量子理論研究(量子論研究)
若光可以是粒子,那麼物質便可以是波。
一位年輕的貴族提出了一個簡單而大膽的問題:如果光——一種波——能表現得像粒子,那粒子為什麼不能表現得像波呢?
核心想法
到了 1924 年,物理學家們已經勉強接受:光是兩面的——它既是一列會擴散、會干涉的波,又是一陣被稱作光子的微小能量包。路易·德布羅意卻注意到,這筆交易是單方面的。光,本是波,卻被賦予了粒子般的行為;而物質,本由粒子構成,卻從未被賦予波動般的行為。他提議把這本帳平一平。
他的主張是:每一個運動的物體,都有一個波長,由一個簡潔得驚人的公式給出——波長,等於普朗克常數除以動量。一樣東西動得越快、越重,它的波就越短。對於一個棒球,這波小到無法想像,你永遠察覺不到。可對於電子——又輕又快——這波大約只有一個原子那麼大,大到足以舉足輕重,也大到足以被測量。
它是如何誕生的
路易·德布羅意出身於法國一個顯赫的大家族,起初學的是歷史。他被新生的量子理論中的種種謎題吸引而轉向物理,又受到哥哥莫里斯——一位研究 X 射線的實驗物理學家——的影響,把光的雙重身份這個問題,在腦中反覆琢磨了許多年。
他的答案,成了他 1924 年在索邦口試的博士論文。這想法太不尋常,以至於口試委員們都拿不準它是否可能為真。他們徵詢了阿爾伯特·愛因斯坦的意見;愛因斯坦讀後回信說,德布羅意「掀起了那道巨大帷幕的一角」。這一句話,改變了一切——不出三年,實驗便把電子射向晶體,看見它們如波一般泛起漣漪、彼此干涉,分毫不差。
它為何重要
德布羅意波長,是現代物理轉身時所憑的那道樞軸。它告訴了埃爾溫·薛丁格該去尋找一個什麼樣的方程,而他在 1926 年找到的那個波動方程,成了整個化學與量子力學的引擎——讓我們得以解釋:原子為何成鍵、材料為何導電或絕緣、元素週期表為何長成那個樣子。物質有波長這一想法,也正是電子顯微鏡得以存在的緣由,讓我們看見了病毒,乃至一個個單獨的原子。
一個可以想像的畫面
想像一根長長的跳繩。握住兩端,猛地一抖:波會沿著繩子傳過去,可繩子本身只是上下擺動——那道能量的凸起,跑得比繩上任何一個點都快。德布羅意的物質波,正是這樣運作的。電子,就是那道移動得較慢的凸起——「波包」——它把電子從這裡帶到那裡;而內部那些細小、飛快的波紋(相位波),則一路搶先飛奔。他證明了,這兩者永遠步調一致,就像一隻滾動的車輪,輻條與輪輞一同轉動。
它的位置
這一想法是一座橋。它的身後,站著馬克斯·普朗克與阿爾伯特·愛因斯坦——是他們最先發現,光以量子化的能量包出現;它的身前,站著薛丁格與維爾納·海森堡——他們 1926 年的波動力學與矩陣力學,把德布羅意的一個暗示,變成了一套完整的理論。德布羅意憑這篇論文,獲得了 1929 年的諾貝爾獎。他晚年一直在為一種「導波」圖景辯護,那圖景為多數物理學家所擱置——然而數十年後,它又被戴維·玻姆重新拾起;而關於這列波究竟是什麼的爭論,也從未真正合上。
導言——一種有待恢復的對稱
第一章——相位波
We are then inclined to admit that any moving body may be accompanied by a wave and that it is impossible to disjoin motion of body and propagation of wave.
物質的波長
λ = h / p
重新解讀玻爾的軌道
The stability conditions of the trajectories in Bohr's theory are interpretable as the resonance condition of the phase wave along the closed path.