法国少了一名历史学家，人类多了一位伟大的物理学家！
（图源：wikipedia）
撰文 | 张天蓉
我们之前介绍的三位量子力学创始人中，爱因斯坦出身于商人之家，其他两位（普朗克和玻尔）的父亲都是教授。今天我们要讲的，第四位量子传承人，则是一位货真价实的法国贵族。布罗伊家族，政治地位显赫
路易·德布罗意（伊）（louis de broglie，1892年－1987年）是著名的法国物理学家，也是第七代布罗伊公爵。从他的“姓氏”中有个de就可以看出来他的贵族身份。法国贵族的姓，是de后面跟着封地的名字，在德布罗意这儿，封地名字便是“布罗伊”。第七代的意思容易猜测，不就是传了七个当家人嘛？的确如此，德布罗意的祖先是路易十四和路易十五时代的法国元帅，因此被封为布罗伊公爵，然后，便一代一代地世袭。
因此，德布罗意家族地位显赫，名人众多。自17世纪以来，这个家族的成员在法国军队、政治、外交方面颇具盛名，数百年来在战场上和外交上为法国各朝国王服务。德布罗意的祖父（第四代）是法国著名评论家、公共活动家和历史学家，曾于1871年任法国驻英国大使，1873年到1874年任法国首相。
图1. 布罗伊公爵
这样一个外交和政治世家的后代中，如何蜕变出来路易·德布罗意这么一位著名的物理学家呢？这还得从他的哥哥莫里斯·德布罗意（maurice de broglie）谈起。
路易14岁时，父亲就早逝了，爵位由比他大17岁的哥哥莫里斯继承。当然，莫里斯也同时继承了对弟弟路易教育抚养的责任。他不负家族之望，将弟弟送进最好的贵族学校，希望弟弟能发扬光大祖辈的传统，成为有名望的外交官或历史学家。
不过，莫里斯的努力好像适得其反，应了那句话：身教重于言教！莫里斯自己就叛逆了祖辈的事业，从1904年开始一直进行物理研究。他从海军军官学校毕业后，在法国海军服役9年，逐渐对物理学产生了兴趣，还在法国军舰上安装了第一台无线电设备。但是，当莫里斯向祖父布罗伊公爵征求“研究物理”的许可时，老人的回答令他沮丧、反感：
祖父逝世后，莫里斯最终走上了物理之路。他在朗之万手下工作和学习，并于1908年获得物理学博士学位。他对x射线科学感到兴奋，并在巴黎建立了私人实验室进行专门的研究。
莫里斯没想到，他的物理研究影响弟弟也走上了科学道路。路易·德布罗意受到哥哥实验室环境的熏陶，对物理产生了极大的兴趣，于是丢弃了他的历史专业，转而研究思考理论物理问题，并为其奋斗终生而无悔。法国少了一名历史学家，人类多了一位伟大的物理学家！
索尔维会议，法国学者众多
实际上，路易·德布罗意在主修历史的学生时代，就对科学发生了浓厚的兴趣，这主要得益于阅读彭加勒（或称昂利·庞加莱，henri poincaré，1854年－1912年）的著作《科学的生涯》和《科学与假设》等。
路易·德布罗意出生于以卓越的思想文化著称，且崇尚科学艺术的法国。从17世纪开始，法国的物理及数学界，就是人才济济、群星璀璨：笛卡尔、帕斯卡、费马、惠更斯…… 当年梅森创办的“梅森学院”，是科学家们的聚会场所和交流信息中心，也是后来开明君王路易十四给予丰富赞助成立的“巴黎皇家科学院”的前身。
之前我们介绍过量子物理的，即第一次索尔维会议，其中出席的24位学者中，有6位法国科学家，影响德布罗意的庞加莱便在其中，是照片里坐在中间与居里夫人交谈的那位（图2）。居里夫人左边，正在阅读文献的那位，是让·佩兰，研究x射线、阴极射线、和布朗运动的专家。他后来获得了1926年的诺贝尔物理学奖。
