德布罗意的惊人发现:相位一致原理!

百科   2025-01-27 08:02   北京  

提到德布罗意,很多人都知道他是物质波假设的提出者。但绝大多数人并不知道他的贡献到底是什么,很多人认为他只不过是通过类比爱因斯坦的光的波粒二象性的公式,直接猜出了物质粒子所满足的两个关系式,即 

网上甚至还流行着一种说法,他仅凭一页纸的伦文,不仅获得了博士学位,还获得了1929年度诺贝尔物理学奖。

事实真的是这样吗?且听偶慢慢道来。

德布罗意,全名路易·维克多·德布罗意(Louis Victor de Broglie,1892~1987),生于法国政治世家。他中学时喜欢历史和哲学,于1910年获巴黎大学历史学士学位[1]

由于受研究物理的哥哥的影响,他1911年学物理,2年后得理学学学位。大学毕业后一战爆发,他在部队服役了6年。直到1919年,他回到巴黎大学,在物理学家保罗·朗之万的指导下学习理论物理[1]

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致命的矛盾

1923年,受爱因斯坦光量子概念的启发,德布罗意提出,微观粒子也和光子一样可看作能量子,在它的静止参考系S0中,其能量为另一方面,微观粒子还满足质能关系,即 故,一个静止的粒子具有频率 那么,这个频率是什么的频率呢?

德布罗意认为,它是粒子的一种振动的频率。说得更通俗一点,微观粒子在某种隐藏的空间维度上在振动,而  就是这个振动的频率。

设粒子参考系S中的速度为  ,它也是S0系相对S系的速度

那么,在S系中,粒子的振动频率  是多少呢?

根据时间膨胀效应由于粒子的振动在S0系中是同地不同时的事件,其周期是固有时  ,而它在S系中的振动周期  是运动时,二者之间的关系为  

这里的  ,而  。

由于频率是周期的倒数,故  与  的关系为 

然而,到这里,德布罗意立刻发现了严重的问题!

因为在S系中,粒子因为具有速度  ,根据相对论,其能量为 如果认为能量子假设是正确的,仿照上面(3)式,得粒子的频率应为 这一下让德布罗意大吃一惊!这两个频率看起来都是合理的,一个是由狭义相对论得到的,一个是通过能量子假设推得的,但为什么却出现如此明显的矛盾呢?

难道这两个理论真的水火不容?!

怎么办?德布罗意陷入了深深的困惑中......

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相位一致原理

既然它们的来由都合理,是不是有两个频率呢?

没错!正是这样!德布罗意一下子兴奋起来!

他现在意识到:由相对论得到的频率  是粒子自身振动的频率,而根据量子论得到的频率  是一种与粒子相伴(也称缔合)的波的频率!他把这种波叫相波(phase wave)

好吧,先平静一下,下面我们来好好捋下这背后的思路。

首先,考虑静止粒子,即在S0系中的情形。

由于  ,故  ,所以 故在S0系中,粒子振动与缔合的相波频率相同。

振动的相位为相波的相位为 德布罗意认为,此时粒子不动,对应的相波也不动,那应该是驻波。此时粒子的能量分布在全空间,但集中于粒子附近区域。

到此,德布罗意假设:相波的相位与粒子的振动相位相等 

这说明静止粒子的相波的波长无限大,根据关系式 

故静止粒子的波速  也是无限大。   

接着,来看匀速运动的粒子,即在S系中的情形。

粒子一方面在以频率  振动,其相位为 

同时有一个频率为  的相波与粒子缔合,作为波,其相位应有如下形式 

代入  和  得 那么怎么得到这里面的波长  呢?

德布罗意继续假设:相波的相位与粒子的振动相位相等。故有 代入  得 由动量  ,故得 这就是德布罗意波长公式。  

由波速关系式可得 

由于粒子运动速度  ,可见相波的波速是超光速的。因为它相位的传播不携带能量或信息,所以这并不违反狭义相对论,将其命名为相波是合理的!

根据此公式,回头看S0系中的情形。显然,当粒子的速度为零时,波长和相速度也是无限大的,这说明德布罗意波长和相速度公式是普适的。

另外,上面使用了  ,但  并未证实,我们来推导一下。

在S系中,相波的频率为 故得 证明了能量的频率公式。  

读到此处,你应该发现德布罗意的核心思想:无论静止还运动粒子,其振动相位与相波的相位总是相等的。这就是所谓相位一致(phase matching)原理。

上面,我们根据时间膨胀效应得到粒子在S系中的振动频率  ,实际上,我们完全可以直接使用相位一致原理来推得这一结果。

在S0系中,粒子的振动相位为 

在  系中,粒子也一样在振动,相位为 假设零时刻时,S系和S0系的坐标原点重合。在  时刻,粒子在S系中的坐标为  ,根据洛伦兹变换,此时刻在S0系中的对应的时刻为 

代入  得 根据相位一致原理  ,联立(4)、(5)和(6)可知 与时间膨胀效应的结果一致。 

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德布罗意的贡献

在量子力学理论诞生的前夜,德布罗意敏锐地意识到,相对论和量子论要在微观粒子上保持一致,必然存在相位一致的条件。

正是基于这一重要假设,德布罗意成功地推导出了微观粒子的波长和频率公式,这才有了后来所谓物质波两个公式。实际上,德布罗意在很多场合多次表示,相位一致原理是他毕生的最高成就[2]。 

1924年,也就是他32岁那年,他围绕这一假设完成了博士论文,他的导师忐忑不安的将那长达百页的论文(注:英文版81页[3])推荐给爱因斯坦审阅。出乎意料的是,论文得到了爱因斯坦的高度评价,德布罗意顺利获得博士学位。

实际上,在1924年之前,德布罗意已在理论物理各相关领域发表论文15篇,有10篇论文与相波相关,其中发表在《法国科学院通报》上的3篇文章是他的核心工作,在量子力学史上具有划时代意义。

1929年,凭借这一工作,37岁的德布罗意获得诺贝尔物理学奖[4]

The Nobel Prize in Physics 1929 was awarded to Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie "for his discovery of the wave nature of electrons"
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1929/summary/
德布罗意不愧是二十世纪世界顶级物理学大师,他深谙当时最新的物理理论。基于深厚的数学功底,他迅速进入了当时的物理学研究前沿。此后,他在统计物理,相对论和量子论等多个领域都作出了重要贡献[5]
参考文献
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1929/broglie/biographical/罗凌霄.匀速运动粒子的相波和相位一致原理[J].大学物理,2014,33(09):5-8+19.DOI:10.16854/j.cnki.1000-0712.2014.09.007.https://fondationlouisdebroglie.org/LDB-oeuvres/De_Broglie_Kracklauer.pdfhttps://www.nobelprize.org/prizes/physics/1929/ceremony-speech/倪光炯.朝花夕赏:狭义相对论是经典理论吗?[J].科学,1998,50(01):29-33+2.




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