L.德布罗意(Louis— Vector de Brogile.1892—1987)是波动力学的伟大先驱之一,1929年,他因为发现电子的波动性而获得了诺贝尔物理学奖。回顾德布罗意的科学道路,他大胆的想像力和敏锐的刨新意识,尤其是独具特色的治学方法,对我们都有启发意义.
1.成就的背后
是什么引导德布罗意在读博士期问就开启了波动力学的大门?是不懈的个人努力、极大的科学兴趣、独特的治学方法造就了这个波动力学的巨人。 众所周知,伟大的科学家大都具有某种哲学气质,这也许是德布罗意成为波动力学创始人之一的一个必要条件。在读了庞加莱的《科学的价值》和《科学与假设》等书后,德布罗意对科学的价值及其方法论有了崭新的认识和理解.在治学方法方面,德布罗意维承了爱因斯坦的“统一性”观点,非常擅长于归纳外推的哲学方法。
1923年夏天,德布罗意已经形成了这样一种思想:把波粒二象性加以推广使物质粒子(特别是电子)也包括在内正,是由于这一思想,他于1923年9月到l0月在《法国科学院报导》上连续发表了三篇文章:《波和量子》、《光量子、衍射和干涉》和《量子、气体运动理论和费马原理》,提出了现在称为德布罗意波的雏形1924年,他在自己的博士论文— — 《关于量子理论的研究》中,详细阐述了他的物质波思想及其各种应用。此文发表在1925年法国《物理杂志》第一期上,在第一篇论文中提出了 非物质波”的概念:与运动着的实物粒子相对应的一条正弦波,它与粒子总保持相同的相位。在德布罗意的博士论文中把“非物质波”称作相波,但是德布罗意并没有阐明相波的物理涵义,事实上他当时对此也没有完全弄明白,正如他在论文结尾所写的:“我特意将相波和周期现象说得比较模糊,就象光量子的定义一样,可以说只是一种解释。因此最好将这一理论看成是物理内容尚未说清楚的一种表达方式,而不能看成是最后定论的学说。”
德布罗意在1923年9月10日的《光和量子》的文章中,考虑了一个静止质量为m的粒子的相对论效应,显然它应具有能量mC2,他把这一能量与量子现象联系起来,得到hv=m C2 ,于是他提出了一个大胆的设想:“一般的”物质也具有波粒二象性,在这篇文章中,他用波的观念分析了玻尔的量子化条件,并认为这种波的干涉是玻尔量子化条件的物理基础。
德布罗意在科研方法方面追随了爱因斯坦。德布罗意曾经撰文道:“自从19岁我开始转向理论物理的研究以后.我一直是爱因斯坦及其学术工作的狂热崇拜者,⋯ 总之在我学习的每一个领域.我对这位伟大思想家学术造诣的崇拜与日俱增” 爱因斯坦在创立相对论时,巧妙运用了 统一性”思想方法.把本来毫无联系(经典物理的观点)的空间和时间密切缔合起来了。能像爱因斯坦那样巧妙运用“统一性”思维的科学家为数不多,而德布罗意正是这少数科学家中的佼饺者。
首先把实物粒子和波相联系起来的是布里渊,首先引入波粒二象性概念的是爱因斯坦,而真正将布里渊的设想和爱因斯坦的光的波粒二象性联系在一起,并提出实物粒子也具有波粒二象性、波粒二象性是所有物质的普遍属性思想的却是德布罗意,谁也不敢说德布罗意比布里渊更聪明,也许只是因为德布罗意掌握了更有效的思想方法。他一直追随了爱因斯坦的实在论思想路线。
在治学方法方面,德布罗意合理地运用了“历史主义”的方法,他是“半路出家 .本来是学历史出身的他肯定会带有某种程度上的历史情结,尤其是科学史情结。 他在《物理学与微观物理学》一书的前言中写道:“科学史是一般历史中众多分支之一.它对伟大的历险给我们以公正的评价这历险不断地开阔我们的思想的视野⋯ ⋯ ”这种认识很可能使他刚踏上科学之路就带有一定的目的性和历史使命感。德布罗意正是从在他进入科学阵营以前所发生的科学革命,找到了物质波理论的思路。大致上说他的思路有三条:其一是来源于爱因斯坦1905年关于光量子的论文以及爱因斯坦后来的一些工作,即光子不仅具有能量,而且还具有动量,这已经使得光具有波粒二象性。⋯ ⋯ 其二,玻尔的量子条件自身直接提示电子具有波动性⋯ 其三是康普顿于1923年发现的康普顿效应给他以极大启发。
2.不倦的追求
1927年,德布罗意提出了一个想法— — 双重解论,他认为薛定谔方程应该有双重解:一个是代表波的普通解波函数,另一个是代表粒子的奇异解。德布罗意确信:粒子和波是同时并存的,粒子则是波的中心的某种奇点,而这也是对微观世界的客观描述。实际上,德布罗意自己也承认这是一个半经典的理论。另一个波动力学的建构者——薛定谔甚至认为:波函数真实地描述了三维空问中的波动,没有什么粒子,徽观世界的本质是波。对波函数的解释是当时困扰物理学家的一个难题之一。
今天,大家基本赞同玻恩对波函数的统计解释。玻恩是因为在量子力学方面,尤其是波函数的统计解释方面的杰出工作而获得诺贝尔物理学奖的。
1952年,德布罗意又重新提出他的这一理论,其精神是可贵的,真是“烈士暮年,壮心不已”,以60岁的高龄继续为量子力学的完备性问题作贡献;其举动也是审慎的,是在玻姆发表了一篇关于量子力学的隐变量理论方面的文章以后,才公开发表了他的文章的,双重解理论是企图依据经典的时空观念对量子力学做出因果决定论解释,而玻恩的统计概率解释,已经为越来越多的事实证明是有效的。
3.思索与启示
面对这位迅速进入物理学并迅速为物理学的进展作出杰出贡献,而后又不甘寂寞,孜孜不倦地耕耘于科研与教学第一线的科学家,我们心中充满的是惊讶与崇敬之情。德布罗意给我们留下了的科学遗产,除了他的物质波理论之外,最重要的应该是他大胆突破旧的理论束缚,基于实验事实形成新的科学概念,构建新的理论框架的科学创新精神。
爱因斯坦提出光的量子假说以后,多数物理学家仍然只是把它当作修补经典理论的一个假说而已,并没有真正意识到光的量子论的价值。德布罗意则不然,他以一个热血青年特有的敏感,意识到了这种波动性和粒子性矛盾的背后一定有深刻的内在本质。德布罗意“经常注意到波和粒子的两重性是不可否认的现实,并认识到其重要意义,正所谓智者先识,勇者先达 .德布罗意可谓智勇双全,说他 “智”是因为他不仅意识到了其中的物理本质,而且首次引入了“相波”的概念,用一个崭新的、近乎“荒谬”的理论— — 物质波理论“揭开了大幕的一角”(爱因斯坦语)。说他“勇”是因为他不迷信权威.敢于类比,敢于联想和联系。他把几何光学和经典力学作了巧妙的类比,并把最小作用量原理应用到了实物粒子的运动中去。这对于像普朗克、洛伦兹以及朗之万等老一辈权威物理学家来说简单是“异想天开”。对于德布罗意的新理论,普朗克就曾经回忆说:“这个思想是如此之大胆,以致于我本人,说真的,只能摇头兴叹。我至今记忆犹新,当时洛伦兹先生对我说“这些青年人认为抛弃物理学中老的概念简直易如反掌。”
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