图2. 第一次索尔维会议中的法国学者-1
这第一次的量子大会，对路易·德布罗意的影响极大，主要是因为他的哥哥出席了这次会议，并担任会议的科学秘书（莫里斯是图3的中间一位，他也是第二、三次索尔维会议的科学秘书）。因此，路易·德布罗意有机会接触到会议的许多相关文件，比如爱因斯坦和普朗克有关量子化概念的文章等等。
图3. 第一次索尔维会议中的法国学者-2
读了庞加莱的著作，德布罗意对物理学和科学哲学产生了浓厚的兴趣。他哥哥（m·德布罗意）实验室中对x射线的研究，启发了他对波和粒子的思考。第一、二、三次索尔维会议的文件中，有使用量子化概念对黑体辐射和光电效应进行的计算，有劳厄和布喇格分别做的x射线晶体衍射和反射强度的专题报告，有卢瑟福有关原子结构的报告……这些珍贵的文件，使德布罗意对物理学产生了极大的兴趣，决心转学自然科学。在第一次世界大战期间，德布罗意在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役。退伍后，他便跟随朗之万（图3右）攻读物理学博士学位。
第一次索尔维会议中，还有一位法国物理学家，m·布里渊（m. brillouin，图3左边那位）。他就是后来研究晶体结构，以“布里渊区”知名的莱昂·布里渊（léon brillouin，1889年－1969年）的父亲。m·布里渊曾经是朗之万和让·佩兰的老师，因此德布罗意算是他的“徒孙”。
m·布里渊在1919年到1922年间，曾连续发表三篇论文，都是关于1913年玻尔提出的原子模型定态轨道的理论。这几篇文章对德布罗意形成物质波思想有很大帮助。
电子驻波态，解释玻尔模型
玻尔不在参加首届索尔维会议的科学家之列，因为他1913年才发表有关原子模型的论文。在1911年，他还是一个无名小卒。不过后来的二、三、四次索尔维会议上，不知道什么原因，也都没有看到玻尔的踪影。在这点上，比玻尔小7岁的德布罗意，虽然未亲自参加会议，但得益于哥哥，能够近水楼台先得月，早就开始思考些“波”“粒子”之类的深刻理论问题。
历史本来就是交错进行的，有竖线条也有横线条，许多事件互相纠缠影响，犹如一张纵横交叉的大网。玻尔提出原子模型时，为了符合实验结果，做了三条假设：定态假设、量子化条件、频率规则。但是，玻尔当年并未弄清楚这三大假设的理论基础，他提出了电子轨道间的跃迁，也没有清楚地解释跃迁之机理，只是作为几条硬性规定放在那儿，让其他人去猜测捉摸。因此，玻尔模型开始时不被物理学界接受。汤姆孙拒绝对其发表评论，卢瑟福也不赞同，薛定谔则说，那是一种“糟透了的跃迁”。
但玻尔模型毕竟解决了一些问题，那么，应该如何解释和改进玻尔模型呢？大多数物理学家仍然走在那条“半经典半量子”的道路上。例如，1916年，德国的索末菲将圆轨道推广为椭圆轨道，并引入相对论修正，提出了索末菲模型。法国的m·布里渊，提出了一种解释玻尔定态轨道原子模型的理论。他设想原子核周围的“以太”会因电子的运动激发出波，当电子轨道半径与波长呈一定比例关系时，这些波互相干涉形成环绕原子核的驻波。这种说法似乎可以解释电子轨道的量子化，但是需要“以太”的参与，与爱因斯坦的狭义相对论相违背。
德布罗意听到布里渊的见解，高兴了。他把以太的概念去掉，将波动性的来源直接赋予电子本身。也就是说，电子本来就具有波动性！德布罗意想，辐射本来是波动，普朗克和爱因斯坦却赋予它们粒子性，那么，原本以为是粒子的电子，为什么不能也具有波动性呢？
