路易·维克多·德布罗意
法国理论物理学家,诺贝尔物理学奖获得者
路易·维克多·德布罗意(法语:Louis Victor de Broglie, prince, duc de Broglie,1892年8月15日—1987年3月19日),法国理论物理学家,第七代布罗意公爵,波动力学的创始人,物质波理论的创立者,量子力学的奠基人之一。
路易·维克多·德布罗意于1892年8月15日出生于法国,于1909年获得巴黎大学历史学学位。两年后,德布罗意逐渐对物理学感兴趣,并于次年在巴黎大学获得物理学硕士。1924年,德布罗意凭借论文《量子理论的研究》获得巴黎大学博士学位并留于本校任教。1930年,德布罗意创立《科学与工业实践》系列丛书,并于1932年担任巴黎大学理论物理学教授,后来便致力于波粒理论研究。1933年,德布罗意被选为法国科学院院士,同年荣法兰西学院第一席位的院士。1944年、1948年,德布罗意先后当选为法兰西学院院士、美国国家科学院外籍院士。后来他被授予法国原子能高级委员会顾问,并在亨利·庞加莱建立一个研究中心,进而促成国际量子分子科学院的成立。1951年后,德布罗意主要研究微观现象产生的原因和决定论科学哲学观点,并从波动力学的观点出发,探讨热力学分子生物学问题。1960年,德布罗意成为法国公爵兼神圣罗马亲王。德布罗意住在平民小屋里过着简朴的生活,直到1987年3月19日于路维希安去世,享年95岁。
路易·维克多·德布罗意的研究涉及波动力学电磁学相对论、波导、核物理量子场论电子显微镜等多个领域,并且他这一生获得过诸多荣誉,如于1929年荣获诺贝尔物理学奖,1952年获联合国教科文组织颁发的卡琳加奖金,在1953年和1958年先后当选为伦敦皇家自然知识促进学会的会员和美国艺术与科学科学院的院士,还在1961年获得法国荣誉军团大十字骑士称号以及先后获得法拉第与富兰克林奖章等。德布罗意在理论物理学上有着历史性贡献,其代表作有著名的博士论文《量子理论研究》,经典著作《现代物理学和量子力学》,《波和粒子》等。后世为纪念德布罗意,将相波称为物质波
人物生平
早年经历
1892年8月15日,路易·维克多·德布罗意出生于法国塞纳河畔塞纳省迪耶普的一个显赫世家,家族中曾出过公爵和部长。德布罗意的父亲维克多·德布罗意(Victor de Broglie)是第五代布罗意公爵,兼法国总理和外交部长,其母亲保利娜·德·阿尔梅莱(Pauline d'Armaille)是一位女作家的孙女。14岁时,他的父亲去世,其由兄长莫里斯·德布罗意(Maurice de Broglie )抚养长大,德布罗意自幼爱读书,能过目不忘。
德布罗意在上小学期间各门功课成绩就很优秀,并且喜欢研究“法国中世纪历史”。随后,德布罗意从巴黎德赛利中学毕业后便进入巴黎大学就读,并于1909年获得巴黎大学文学院历史学位。1911年,第一届索尔维会议召开,德布罗意以工作人员的身份参加这个会议,此次会议的主题是辐射和量子论,他深受启发,这使他下定决心要贡献出自己的全部力量去研究马克斯·普朗克引入的量子概念。同年,他放弃关于18世纪初法国内政问题的学位考试,转而学自然科学。1913年,德布罗意获得物理学硕士学位。1914年,第一次世界大战爆发,德布罗意正在陆军服役,刚开始被派到Fort Mont-Valérien当坑道工兵,后来,在他哥哥的倡议下,他被借调到无线通信服务部门,随后便在埃菲尔铁塔上的军用无线电台服役6年,进而为他的无线电知识打下基础。1919年,德布罗意退役后再次回到巴黎大学跟随物理学大师保罗·朗之万(Paul Langevin)攻读物理学博士学位,并在他哥哥的实验室参加实验研究工作。
