速度的测不准量，这两个量中的任何一个为0时，另一个必为无穷大。换句话说，当我们能够准确确定粒子的位置时，粒子的速度必为无穷大，而无穷大的速度意味着粒子的速度完全无法确定；而当我们能够准确确定粒子的速度时，粒子位置的测不准量变成无穷大，这意味着我们完全无法知道粒子此刻位于何处。至于“薛定谔的猫”，其实只是文学性的修辞或比喻，虽然在文人作品中常被提起，其实严肃的物理学家基本上不屑于谈论这只猫。量子力学此后的各种进展，总体上已无关紧要。测不准原理和薛定谔的猫，其实做了同一件事——和德布罗意一起彻底摧毁了经典物理学世界的确定性。从今以后，已经没有任何圆满的方法，可以用时间和空间、原因与结果这样传统的观念来描述微观世界的事件了。![]()
