第四节 物质波 不确定关系

扩展资料

德布罗意和物质波理论的诞生

——纪念德布罗意高高诞辰110周年

　　1924年11月，巴黎大学举行了一场不同寻常的博士考试．尽管应试的年轻人发表了令人难以接受的新见解，但考试委员会成员们被应试者的聪明和勇气所感动，为他的大胆假设—物质波理论打开了绿灯．众所周知，物质波就是德布罗意波，这位应试者的名字将永远和物质波紧紧联系在一起．

　　1、出击之前

　　路易斯·德布罗意（Louis de Broglie，1892～1987）出生于法国迪埃普的公爵门庭，父亲曾担任法国首相等要职．他在德赛利中学读书时，就显示了出众的文学才华而引人注目．18岁时获得巴黎大学历史学士学位，接着又学习法律．年青有为的德布罗意尚无一点迹象表明他日后会成为著名的物理学家．

　　但在20世纪初物理学界一个又一个重大发现，首先吸引他的哥哥莫里斯·德布罗意（Mauricede Broglie）献身于实验物理学．在哥哥的影响下，他拜读了彭加勒、洛伦兹和朗之万等人的科学著作．后来他对普朗克、爱因斯坦和玻尔等人的工作发生了兴趣，逐步为之神往．大约20岁时，德布罗意放弃了关于18世纪初期法国内政问题的学位考试，转而学习理科．不出两年，即已成为理科学士（1913年）．

　　特别要提到一件事情，它对德布罗意坚定学习物理学的决心起着至关重要的作用．1911年秋，首届索尔维（Solvay）会议在布鲁塞尔召开，莫里斯是这次世界著名科学家盛会的秘书之一．该会的议题是“辐射理论和量子”，普朗克、爱因斯坦等一批物理学大师在会上作了精彩的报告，并进行了热烈的讨论．会后，莫里斯协助朗之万（Paul Largevin，1872～1946）把这些报告和讨论编辑成册，用法文出版．德布罗意得天独厚地享读了这些报告和讨论记录，特别是普朗克和爱因斯坦分别作的关于黑体辐射、固体比热的研究报告给他留下了难以忘怀的印象．40多年后，德布罗意仍念念不忘地谈及这一点：“在我血气方刚的岁月里，非常热衷于那些曾被讨论的问题，决心尽我毕生精力去解开迷人的量子之谜．这量子之谜早在那10年之前就曾被普朗克引入到理论物理学中，然而，它的深刻内涵还没有被掌握”．

　　大幕笼罩的物理世界，迷雾重重．道道难题，对勇敢的年轻人是多大的诱惑！德布罗意自度“有纯理论家的气质，而不是实验工作者和工程师的材料……”，他有志于探索物理学的纯概念王国，但是第一次世界大战的爆发，却把他从物理学的理论天地推向了技术舞台．大战期间，他在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站里服役了6年．这样，他的物理学的理想与思考就不以他个人意志为转移地暂时中断了6年．

　　战争结束后，德布罗意立即投身于物理学研究之中．在1920～1924年期间，他主要跟随朗之万攻读理论物理学博士学位，此外还抽出部分时间到哥哥的实验室从事X射线的实验研究这些实验工作为德布罗意的抽象思维提供了必要的实验基础．

　　2、迈出重要的一步

　　曾在第一次世界大战期间，德布罗意就同哥哥莫里斯一道参与了军用无线电的技术研究工作，掌握了较强的物理实验技能也是在这一时期，莫里斯受W·H·布拉格（W．H．Bragg，1862～1942）的影响，把其私人实验室的主攻方向定在X射线的实验研究上．在战争末期，莫里斯因关于X射线的卓越实验研究业绩而蜚声物理学界．大战结束后，德布罗意经常抽出部分时间到哥哥的实验室从事X射线的研究．在X射线的实验方面德布罗意发表了一系列研究报告，为他在法国物理界赢得了一点名声．但更有意义的东西却在于，他和哥哥通过实验得出的不可避免的结论：X射线既是波又是粒子，即X射线具有波粒双重本质．

　　X射线所表现出的双重本质深深地震动了德布罗意兄弟俩．为此他们进行了长期热烈的讨论．作为实验物理学家的莫里斯认为：X射线应当是波和粒子的一种“组合”（combination）．但具有理论家气质的德布罗意认为哥哥的观点并不准确也不具体．他在回忆他们的讨论时说：“我哥哥认为X射线是波和粒子的一种组合，但是，作为一个非理论家，他对它没有特别清楚的认识．”“同我哥哥进行的这些长期讨论……对我非常有益，这些讨论使我深深考虑将波的观点和粒子的观点必须综合在一起的必要性．”1921年4月，第三届索尔维会议在布鲁塞尔召开，莫里斯应邀到会报告了他刚完成的X射线在重核上漫射实验研究，这个实验再次证实了辐射是按量子一份份地被吸收的．德布罗意也希望参加这次会议，但他未被邀请．这一次拒绝对他刺激较大，他发誓一定要用自己的发现去争取以后会议的请贴．果然，在1927年召开的第五届索尔维会议上，他如愿以偿．

