主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 49545

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2018-11-25 18:08:54
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奔波儿
奔波儿`5859`http://z9mkbg.blu.livefilestore.com/y1pAYd67I4RG1xeIRU3nhcpoMTRBXBgIk5bNw3y6vFZQtarQGeuOfgSw7z8W0wDnVzgh14j6-7FRpHmSXtuW2kIdjsdV_yF6XCO/icon.gif?psid=1`70`5217`22608`183626`正六品上:朝议郎|昭武校尉`2005-03-13 21:21:19`
【原创翻译】第六章·双重身份的公爵(1) 27

第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔(4)

“科学就像是一位老妇人,她从不惧怕那些成熟的男人”,父亲曾经对他说过这句话。可是他和自己的长兄一样,都成为了科学的俘虏。路易·维克多·皮埃尔·雷蒙德·德布罗意(Louis Victor Pierre Raymond de Broglie:1892~1987)出身于法国最为显贵的名门望族之一,按说他应该如众人所期望的那样,追随他那些声名显赫的祖先的脚步。德布罗意家族起源于皮埃蒙特(Piedmont),自十七世纪中叶以来一直为法国历代国王服务,出了许多杰出的战士、发言人以及外交家。为了奖赏该家族的忠诚服务,他们的一位祖先在1742年被路易十五册封为公爵(Duc),并可以由子孙世代继承。该公爵的儿子维克多·弗朗西斯(Victor-Francois)由于在一次战役中将神圣罗马帝国的敌人击溃,因此被心怀感激的帝国皇帝也给予公爵(Prinz)封号。从此以后,德布罗意家族的子孙都将拥有公爵(Prince)或者女公爵(Princess)的头衔。因此,这位年轻的科学家也将同时成为一名德国公爵和法国公爵。这位年轻人拥有如此非比寻常的家族历史,而他却在量子力学领域做出了同样不凡的贡献,且他的这一贡献被爱因斯坦称为是“在我们这个糟糕透顶的物理迷宫里面投下了第一抹阳光”。

路易于1892年8月15日出生于迪耶普(Dieppe),在家中最终长大成人的四个孩子中,他是最小的那一个。为了和他们优越的社会地位相匹配,德布罗意家的孩子们自小就在古老的家舍中接受严格的私人教育。当其他的孩子已经能够念叨当代那些最为著名的蒸汽发动机的名字时,小路易却能够背诵法兰西第三共和国所有部长的名字。为了迎合家族的喜好,他阅读报纸上的政治版面的文章,然后就开始做演讲。他的祖父曾经做过首相,很久以前“,大家就预测路易将会成为一位政府发言人”,他的姐姐宝莲(Pauline)回忆说。如果他的父亲没有去世,也许事情真会像大家所预计的那样发展。但在1906年,他的父亲过世了,那一年,他十四岁。

他的兄长,莫里斯,时年31岁,成为了家族的家长。按照惯例,莫里斯应该去从军,而且应该选择海军而不是陆军。在海军学院,他在科学方面的成绩优异。作为一名杰出的青年军官,他发觉渐入20世纪的海军正处于一个过渡发展时期。由于莫里斯在科学方面具有浓厚的兴趣,他很快就投入到一项工作中去,目的是建立一套可靠的舰对舰无线通讯系统。1902年,他写出了自己的第一篇论文,内容是关于“无线电波(Radioelectric Waves)”。尽管父亲极力反对,他还是做出了自己的决定,那就是离开海军,投身到科学研究中去。1904年,在海军服役九年之后,莫里斯退役了。两年之后,父亲去世,他不得不担起了第六代公爵的重任。

按照莫里斯的建议,路易被送到学校。“身为一个年轻人,我在重压之下感到窒息,但我还是约束住自己,尽量按照哥哥给我严格划定的方向进行学习,尽管有时他的改变让我产生一些顾虑”,他在半个世纪以后写道。路易擅长法语、历史、物理学和哲学。在数学和化学方面,他成绩一般。经过三年的学习,十七岁的路易于1909年毕业,同时获得了哲学和数学的学士学位(baccalauréat)。而一年以前,在法兰西公学院(Le Collège de France)学习的莫里斯在保罗·朗之万的指导下获得了博士学位,随后他在巴黎夏多布里昂街(Rue Chateaubriand)的自家大宅里建立了一个实验室。由于他并没有去大学里谋求一份教职,而是创建了一所私人研究所来从事自己的新职业,这让德布罗意家族中对他摈弃军职投身科学的怨言少了许多。

和莫里斯不同,路易当时选择了一条遵循传统的职业道路,他到巴黎大学学习中世纪的历史。但是,这位20岁的公爵很快就发现,自己对这种埋首于故纸堆中的寻章摘句根本没有任何兴趣。莫里斯后来说,他的这位小弟“差不多快对自己丧失信心了”。其实,形成这种局面的部分原因是因为路易在莫里斯的实验室里和哥哥一起待过一阵子,这让他对物理学产生了越来越浓厚的兴趣。他的兄长当时正痴迷于X射线的研究,而这种狂热是会传染的。然而,大家却质疑路易是否具有这方面的能力,尤其是他刚考砸了一门物理考试。路易心想难道自己就注定会一事无成吗?“他那些青春期特有的狂热和冲动随风而去!这个从儿时起就喜欢夸夸其谈的人因为陷入沉思而彻底哑火了”,莫里斯根本无法相信这个性格内向的人就是他从前的弟弟。按照哥哥的说法,路易将变成“一位兼具苦行僧和狂野性格的学者”,他甚至不愿意离开他自己的屋门半步。

