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数学家传记

路易·德布罗意Louis de Broglie

出生
1892年8月15日 法国迪耶普
逝世
1987年3月19日 法国巴黎

路易·德布罗意是一位法国数学家,最著名的是描述了电子的波粒二象性。

完整传记

路易·德布罗意的父亲是Victor,德布罗意,母亲是Pauline d'Armaillé。德布罗意在巴黎的Lycée Janson de Sailly学习,于1909年完成中学教育。在这个阶段,他并没有设想从事科学事业,而是有兴趣在大学学习文学。他进入巴黎的索邦大学学习历史课程,打算为自己在外交部门谋一份职业。18岁时,他获得了文学学位,但他已经开始对数学和物理产生兴趣。在被分配了一个历史研究课题后,他经过极大的犹豫,选择了攻读理论物理学位。

1913年,德布罗意获得了理学学士学位,但在他的事业进一步发展之前,第一次世界大战爆发了。战争期间,德布罗意在军队服役。整个战争期间,他都隶属于无线电报部门,并在埃菲尔铁塔的站点服役。在这些战争岁月里,他所有的业余时间都用来思考技术问题。他解释了战后自己如何被数学物理吸引(例如见[9]):-

当我在1920年恢复学业时……吸引我……走向理论物理的是……物质结构和辐射结构越来越被笼罩其中的神秘,随着马克斯·普朗克于1900年在他对黑体辐射的研究中引入的奇怪的quantum概念,日益深入到整个物理学中。

德布罗意虽然从事数学物理研究,但仍对实验物理保持兴趣。他的兄弟Maurice 德布罗意当时正在进行X射线的实验工作,这在20世纪20年代初的几年里对德布罗意产生了相当大的兴趣,期间他正在攻读博士学位。De Broglie1924年的学位论文Recherches sur la théorie des quanta (量子理论研究)提出了基于阿尔伯特·爱因斯坦马克斯·普朗克工作的电子波理论。它提出了他最著名的理论,即物质具有粒子和波两种性质的粒子-波二象性理论。

在1929年获得诺贝尔奖时的一次演讲中,德布罗意解释了他学位论文中思想的背景(例如见[9]):-

三十年前,物理学分为两大阵营:……基于粒子和原子概念的物质物理学,这些粒子和原子被认为服从经典牛顿力学定律;以及基于波在假想连续介质——光以太和电磁以太——中传播思想的辐射物理学。但这两个物理学体系不能彼此脱离:它们必须通过制定物质与辐射之间能量交换的理论而统一起来。……在试图将两个物理学体系结合起来的尝试中,实际上得出了既不正确、甚至应用于物质与辐射之间的能量平衡时也不可接受的结论……马克斯·普朗克……假设……一个光源……以相等且有限的量——量子——发射其辐射。马克斯·普朗克思想的成功伴随着严重的后果。如果光以量子形式发射,那么一旦发射,它难道不具有微粒结构吗?……詹姆斯·琼斯儒勒·昂利·庞加莱[表明]如果光源中物质粒子的运动按照经典力学定律进行,那么就无法得到正确的黑体辐射定律,即马克斯·普朗克定律。

在1963年的一次采访中,德布罗意描述了在上述背景下,他的发现是如何产生的:-

正如在我与兄弟的交谈中,我们总是得出结论:在X射线的情况下,既有波又有微粒,因此突然——……在1923年夏天期间确定——我想到必须将这种二象性扩展到物质粒子,特别是电子。我意识到,一方面,威廉·哈密顿-卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比理论在某种程度上指向那个方向,因为它可以应用于粒子,此外,它代表一种几何光学;另一方面,在量子现象中,人们获得量子数,这在力学中很少见,但在波现象以及所有涉及波运动的问题中非常频繁地出现。

电子的波动性质于1927年由美国的C J Davisson、C H Kunsman和L H Germer以及苏格兰阿伯丁的G P Thomson(J J Thomson之子)通过实验证实。德布罗意的电子物质波理论后来被埃尔温·薛定谔保罗·狄拉克等人用于发展波动力学。

