「我們都是波!」——德布羅意的重大發現

2020-12-04 WULI168

1929年 12月11 日,在物質波的發現者德布羅意的授獎儀式上,諾貝爾物理學獎委員會主席奧西恩無限感慨地說:「如果詩人們把我們的人生是波進而改為我們是波 ,那就道出了對物質本性的最深刻的認識」。

電磁波與機械波的根本區別

我們最熟悉的波是機械波,是機械振動在彈性媒質中的傳播,例如水波、聲波等等。可見光和無線電波都是電磁波。

在麥克斯韋電磁學理論建立之前, 人們以為光波也是一種由發光體引起的波,像聲波一樣也要依靠媒質(以太)來傳播。

光的電磁本質被揭示出來以後,人們知道了光波就是電磁波,實驗也否定了原來假設的「以太」的存在。20世紀初, 當愛因斯坦提出了光量子理論之後,人們又驚奇地看到了光既是波又是粒子的二象性。

興趣是最好的老師

德布羅意, 曾在索邦大學和巴黎大學讀書,先是學歷史,獲文學學士學位,又獲理學學士學位,在他的志趣轉向理論物理學之後,德布羅意對普朗克、愛因斯坦和玻爾的工作很感興趣。他的哥哥莫裡斯是一位研究射線的物理學家,兄弟二人經常討論物理學的一些前沿問題。在充分理解了普朗克、愛因斯坦和玻爾對量子規律的論述工作後,小德布羅意天才地提出了微觀粒子波二象性粒的假說,它是量子力學的奠基性假說。

波粒二象性的由來

1923年 9月, 德布羅意在《法國科學院通報》上發表了他的不同凡響的見解。這個年輕的博士生在題為《輻射——波與量子》的論文中問道整個世紀以來,在光學裡,比起波動的研究方法來,是過於忽略了粒子的研究方法; 在實物粒子的理論上,是否發生了相反的錯誤?是不是我們把關於粒子的圖像想得太多而過分地忽略了波的圖像呢?」他認為任何物質都伴隨著波,而且不可能將物質的運動和波的傳播分開。也就是說,波粒二象性,並不只是光才具有的特性,而是一切實物粒子都共有 的普遍屬性,原來被認為是粒子的東西也同樣具有波動性。進而 言之,一切物質,一切物體都有波動性。

怎樣把波動性和粒子性聯繫起來的

既然說一切物質都有波動性,那就要把這些物質與一個周期運動聯繫起來。怎麼聯繫呢?德布羅意認為:

首先,這種聯繫一定涉及普朗克常數h,因為它是微觀世界的特徵量;

其次,關於光子和波動的聯繫已經由愛因斯坦建立了,這應該是新關係的特殊情況。

於是他提出了德布羅意物質波假說:任何微觀粒子既是種粒子, 又是一種波動, 粒子的動量mv與粒子的波長λ之間的關係為λ=h/mv,這個關係後來被稱為德布羅意關係,與粒子相聯繫的這種波被稱為德布羅意波。

德布羅意波的波長好像與現實不符

由於普朗克常數的值極小,所以德布羅意波的波長非常短。根據德布羅意關係, 容易算出任何物質和物體的波長。例如,地球的德布羅意波長λ=3.6x10的-36次方米;體重50kg以速度10m/s飛跑的人λ=1.3x10的-36次方米;這些波長實在太短,至今都無法測量。於是對宏觀物體(包微塵)而言, 粒子性是主要表現,波動性根本無法測量,也就根本顯示不出。

然而對微觀物體情況大不一樣。以電子為例, 一個在電壓下加速的電子的波長λ=10x10的-22次方米,這相當於原子的尺度,也相當於x射線的波長,是可以測出來的。

德布羅意的理論經過愛因斯坦的推薦得到了重視

德布羅意的理論, 在當時由於缺乏實驗驗證, 並沒有引起人們注意但當德布羅意的導師朗之萬將此論文寄給愛因斯坦時,愛因斯坦對此大加讚賞,認為它揭示了「 自然界巨大面罩的一角」。經過愛因斯坦的推薦,人們才開始重視對物質波理論的研究。

電子衍射實驗完滿成功,證實了德布羅意假說

1927年電子衍射實驗完滿成功,證實了德布羅意假說。從此德布羅意的物質波理論被普遍接受,他因此榮獲年諾貝爾物理學獎德布羅意, 這位量子物理學的先驅於 1987年 3月19 日去世,享年95 歲這位長壽的物理學大師, 當看到科學後來所發生的翻天覆地的變化時,一 定不會心如止水, 思想深處, 定是「波」濤洶湧,這是德布羅意物質波嗎?

