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?