1911年10月,路易第一次去国外旅行,他的目的地是布鲁塞尔,那一年,他十九岁。莫里斯从海军退役以后,已经成为一名在X射线研究方面声望卓著的科学家。他收到了一封邀请函,为了保证第一次索尔维会议的顺利召开,会议需要两位科学秘书,信中邀请他担当其中之一,莫里斯欣然接受邀请。尽管在会议中,他所从事的不过是会务工作而已,但他却能与普朗克、爱因斯坦以及洛仑兹这样的学者一起畅谈量子问题,这样的机会实在是让人难以割舍。法国方面阵容壮观,居里夫人、彭加莱、佩兰,以及他以前的导师朗之万都受邀与会。

路易和所有的与会代表一样,都住蒙特波里大酒店,但他却刻意与大家保持距离。散会以后,大家返回住处,莫里斯谈到了在一楼的一个小房间里所进行的关于量子问题的讨论,这让路易对这个新的物理领域产生了额外的兴趣。在会议的学术报告正式发表以后,路易阅读了这些文章,不知不觉间开始了自己向一个物理学家的转变。当时,他已经阅读了有关物理学历史的书籍。1913年,他获得了具有同等学历的“理学士(La Licence és Sciences)”证书。然而,他的计划需要推迟一下,因为他必须要去军队服役一年。尽管德布罗意家族可以对外炫耀说他们之中出过三位法国元帅,但路易加入陆军以后,首先是从工兵连的一个普通列兵做起,他的驻地在巴黎附近。靠着莫里斯的帮助,他很快被调到无线通讯部门。然而,第一次世界大战爆发了,这让他想迅速回到物理研究领域的希望灰飞烟灭。在接下来的四年时间,他作为一名通讯兵驻守在埃菲尔铁塔之下。

1919年8月,路易退役了,从21岁到27岁,整整六年时光,他都必须穿着一身制服,这让他怒火万丈。路易比过去任何时候都更渴望能沿着自己选择的道路坚定不移地走下去。在莫里斯的帮助和鼓励之下,他在哥哥的设备齐全的实验室里忙得不亦乐乎,他所研究的方向是X射线和光电效应。为了解释实验结果,兄弟二人经常进行长时间的讨论。莫里斯提醒路易要认识到“实验科学的教育价值”,并要注意“如果科学没有事实做为依据,那么科学的理论架构毫无意义”。关于X射线的吸收问题,莫里斯认真思考了电磁辐射的本质问题,并写了一系列文章。德布罗意兄弟均认同光的波动理论以及粒子理论在某种意义上都是正确的,因为只有前者才可以解释光的散射及干涉现象,同时,也只有后者才能解释光电效应。

1922年,爱因斯坦受朗之万之邀前往巴黎进行学术讲座,但却受到了很不友好的招待,原因是他在整个战争期间都待在柏林。而同样在这一年,路易·德布罗意发表了一篇论文,在文中他直言不讳地采用了“光量子假说”。在康普顿正式对外发表他的实验结果之前,德布罗意就已经认同了“光原子”的存在。当美国人对外公布了他所做的与电子相关的X射线散射实验的数据及其分析结果以后,爱因斯坦的光量子得到了证实;而此时,德布罗意却已经开始思考如何和光这种独特的二相性和平共处。然而,其他人却持一种玩笑态度对待这种局面,因为他们不得不在每周的星期一、星期三和星期五教授光的波动理论,而在周二要教授粒子理论,这让他们怨声载道。

“经过长时间的闭关思索和冥想,”德布罗意后来写道,“我突然有了一个主意,光量子理论是爱因斯坦在1905年提出的,在1923年,该理论应该能将其适用范围推广到所有的物质粒子,特别是电子。”德布罗意大胆地提出了一个简单的问题:如果光波的行为和粒子相似,那么粒子比如电子,能不能像波那样运动?他的答案是“可以”,且德布罗意发现如果他设想电子是一种“假想的波”,频率为v,波长为λ,那么他就可以解释玻尔的量子原子模型中那些轨道的精确位置。在这种电子所能占据的轨道上,其周长一定是这种“假想的波”所具有的波长的整数倍。

在卢瑟福的氢原子模型中,电子在沿轨道运行的时候会向外辐射能量,最终沿螺旋型轨道坠入到原子核中,从而导致该模型的坍塌。为了避免这种灾难的发生,玻尔在1913年被迫给这一模型加了一个必要条件:处于原子核外的稳定轨道上的电子,不会辐射能量。德布罗意的方法是将电子看作是一个驻波(Standing Wave),而不是当作一个沿原子核旋转的粒子。

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如果将一根弦两端固定,比如像小提琴和吉他那样,就可以形成驻波。通过弹拨琴弦,各种驻波随即产生,而这些波都具有一定的特点,即它们的长度都是半波长的整数倍。而最长的驻波,其波长为弦长的两倍。其次长度的驻波则是由两个半波长组成的,也就是说此时波长等于弦的物理长度。再下来,驻波是由三个半波长组成的,以此类推下去。这一系列由整数倍的半波长组成的驻波是在物理上唯一可能存在的,且每一个都有其特定的能量。由于频率和波长是相关的,如果弹拨吉他的琴弦,琴弦震动的频率均与其基本的音调(Tune),也就是最低的频率相关。

德布罗意认识到在玻尔的原子模型中,正是这个“整数”条件决定了所有可能存在的电子轨道,而这些轨道的周长恰巧允许驻波的存在。这些电子驻波并不是像乐器一样两端是固定的,而是因为其运行轨道的周长正好为半波长的整数倍。如果这种吻合不存在,那么就不会有驻波,因而也就不会存在稳定轨道。

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第六章·双重身份的公爵(2)


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通宝推:逍遥清风,非鱼,桥上,唐家山,
最后于2018-12-03 10:02:56改,共2次;
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