相關焦點

  • 萬物都有波!通過德布羅意波長公式,我們可以計算出任何物質的波
    ),這裡就不具體講推導的過程了,其實也並不複雜,對於數學感興趣的讀者可以將兩個公式結合就可推導出來,德布羅意經過簡單的數學手段,得出了一個看似很荒唐的發現,即物質也具有波動性。再者,德布羅意也沒有通過複雜的數學推導過程才得到這個結果,所以就連德布羅意的老師對於他離經叛道的想法都十分頭疼,於是將這個難題甩給了愛因斯坦,令人意想不到的是,德布羅意的這個理論卻得到了物理學大咖愛因斯坦的盛讚,因為德布羅意的物質波理論一半是通過愛因斯坦的質能方程推導出來的,愛因斯坦說德布羅意的物質波理論是天才的一筆,還揭開了偉大帷幕的一角,那麼德布羅意的物質波理論究竟是怎麼回事呢?
  • 德布羅意奠定了粒子就是波,波就是粒子的基礎
    前兩節課我們談了量子力學和海森堡對量子力學的發現的來龍去脈,以及量子力學背後的重要的原理,也就是不確定性原理。從這一課開始也就是第七課到第八課呢,我們談粒子與波。那麼在邏輯上來講啊,我們談到量子力學不得不提到兩個人,一個就是海森堡,第二位呢就是薛丁格。
  • 德布羅意的導航波理論復活了嗎?
    1927年,第五次索爾維國際會議召開,德布羅意提出了一種「導航波」理論,即每一粒子都具有確定性的空間位置或軌跡,由導航波函數描述。會議結束後,德布羅意的導航波理論漸漸地被物理學界遺忘。2005年,巴黎狄德羅大學的流體物理學家伊夫·庫代的「彈跳油滴」實驗以及「雙縫實驗」,使得德布羅意的導航波理論復活,但不久被丹麥技術大學的託馬斯·玻爾推翻。
  • 量子力學1.3.1 德布羅意的物質波假說
    量子力學的第三個歷史淵源,就是德布羅意的物質波假說。
  • 地球也有波動性,德布羅意提出的物質波早就投入到技術應用中
    光是粒子還是波?對這個問題的爭論是物理學史上的一段佳話,三百多年來由此引發了一連串的科學發現,直到今天這個問題也沒有得到徹底解決。牛頓時代,光的波動說和粒子說兩派就勢均力敵互不相讓,之後光的幹涉、衍射等現象陸續被觀察到,光的波動說逐步佔了上風。
  • 我們都是物質波,不撞不相識
    愛因斯坦用E=hv解釋了光電效應,獲得了諾貝爾獎;波爾利用這個方程解釋了原子模型理論,獲得了諾貝爾獎;德布羅意利用E=mc2和E=hv兩個方程發現電子也是一個波,提出了波粒二象性的理論,也獲得了諾貝爾獎。當量子理論不斷被大量的實驗驗證正確性,不斷發揮巨大威力時,大魔王普朗克先生完全沒想到,自己都被嚇一跳,OMG,有這麼大的威力。
  • 諾貝爾物理學獎得主——德布羅意
    物質波研究1923年9月至10月間,路易·維克多·德布羅意連續在《法國科學院通報》上發表了三篇有關波和量子的論文。第一篇題目是「輻射——波與量子」,提出實物粒子也有波粒二象性,認為與運動粒子相應的還有一正弦波,兩者總保持相同的位相。後來他把這種假想的非物質波稱為相波。
  • 量子力學4:德布羅意的明悟
    德布羅意用博士畢業論文拿到 1929 年的諾貝爾物理獎,青史留名。值得一提的是,證明電子波動性的幾個實驗物理學家得到了1937年的諾貝爾物理獎。其中一個獲獎者叫喬治·湯姆孫(Sir George Paget Thomson),用的不是晶體散射,而是另一個方法 —— 他是誰呢?就是我們上一講說的那個發現電子的約瑟夫·湯姆孫的兒子。
  • 德布羅意及其導航波理論
    圖1 路易·德布羅意(1892—1987)可能由於德布羅意對各個學科都擅長的緣故,在大學裡讀書的德布羅意並不清楚自己應該主修什麼科目。他最初選擇了歷史,後來又轉去學法律。1927年柯林頓·戴維森(Clinton Davisson)與雷斯特·革末(Lester Germer)的著名電子實驗,以及1928年喬治·湯遜(George Thomson)的另一個實驗,都驗證了德布羅意的電子波理論。
  • 世襲貴族卻走上科學道路的德布羅意
    路易·維克多·德布羅意,法國物理學家,他出生在一個貴族家庭,他的家族為法國各個王朝在政治、軍隊、外交方面都做出了很大的貢獻,不幸的是他從小父母早逝,再這樣的環境中造就了他謙遜、平易近人的性格。德布羅意因提出了著名的物質波理論而出名。德布羅意最初跟隨哥哥的導師朗萬之研究物理,也跟隨他哥哥研究X射線,他發現X射線時而波動性時而粒子性,他哥哥的朋友亨利·布拉格主張X射線的粒子性,他和他哥哥也經常討論波和粒子的關係,促使了德布羅意開始研究愛因斯坦提出的波粒二象性。