获得博士学位后,德布罗意留在索邦大学任教两年,并于1928年成为儒勒·昂利·庞加莱研究所的理论物理学教授。从1932年起,他同时担任索邦大学理学院的理论物理学教授。De Broglie在那里任教直到1962年退休。从1944年起,他是经度局的成员。1945年,他成为法国原子能委员会的顾问。

他最大的荣誉是在1929年获得诺贝尔奖。我们在上面引用了他颁奖典礼上的演讲。让我们进一步引用演讲中的内容(例如参见[9]):-

因此,我得出了以下指导我研究的一般观念:对于物质,正如对于辐射,特别是光一样,我们必须同时引入微粒概念和波概念。换句话说,在两种情况下,我们都必须假设存在伴随波的微粒。但微粒和波不能是独立的,因为根据玻尔,它们是互补的;因此,必须在微粒的运动与与之相关的波的传播之间建立某种平行关系。

1929年获得诺贝尔奖后,德布罗意致力于波动力学的扩展。在许多主题的出版物中,他发表了关于保罗·狄拉克的电子理论、新光理论、乔治·乌伦贝克的自旋理论以及波动力学在核物理中的应用的著作。他写了至少二十五本书,包括Ondes et mouvements (波与运动)(1926年)、La mécanique ondulatoire (波动力学)(1928年)、Une tentative d'interprétation causale et non linéaire de la mécanique ondulatoire: la théorie de la double solution (非线性波动力学的因果解释:双解理论)(1956年)、Introduction à la nouvelle théorie des particules de M Jean-Pierre Vigier et de ses collaborateurs (让-皮埃尔·维吉耶及其合作者的新粒子理论导论)(1961年)、Étude critique des bases de l'interprétation actuelle de la mécanique ondulatoire (对当前波动力学解释基础的批判性研究)(1963年)。最后提到的三本书以英文译本出版,分别为Non-linear Wave Mechanics: A Causal Interpretation(1960年)、Introduction to the Vigier Theory of elementary particles(1963年)和The Current Interpretation of Wave Mechanics: A Critical Study(1964年)。

他写了许多通俗著作,展示了他对现代物理学哲学意义的兴趣,包括Matter and Light: The New Physics(1939);The Revolution in Physics(1953);Physics and Microphysics(1960);以及New Perspectives in Physics(1962)。

1933年,德布罗意当选为Académie des Sciences院士,并于1942年成为数学科学部的终身秘书。Académie于1929年授予他儒勒·昂利·庞加莱奖章,并于1932年授予他摩纳哥亚伯拉罕·阿德里安·艾伯特一世奖。他获得的其他荣誉包括1952年联合国教科文组织授予他的卡林加奖,以表彰他为公众理解现代物理学所做的努力。法国国家科学研究中心于1956年授予他金质奖章。进一步的荣誉包括授予他荣誉军团大十字勋章,比利时授予他利奥波德勋章军官勋位。他获得了华沙大学、布加勒斯特大学、雅典大学、洛桑大学、魁北克大学和布鲁塞尔大学的荣誉博士学位。他当选为欧洲、印度和美国的十八个科学院和学术团体的荣誉成员。

德布罗意这样描述自己:-

... 更像一个纯理论家,而不是实验家或工程师,尤其喜欢一般的和哲学的观点 ...。

德布罗意一生中的核心问题是,原子物理学的统计性质究竟反映了对底层理论的无知,还是统计就是所能知道的一切。他一生中大部分时间相信前者,尽管作为年轻研究者他起初相信统计掩盖了我们的无知。也许令人惊讶的是,他在晚年又回到了这一观点,说道:-

……统计理论在逃避我们实验技术的变量背后,隐藏着一个完全确定且可探知的实在。

让我们以瑞典皇家科学院诺贝尔物理学委员会主席C W Oseen对德布罗意的致敬来结束我们的传记:-

当你还很年轻时,你就投身于围绕物理学最深刻问题的激烈争论中。你大胆断言,在没有任何已知事实支持的情况下,物质不仅具有微粒性质,还具有波的性质。实验后来出现并证实了你观点的正确性。你为一个已经享有数百年荣誉的名字增添了新的荣耀。

参考文献

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