如上图所示，电子形成驻波的原子模型，很自然地解释了电子轨道及角动量的量子化假设。此外，驻波当然不辐射能量，这是经典波动学说就有的结论。不过，德布罗意的假设解释索末菲的椭圆轨道模型有点困难。此外，德布罗意当时关于电子波的想法，也只是文字上的说法，没有导出严格的动力学方程，所以人们仍然感到美中不足。
物质波概念，影响广泛深远
经过几年的努力，德布罗意在1924年完成了他的博士论文《量子理论研究》，较为详细地解释了有关电子波的理论。
德布罗意认为，物质粒子与光，都具有波粒二象性。考虑动量和能量分别为p、e的粒子（或物体），它们也有波长λ和频率ν，表述为：
式中的h是普朗克常数。对粒子和光子，公式（1）都成立。也就是说，粒子和光，都既是粒子又是波。公式（1）即为物质波的德布罗意公式。
德布罗意想象力极其丰富，认为粒子也是波，称之为物质波。德布罗意想象，这种物质波是普适的，一个巨大的物体，也会有相应的波长，不过这个波长接近于零，没有实际意义而已。对于德布罗意的物质波猜想，朗之万等人觉得很是新颖，但也有些拿捏不准。1924年4月，在第四次索尔维国际物理会议上，朗之万谈到了德布罗意的工作。这引起未参加会议的爱因斯坦的注意。后来，朗之万将德布罗意的论文寄给爱因斯坦。这位伟人给予德布罗意的大胆假设极高的评价：“我相信这是我们揭开物理学最难谜题的第一道曙光。”爱因斯坦还将论文推荐给玻恩和薛定谔等，这才有了后来的波动方程及其概率诠释之事。
实际上，德布罗意自己，对波动性和粒子性等问题，在脑海中反复思考已久，在论文答辩时，他已经有了深入的认识和充分的自信。因此，当让·佩兰问道：“怎样用实验来证实你的理论呢？”德布罗意胸有成竹地回答说：“用晶体对电子的衍射实验是可以证实的！”
后来，实验物理学家也紧跟着德布罗意的思想，得到了能够支撑其假说的实验结果。1926年夏天，美国贝尔实验室物理学家戴维森在实验中发现电子衍射现象。紧接着，几乎是同时，英国剑桥的g.p.汤姆逊也观察到电子束通过薄金箔时有圆环条纹产生。这两个实验为德布罗意波提供了坚实的基础。由此，德布罗意获得1929年的诺贝尔物理学奖，戴维森和汤姆逊也分别获得了1933年和1937年的诺贝尔奖。
量子传承人，看透人间烟火
德布罗意提出了物质波的伟大假说，却经常被不明真相的世人诟病。许多人都听过这位所谓的“花花公子”“纨绔子弟”的传说，但实际上这些谣言与德布罗意做学问的风格相距甚远。还有传说德布罗意靠着“一页纸”论文得到博士学位，更是无稽之谈。网上可以查到德布罗意博士论文的英文版，不是1页，而是81页。此外，当你看完了我们这篇介绍德布罗意的文章，你还会相信这些谣言么？
1960年，德布罗意的哥哥，第六代布罗伊公爵莫里斯去世，路易正式成为第七代布罗伊公爵。公爵的世袭头衔并未使德布罗意的生活改变许多。他仍然是理论物理教授，仍然从事科学研究。他对人彬彬有礼，绝不发脾气，既是一位贵族绅士，也是一位毕生兢兢业业的科学家。
路易·德布罗意从未结婚，一辈子单身。据说他交过女朋友，有两位忠心耿耿的随从。他喜欢过平俗简朴的生活，卖掉了贵族世袭的豪华巨宅，选择住在平民小屋。他深居简出，从来不放假，是个标准的工作狂。他喜欢步行，或搭公车，不曾拥有私人汽车。
1987年3月19日，德布罗意过世，高龄九十五岁。
量子力学的诞生与发展，产生了数名诺贝尔奖得主，我们介绍过的四位便先后获得诺奖。然而，赞赏之余有遗憾，在量子之林中，也有几个光环没有照到的死角。下周，我们将介绍一位无冕之王，敬请期待！