  • 德布羅意:我靠一篇畢業論文就拿到了諾貝爾獎
    在他的書房裡,德布羅意看到了普朗克的著作。普朗克可是量子力學之父,他對量子世界的描述吸引了德布羅意,他決心攻讀物理學。家庭方面,只有他的哥哥支持他,德布羅意就這樣開始了他的跨界研究之旅。有了哥哥的推薦和德布羅意自己的天賦,德布羅意得到了朗之萬的賞識,並收為弟子。倫琴發現X射線後,掀起了一陣研究狂潮,德布羅意也隨大流,研究X射線的運用。
  • 法國王子的物質波,解答了玻爾解決不了的問題,拯救了原子和我們
    愛因斯坦把他的科學貢獻形容為「照耀到我們物理學中這一最大的難題的第一縷陽光」。這真是自帶主角光環的人生,在小編心裡還有兩位自帶主角光環的人物:託馬斯·楊和玻爾都是十足的富二代。所以我們的王子就登場了,他是怎樣解釋電子為何會在特定的軌道而不會盤旋墜入原子核,而讓原子崩塌,給我們帶來滅頂之災。德布羅意物質波德布羅意在實驗確立愛因斯坦光量子說客觀存在之前,就已經了解和接受了光這種奇怪的二元性了,而其他科學家還是對光量子說持懷疑態度,甚至是嘲諷和可玩笑,所以科學還是要大膽的接受,不能居功自傲。
  • 量子力學中的物質波與概率波
    德布羅意公式雖然基於猜想,但卻是普適的。一個巨大的物體,也會有相應的波長,不過這和個波長接近於零,沒有實際意義。   愛因斯坦給與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。」那麼這個波到底是什麼樣的波,它的運動學方程是什麼樣的呢?薛丁格解決了這個問題,雖然他曾經認為德布羅意的論文「純屬垃圾」。
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    普通人感覺他們呆頭呆腦,頭髮亂如雞窩,腳上的兩隻襪子顏色經常都不一樣。 但是他們往往是數學天才,能夠利用一隻筆,幾張紙,演算出一種理論和假說去解釋過去發現的物理現象。另外,由於出版業,交通和通訊業方興未艾,他們的理論很容易在科學界流傳開來。
  • 萬物都有波!通過一個公式可以計算出任何物質的波長,包括你的波長!
    ,也就是著名的兩個公式:E=hv(普朗克常量)和E=mc2(愛因斯坦的質能方程),這裡就不具體講推導的過程了,其實也並不複雜,對於數學感興趣的讀者可以將兩個公式結合就可推導出來,德布羅意經過簡單的數學手段,得出了一個看似很荒唐的發現,即物質也具有波動性。
  • 「波粒二象關係式(甘永超公式)」是普朗克和德布羅意的畢生追求
    「波粒二象關係式(甘永超公式)」是普朗克和德布羅意的畢生追求「普朗克公式」揭示了「粒子的能量與波的頻率」之間的關係,「德布羅意公式」揭示了「粒子的動量與波的波長」之間的關係。但它們都只是揭示了「兩個物理量之間的關係」,卻不是「波與粒子之間的整體關係」,還拿了二個諾貝爾物理獎……然後呢,當然是希望揭示「波與粒子之間的整體關係」。這是「科學發展的方向和邏輯」!不能說普朗克、德布羅意他們沒有突破,搞不出來,科學就不向著這個方向發展了!事實上,普朗克和德布羅意(還包括愛因斯坦等)一輩子都在思考「波與粒子之間到底是什麼關係?」
  • 物質波的秘密-德布羅意波
    物質波波長公式雖然德布羅意得出了物質波的波長公式,提出了物質波概念,薛丁格據此得出了量子的波動方程,但是這位兩自己都沒有搞清楚自己所提出概念的物理意義。直到過去很久,才有物理學界玻恩給出了物質波的物理學意義,即物質波是概率波,它表示微觀粒子在空間上某個點出現的概率。比如德布羅意電子波,就是電子在空間某點出現的概率波,可以用一個概率函數來表示,即薛丁格方程。可惜的是,薛丁格一直不承認玻恩對自己波函數的解釋,他和愛因斯坦一樣,都認為上帝不會擲骰子來決定宇宙如何運行。
  • 量子力學1.3.2 計算粒子的德布羅意波長
    因為現在我們用到了有確定的能量和動量的粒子,求出了對應的波的頻率和波長,因此我們希望對這二者的關係有進一步的了解。
  • 袁燦倫重建《新量子力學》(二)愛因斯坦—德布羅意關係式的推導
    作者按作者於1991年學習《量子力學》時起思考並動筆,於1992年寫成了《新量子力學》,並應邀參加了中國科學院主辦的紀念德布羅意誕辰一百周年暨量子物理學史學術研討會從這個物理模型出發,所得出的每一個結論就都有明確的顯而易見的物理意義。