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它是照在這個(gè)最難解的物理學(xué)之謎上的第一縷微弱的光線(xiàn)。 ——愛(ài)因斯坦 19世紀(jì)物理學(xué)最重大的成就是發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了電磁波的存在。根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，光是一種波動(dòng)，這個(gè)論斷的證據(jù)來(lái)自波動(dòng)特有的干涉效應(yīng)。不過(guò)，在光電效應(yīng)現(xiàn)象中，卻無(wú)法用波動(dòng)來(lái)解釋光的行為。1905年，愛(ài)因斯坦提出，如果假設(shè)光是一種粒子，就能夠很好地解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象中光表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。于是，光具有了波動(dòng)和粒子兩重性質(zhì)，在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件下，它們會(huì)顯示出不同的特性。在通常的觀念中，人們認(rèn)為光是一種波動(dòng)，與實(shí)物由粒子構(gòu)成的觀念形成鮮明的對(duì)照。現(xiàn)在，量子假說(shuō)認(rèn)為，光在某種意義上也是一種粒子。這就打破了光和實(shí)物原先分庭抗禮的對(duì)等局面。德布羅意提出這樣的疑問(wèn)：既然原先被認(rèn)為是波動(dòng)的光現(xiàn)在具有了粒子的屬性，那么，是否可以這樣設(shè)想，原先被認(rèn)為是粒子的實(shí)物也應(yīng)該具有波動(dòng)的屬性呢？基于這個(gè)想法，德布羅意在他的博士論文中提出：每一個(gè)實(shí)物粒子都伴隨著一個(gè)波，這個(gè)波的頻率和波長(zhǎng)與該粒子的能量和動(dòng)量具有這樣的關(guān)系：與光具有粒子性的想法相比，德布羅意的想法并不具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。由于黑體輻射能量密度分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典物理學(xué)理論給出的結(jié)果有矛盾，普朗克提出量子化假說(shuō)是有現(xiàn)實(shí)的需求的；光電效應(yīng)的基本特性與經(jīng)典電磁理論的推斷相背離促使愛(ài)因斯坦用光的粒子性去解釋光的行為；原子的穩(wěn)定性問(wèn)題和線(xiàn)狀光譜的疑難可以通過(guò)玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型得到解決。然而，在德布羅意提出實(shí)物波假說(shuō)那個(gè)年代，沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果和物理現(xiàn)象需要使用實(shí)物波假說(shuō)去解釋。也就是說(shuō)，實(shí)物波假說(shuō)在當(dāng)時(shí)是不受實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持的，提出這個(gè)假說(shuō)的唯一的動(dòng)機(jī)是實(shí)物與輻射之間的某種對(duì)稱(chēng)性。自從伽利略以來(lái)，科學(xué)界已經(jīng)形成了這樣一種觀念：物理假說(shuō)的正確性必須由實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)界定。盡管如此，由于實(shí)物波的想法是如此美妙，德布羅意還是把它寫(xiě)進(jìn)了他的博士論文中。實(shí)物波這個(gè)想法讓德布羅意的博士論文評(píng)審委員會(huì)感到為難，不知道該如何處置，于是就把論文寄給了愛(ài)因斯坦，征求他的意見(jiàn)。愛(ài)因斯坦對(duì)實(shí)物波這個(gè)新奇的想法大加贊賞，贊譽(yù)“它是照在這個(gè)最難解的物理學(xué)之謎上的第一縷微弱的光線(xiàn)。”愛(ài)因斯坦的這個(gè)評(píng)價(jià)讓德布羅意的博士論文得以順利通過(guò)。| 路易·維克多·德布羅意（Louis Victor·Duc de Broglie，1892.08.15—1987.03.19）出生于迪耶普，法國(guó)理論物理學(xué)家，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，實(shí)物波理論的創(chuàng)立者，量子力學(xué)的奠基者之一。 | |
德布羅意關(guān)于實(shí)物具有波動(dòng)性的想法比光具有粒子性的想法更加令人不可思議。實(shí)物由粒子構(gòu)成是自古希臘以來(lái)人們一直相信的觀念，現(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)讓我們認(rèn)識(shí)了許多種類(lèi)的粒子，自然界小至原子分子大至整個(gè)宇宙都由各種不同種類(lèi)的粒子構(gòu)成。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，每一個(gè)粒子都有確定的位置，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)都有確切的軌道?，F(xiàn)在德布羅意卻說(shuō)，實(shí)物粒子具有波動(dòng)性。你怎么能夠想象，一個(gè)具有確定的位置和確切的軌道的粒子同時(shí)又具有波動(dòng)這種在空間中伸展的屬性呢？至少我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中感覺(jué)不到實(shí)物粒子具有這種延展性。1927年，C· J· 戴維孫和G· P· 湯姆遜各自進(jìn)行了晶體對(duì)電子的衍射實(shí)驗(yàn)，得到了電子束的衍射圖樣。由于提出實(shí)物波動(dòng)假說(shuō)，德布羅意被授予1929年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。我們注意到，光量子的能量和實(shí)物波的波長(zhǎng)都與普朗克常數(shù)有關(guān)。由于普朗克常數(shù)是一個(gè)很小的數(shù)，因此，每一個(gè)光子的能量都很小，這導(dǎo)致我們?cè)谌粘Ｉ钪袡z測(cè)不到單個(gè)光子的能量值，光的粒子性被隱藏起來(lái)。同樣，實(shí)物粒子的波長(zhǎng)是如此之短，以致最精密的測(cè)量?jī)x器都測(cè)不出這個(gè)長(zhǎng)度，實(shí)物粒子的波動(dòng)性也被隱藏了起來(lái)。我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，一顆質(zhì)量為一克的小彈丸以每秒一米的尋常速率運(yùn)動(dòng)，利用德布羅意的波長(zhǎng)公式可以算出它的波長(zhǎng)等于6.626×10?31米。難怪我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中從來(lái)就沒(méi)有看到過(guò)實(shí)物粒子的波動(dòng)性這一面。微觀世界的情況就不一樣了。比如說(shuō)，一個(gè)被注入到高能加速器中的電子，它的速率有可能高達(dá)10?米/秒，由此可以算出它的波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)為10?1?米。這個(gè)波長(zhǎng)雖然也很短，但是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)足以把這個(gè)長(zhǎng)度測(cè)量出來(lái)。
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