1922年,德布罗意在一篇关于黑体辐射的文章中,运用光子假设和光子气假设,成功导出马克斯·普朗克的能量辐射定律。次年夏天,32岁的德布罗意提出设想:光既然具有波粒二象性,那么把问题倒过来考虑时,光的波粒二象性就不只局限于光现象,而实物粒子同样有这一特性。随后便发表短文来阐述他的这种设想,并详细地把它写进自己的博士学位论文。一年后,他以一百多页的博士学位论文《量子理论的研究》获得巴黎大学博士学位,论文首用“相波”概念说明波长和动量成反比,频率和总能成正比之关系。
1923年夏、秋,德布罗意认为应当推广阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)1905年所作出的波粒二象性结论,他在法国科学院议会周报《报导》上发表了三篇论文:《辐射一波与量子》,《光学一光量子、衍射和干涉》,《量子气体运动理论以及费马原理》,在这些论文中,关于波和量子的创造性思想不断流露。
1924年,德布罗意完成了博士论文《量子理论研究》,在论文中,他详细地解释了他所创建的波理论,通过爱因斯坦和马克斯·普朗克(Max Planck)的光波理论进而推出关于物质的波粒二象性——任何物质同时具备波动和粒子的性质,并详细阐述了有关物质波可能存在的主要论点,并坚信物质波产生于任何物体的运动,还给出计算波长计算公式。他的论题和内容让许多学者持以否定,而德布罗意的老师朗之万也很难相信这个论点。后来,朗之万把德布罗意的论文寄给阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦很重视德布罗意的论文,并评价说:“德布罗意的工作给我留下深刻的印象,一幅巨大帷幕的一角卷起来了”。
研究经历
1925年,德布罗意在纽约的贝尔电话实验室发生一次意外事故,但却在意外中获得了一张电子晶体衍射的照片,从而发现这种衍射是波动的典型特征,所以这是电子波存在的确实证据,因此德布罗意的理论得到证实。因这一历史性的发现,瑞典皇家科学院颁授德布罗意1929年的诺贝尔物理学奖,也是历史上第一个以博士论文获得诺贝尔物理奖的人。次年,德布罗意在母校巴黎大学开始任教。
1927年夏天,全世界的物理学家来到比利时首都布鲁塞尔参加第五次索尔维会议,德布罗意又作了关于波及粒子之间的关系的表述,他把电子看成是骑在自己的波上的。但遭到会上人的否定。同年,美国克林顿·戴维孙(Davisson)以及合作者雷斯特·革末(Germer)用59电子伏特的慢速电子,苏格兰的G·P·汤姆逊(G.P.Thomson)用快速电子,分别从实验上各自证实了电子波的存在,其波长的实验值与德布罗意方程的理论值完全吻合。至此,德布罗意的大胆假设因被胜利证实而受到广泛赞赏,从而使他获得1929年诺贝尔物理学奖金。后来,德国物理学家海森伯格(Werner Heisenberg)和奥地利物理学家埃尔温·薛定谔德语:Schrödinger)在德布罗意的基础上提出新量子力学理论,进而也奠定了新的量子力学的基础。德布罗意关于“物质波”的理论,对量子力学的发展作出卓越的贡献。
1930年,德布罗意创立了由赫尔曼出版社出版的《科学与工业实践》系列丛书。两年后,德布罗意在母校巴黎大学理学院担任理论物理学教授。后来,德布罗意致力于发展波粒学的因果解释,反对主导量子力学理论的完全概率模型,他的这种理论由大卫·约瑟夫·博姆(David Joseph Bohm)在20世纪50年代改进,因而从此被称为德布罗意-玻姆理论。
1933年,德布罗意被选为法国科学院院士。同年,正处于第二次世界大战德国纳粹占领法国期间,当时很多院士过世或被俘虏,但参与的17位院士都一致投赞,因此法兰西学院接受了选举德布罗意为法兰西学院第一席位的院士。自1943年起,德布罗意担任法国科学院常任秘书。
1945年,德布罗意被授予法国原子能高级委员会顾问一职,以表彰他为拉近工业与科学的距离所做的努力,他还在亨利庞加莱研究所建立一个应用力学中心,进行光学、控制论和原子能的研究,进而促成国际量子分子科学院的成立。