　　为寻找一个综合波粒两方面的“辐射的综合理论”，德布罗意仔细研究了爱因斯坦的有关经典论文，并于1922年11月发表了一篇题为《黑体辐射与光量子》的论文，这是波相理论诞生的先声．这标志着德布罗意向前迈出重要的一步．值得庆幸的是，对量子论的兴趣引导他朝着将物质波动方向和粒子方向统一起来的正确方向继续前进．41年后的1963年，功成名就的德布罗意回忆往事，曾向科学史家T·S·库恩（T．S．Kuhn）披露说：“（那时候）我开始有了那种想法—不过它尚未诞生，我可能不敢讲出来—但我心中已开始孕育它．”

　　从1922年底到1923年夏，德布罗意一直在深思这个问题：到底可否将他的光量子所暗示的波粒二象性推广到一般物质，特别是电子之上？这是一个重大而独创的问题，也是一个从来未被任何实验揭示的问题，它将关系到～般物质是否都具有波粒二象性这一史无前例的答案．1923年夏末，德布罗意终于跨越了革命性的一步．用他自己的话讲：“我不能记起它产生的确切日期，但它的确是产生于1923的夏天—那时，我突然有一个想法，即把波粒二象性扩展到物质粒子，特别是电子上去．”

　　3、通过类比建立理论

　　关于光是粒子还是波的历史争论，自牛顿、惠更斯各树一帜后，菲涅耳、麦克斯韦和赫兹等人的工作，有力地支持了波动说；而1905年爱因斯坦对赫兹所发现的光电效应的解释，又使光的微粒说夺回了部分阵地．虽然爱因斯坦等物理学家还没有发现波粒二象性的真谛，但光的波粒二象性已经是毋容置疑的了．

　　物理学界前辈们的辛勤劳动，为后继者的探索扫清了道路．爱因斯坦的光量子理论通过密立根、康普顿等研究得到证实，德布罗意对此发生了很大兴趣．他认为在研究光的理论中，必须“同时引进粒子概念和周期性概念．”光本身必须同时考虑粒子性和波动性．他进一步研究了几何光学和经典力学的对应性，几何光学中费马（P．de Fermat 1601－1665）原理：

　　和经典力学中莫培丢（Mauoertuis，1698－1759）变分原理类似：

　　他大胆设想，不仅光有粒子和波动两种性质，而且“一般的”物质也具有这两种性质．德布罗意认为：既然粒子概念在波的领域里成功地解释了令人困惑的康普顿效应．那么，波动概念也能解释粒子领域令人困惑的定态．

　　1923年9月至10月间，德布罗意连续在《法国科学院通报》上发表了三篇有关波和量子的论文．第一篇的题目是《辐射—波与量子》，提出了实物粒子也有波粒二象性，认为与运动粒子相应的还有—正弦波，两者总是保持相同的位相．后来他把这种假想的非物质波称为相波．他考虑一个静质量为 的运动粒子的相对论效应，把相应的内在能量 视为一种频率为 简单周期性现象．他把相波概念应用到以闭合轨道绕核运动的电子，推  出玻尔量子化条件．

　　在第二篇题为《光学—光量子、衍射和干涉》的论文中，德布罗意提出了如下设想：“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．正是在这一方面，有可能寻得我们观点的实验验证．”

　　在第三篇题为《量子、气体分子运动论和费马原理》的论文中，他进一步提出，“只有满足相波谐振，才是稳定的轨道．”在第二年的博士论文中，他更明确地写下了：“谐振条件是 ，即电子轨道的周长是位相波波长的整倍数．”他再次详细地给出了有关几何光学和经典力学的类比，在给出费马原理和莫培丢变分原理一致性后，德布罗意说：“几何光学和动力学的两条伟大原理之间的基本联系由此而得以明朗化．”

　　从这篇论文的内容来看，德布罗意不仅完善了他的物质波理论，而且通过费马原理与莫培丢原理之间的类比暗示了：未来的波动力学与经典力学的关系类似于波动光学与几何光学的关系．这种类比性的思想方法与后来薛定谔在创立波动力学时的思想方法不谋而合．这正是他对波动力学的建立所作的主要贡献．

　　1924年，德布罗意将这三篇文章合在一起成为他的博士论文．他在文中进一步指出：“我们认为几何光学和动力学的这两个重要原理之间的深刻关系的这个思想，可以作为将波和量子综合起来的重要指南．”在这篇文章中还得到了以后以他的名字命名的波长与动量的关系式：

