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
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]。
1
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
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
设粒子在参考系S中的速度为
那么,在S系中,粒子的振动频率
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
由于频率是周期的倒数,故
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
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......
2
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
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
振动的相位为
到此,德布罗意假设:相波的相位与粒子的振动相位相等。故有
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
同时有一个频率为
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
由波速关系式可得
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
在S系中,相波的频率为
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
在S0系中,粒子的振动相位为
在
3
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/
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.pdf
https://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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