1951年,德布罗意主要研究的是微观现象产生的原因和决定论的科学哲学观点,并从波动力学的观点出发,探讨热力学和分子生物学问题。次年,德布罗意被联合国经济及社会理事会授予卡琳加奖金。后来,于1953年和1958年先后当选为英国皇家学会的会员和美国艺术与科学科学院的院士。从1932年到1962年间,德布罗意担任彭加勒学院的理论物理学教授,他的著作至今已达二十种以上。
1960年,他的哥哥第六代德布罗意公爵莫里斯去世,没有继承人,因此德布罗意于当年成为第七代布罗意公爵。次年,他还被授予法国荣誉军团大十字骑士称号。后来,德布罗意从未结婚,一辈子单身,有两位忠心耿耿的随从。他深居简出,从来不放假,是个标准的工作狂。上班通勤,他喜欢步行,或搭巴士,不曾拥有私人汽车。就这样他便住在平民小屋里,过着简朴与世无争的生活。
晚年病逝
1987年3月19日在路维希安去世,享年95岁,其公爵职位由他的远房表弟第八代布罗意公爵维克多-弗朗索瓦继承,他的葬礼于1987年3月23日在圣皮埃尔德纳伊教堂举行。
主要成果
德布罗意不仅创立物质波理论,还在电动力学与基本粒子理论的研究中有很大研究成果。他提出波粒二象性理论,认为一切微观物质客体既具有微粒属性,又具有波动属性,还建立波长公式,并且还用波尔理论解释了X射线和光电效应的一些现象。对于中微子以及光子,德布罗意认为其具有非零静止质量。不仅如此,德布罗意在热力学、力学与光学中也有突出贡献。
波粒二象性理论
(1)实物粒子有波粒二象性,与运动粒子相应的还有正弦信号,两者总保持相同的位相;
(2)在一定情形中,任一运动质点能够被衍射,穿过一个相当小的开孔的电子群会表现出衍射现象;
(3)气体原子像电子一样也具有波粒二象性,只有满足位相波谐振,才是稳定的轨道。
自然法则的二元性
1924年,在波粒二象性的启发下,德布罗意认为实物粒子(如电子、质子中子等微观粒子)也具有波粒二象性,他把光的波动性和粒子性的定量关系式推广到实物粒子,进而提出一个大胆的假设:一切实物粒子都具有波粒二象性,即:一切微观物质客体既具有微粒属性,又具有波动属性。一个质量为,速率为的实物粒子,既可以用粒子性特征量(动量和能量)来描述,也可用波动性特征量(频率和波长)来描述。
导航波理论
1927年,德布罗意在“第五次索尔维会议”正式提出能解决波粒二象性问题的显而易见的方案,并把这个自己全面构建的理论称为“导航波理论”(pilot-wave theory)。导航波理论的核心概念是:电子实际上是两种实体,一种类似粒子,一种类似波。粒子总是位于某些特定地点,且总是沿着某些特定路径运动,而波则会在空间中“流动”,同时充斥在实验中所有可能的路径。波会引导粒子的运动,而这种导航的基础则是所有路径上的状况,即便粒子必须通过这样或那样的路径,具体通过哪条路径也还是由在所有可能路径上流动的波来决定。
最小作用量原理
德布罗意仔细分析了光的波动说及粒子说发展的历史,并注意到19世纪哈密顿(Hamilton)曾经阐述的几何光学与经典粒子力学的相似性,集合光学的基本原理,可以概括为恩里科·费米(Fermi)原理,也即最小作用量原理。
质量的非无效性和可变性
德布罗意认为,中微子和光子具有非零的静止质量,尽管极其微小。他的理论需要给光子赋予一个非零质量,对光子零质量假说持否定态度使他对宇宙膨胀假说抱有疑问。此外,他认为粒子的真实质量不是恒定的,而是可变的,并且每个粒子可以比拟成一部热力学装置,该装置等价于作用量的环路积分。
X射线和光电效应
德布罗意的第一部作品是在他哥哥莫里斯的实验室中完成的,涉及光电导效应的特征和X射线的特性,这部作品研究X射线的吸收,并用玻尔理论解释了这种现象,将量子原理应用于光电子光谱的解释,并对X射线光谱进行系统的分类。X射线光谱的研究对于阐明原子内部电子壳层的结构(光谱由外壳决定)具有重要意义。
双解理论