　　这个式子和 一起，就是我们熟知的爱因斯坦德布罗意关系式．

　　同年11月，德布罗意向巴黎大学科学院提交了博士论文《量子理论研究》．在这篇长达100余页的不朽论文里，他系统整理并完善了物质波理论．德布罗意的导师朗之万把这篇博士论文寄给了爱因斯坦．爱因斯坦高度赞扬了德布罗意的工作，称赞说：“瞧瞧吧，看来疯狂，可真是站得住脚呢！”爱因斯坦在物理上非常喜欢对称性，现在德布罗意实物粒子和光一样具有波粒二象性，显然是又一个自然界对称性的表现．爱因斯坦高兴地赞赏道：“序幕  的一角被德布罗意揭开了！”

　　经过爱因斯坦的推荐，德布罗意的工作立即获得大家的注意．

　　物质波理论的诞生，标志着波和粒子概念的一次伟大综合的胜利．不仅如此，它还启发了玻色、爱因斯坦去完成玻色爱因斯坦量子统计，照亮了薛定谔（E．Schrodinger）创立波动力学的道路，激励了狄拉克（P．A．Dirac）和约当（P．Jordan）等人去构筑量子场论．

　　1927年，美国物理学家戴维孙（C．J．Davisson，1881～1958）和助手革末（L．H．Germer，1896～1971）用低速电子进行实验，获得了电子衍射图样；同年英国人G．P．汤姆孙（G．P．Thomson，1892～1975）用高速电子进行实验，也获得了电子衍射图样．这两个实验得出的结果，完全证实了电子波的存在．电子具有和X射线一样的性质，在晶体表面会发生衍射现象，而且证实了德布罗意关系．

　　4、有益的启示

　　回顾德布罗意提出物质波假设的过程，值得我们深思的是德布罗意从几何光学和经典力学的类比，又从爱因斯坦光的彼粒二象性得到启示，提出了一个如此大胆的假设．这说明利用类比的方法，了解事物的历史发展过程，对于物理学研究的重要性．德布罗意早年对历史研究的兴趣也许还有某种潜移默化的影响，促进了德布罗意物质波假设的提出．德布罗意因提出了物质波理论荣获1929年度诺贝尔物理奖，成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖的人．

物质波干涉现象

　　虽然肉眼无法看见，但当分子和分子碰撞时，也会像光波一样发生干涉现象……在不久前的实验中，我国科学家观察到了这种现象．

　　专家认为，作为分子的物质波特性的表现，这不仅使国外科学家10多年前的理论预测得到证实，而且进一步丰富了量子理论．

　　从1983年起，中国科学院化学物理研究所的一个研究小组瞄准这一国际前沿进行了坚持不懈的研究．他们发展了一种新的非常灵敏的激光光谱方法来测量一氧化碳分子碰撞传能的截面．

　　通过碰撞，分子之间可以传递能量．但令科学家们困惑不解的是，在有些情况下，能量传递的测量结果与前人的传能理论很不相符．为什么？经过反复实验和理论上的研究，科研人员最终推导出一个新公式，与实验结果非常符合，证明了量子干涉效应对分子碰撞传能的重要影响．

　　“这是物质的波粒二象性在分子碰撞传能中产生的一种新效应．如果不考虑这种效应，能量传递的理论将不精确．这对于激光、光化学、光物理、光合作用等研究具有重要意义．”

　　这一成果发表在《美国化学物理》等国际权威杂志上，受到国际同行的关注和高度评价，甚至还成为一次著名国际会议的中心议题．

　　科学家还在实验中进一步发现，不同的碰撞条件，干涉相位角也不一样．

　　最近，我国科学家在钠分子碰撞实验中也观察到了这一效应．受到鼓舞的科学家将进一步在分子束中进行研究，以期对这一现象有更深入的了解并建立一个更为精确的理论系统．

量子论

　　探索微观粒子运动所遵从的量子规律的初步理论，是量子力学的先驱．是从普朗克在物理学中引入量子概念（1900年）开始，特别是在玻尔提出他的氢原子理论（1913年）以后发展起来的．量子论仍然以经典物理规律为基础，但加上了一些反映微观运动具有量子特性的附加条件（量子条件）．它指出，在物体大、运动范围广（相当于量子数很大）的极限情形下，微观运动规律应该趋近于宏观运动规律，并且两种运动规律应该具有相互对应的关系（对应原理）．量子论能够解释一些简单的原子、分子所发射的光谱和黑体辐射等现象，但由于它的半经典性质，其结果在数量方面往往不能与实验符合．量子论本身还包含着很大矛盾，在解释许多实验事实时都遇到严重困难．它的进一步发展导致量子力学的建立（1924～1926年），现在这一理论已被量子力学所代替，故有时称之为旧量子论，但由于它的直观性强，在解释某些现象（如复杂的光谱）时，还常被采用．人们有时也把研究微观运动的整个学科统称为量子论或量子物理学．

返回页首