德布罗意设想波动方程有两个解,一个具有奇点,表示具有颗粒性的微观物质粒子,一个是连续的波动,附着在粒子上引导粒子运动。德布罗意称之为“双解理论”,而把这个引导粒子运动的波称为“导波”。20世纪60年代以后,德布罗意将他的看法与热力学相对论的观点相联系,提出所谓“单个粒子的热力学”或粒子的“隐热力学”,把粒子的运动和熵的变化联系起来,试图建立一条他认为能够真正解释目前量子力学的新途径。
光的中微子理论
德布罗意建立的“光的中微子理论”是以“融合起来”的原则为基础的知名理论之一。他认为光子是两个中微子的结合体,但该说法并未被实验证明。
主要论著
主要著作 
主要论文
人才培养
截至2024年8月数学谱系项目网站数据显示,德布罗意先后指导了11名学生,具体信息如下:
参考资料:
主要荣誉
社会任职
个人生活
弃文从理
德布罗意从小喜欢历史,尤其是政治,他从小就有很好的记忆力,能够准确地读出戏剧作品的节选,或者说出法兰西第三共和国部长的完整名单,为此,有人预言他将来会成为一位伟大的政治家。德布罗意打算从事人文学科的职业,并获得他的第一个历史学学位。之后,他将注意力转向数学和物理学,并获得物理学学位。弃文从理,痴迷科研,他虽出身贵族,却不是纨绔子弟,从不恃宠而骄,从小就对知识充满渴望。他为人不仅具有谦逊的品性还具有研究精神,他一直都致力于自己感兴趣的研究,不仅丰富了人生,还奠定物理学上关于量子学的基石。
平民绅士
德布罗意生活简朴,平易近人,把毕生献给科学事业。一生未结婚,只有两位忠心耿耿的随从,喜欢过平俗简朴的生活。卖掉贵族世袭的豪华巨宅,选择住在平民小屋。深居简出,从来不放假,是个标准的工作狂,他喜欢上班步行或者坐公交车,也没有属于自己的私人汽车。他秉承了贵族家庭中良好的绅士品质,对人彬彬有礼。
人物关系
人物评价
物理学家阿尔伯特·爱因斯坦评价到:“德布罗意先生提出了一个物质粒子可以怎样和一个波场相对应,这是天才的一笔,揭开了一幅大幕的一角。”
物理学家埃尔温·薛定谔在发表他的波动力学论文时评价到:“这些考虑的灵感,主要归因于路易·维克多·德布罗意先生的独创性的论文。”
德布罗意导师朗之万评价到:“除了思想的创新之外,德布罗意以非凡的技巧做出努力,克服阻碍物理学家的困难。”
后世纪念
德布罗意波
1924年,在博士论文中他首次提出“物质波”的假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子质子中子,都具有波粒二象性。他认为实物粒子如电子也是一种波动,也具有物质周期过程的频率,伴随电子的运动也有由相位来定义的相波,后人为了纪念他称其为“德布罗意波”。
参考资料
Duc L. De Broglie.www.nasonline.org.2024-04-30
The Nobel Prize in Physics 1929.www.nobelprize.org.2024-04-29
On Truth & Reality.www.spaceandmotion.com.2024-04-30
Ondes et mouvements.preserver.beic.it.2024-05-18
Mecanique ondulatoire.preserver.beic.it/delivery.2024-05-18
Louis Victor Pierre Raymond duc de Broglie.Mathematics Genealogy Project.2024-08-16
American Philosophical Society Member History.search.amphilsoc.org.2024-04-30
目录
概述
人物生平
早年经历
研究经历
晚年病逝
主要成果
波粒二象性理论
自然法则的二元性
导航波理论
最小作用量原理
质量的非无效性和可变性
X射线和光电效应
双解理论
光的中微子理论
主要论著
主要著作 
主要论文
人才培养
主要荣誉
社会任职
个人生活
弃文从理
平民绅士
人物关系
人物评价
后世纪念
德布罗意波
参考资料