量子理论研究(量子论研究)
若光可以是粒子,那么物质便可以是波。
一位年轻的贵族提出了一个简单而大胆的问题:如果光——一种波——能表现得像粒子,那粒子为什么不能表现得像波呢?
核心想法
到了 1924 年,物理学家们已经勉强接受:光是两面的——它既是一列会扩散、会干涉的波,又是一阵被称作光子的微小能量包。路易·德布罗意却注意到,这笔交易是单方面的。光,本是波,却被赋予了粒子般的行为;而物质,本由粒子构成,却从未被赋予波动般的行为。他提议把这本账平一平。
他的主张是:每一个运动的物体,都有一个波长,由一个简洁得惊人的公式给出——波长,等于普朗克常数除以动量。一样东西动得越快、越重,它的波就越短。对于一个棒球,这波小到无法想象,你永远察觉不到。可对于电子——又轻又快——这波大约只有一个原子那么大,大到足以举足轻重,也大到足以被测量。
它是如何诞生的
路易·德布罗意出身于法国一个显赫的大家族,起初学的是历史。他被新生的量子理论中的种种谜题吸引而转向物理,又受到哥哥莫里斯——一位研究 X 射线的实验物理学家——的影响,把光的双重身份这个问题,在脑中反复琢磨了许多年。
他的答案,成了他 1924 年在索邦答辩的博士论文。这想法太不寻常,以至于答辩委员们都拿不准它是否可能为真。他们征询了阿尔伯特·爱因斯坦的意见;爱因斯坦读后回信说,德布罗意「掀起了那道巨大帷幕的一角」。这一句话,改变了一切——不出三年,实验便把电子射向晶体,看见它们如波一般泛起涟漪、彼此干涉,分毫不差。
它为何重要
德布罗意波长,是现代物理转身时所凭的那道枢轴。它告诉了埃尔温·薛定谔该去寻找一个什么样的方程,而他在 1926 年找到的那个波动方程,成了整个化学与量子力学的引擎——让我们得以解释:原子为何成键、材料为何导电或绝缘、元素周期表为何长成那个样子。物质有波长这一想法,也正是电子显微镜得以存在的缘由,让我们看见了病毒,乃至一个个单独的原子。
一个可以想象的画面
想象一根长长的跳绳。握住两端,猛地一抖:波会沿着绳子传过去,可绳子本身只是上下摆动——那道能量的凸起,跑得比绳上任何一个点都快。德布罗意的物质波,正是这样运作的。电子,就是那道移动得较慢的凸起——「波包」——它把电子从这里带到那里;而内部那些细小、飞快的波纹(相位波),则一路抢先飞奔。他证明了,这两者永远步调一致,就像一只滚动的车轮,辐条与轮辋一同转动。
它的位置
这一想法是一座桥。它的身后,站着马克斯·普朗克与阿尔伯特·爱因斯坦——是他们最先发现,光以量子化的能量包出现;它的身前,站着薛定谔与维尔纳·海森堡——他们 1926 年的波动力学与矩阵力学,把德布罗意的一个暗示,变成了一套完整的理论。德布罗意凭这篇论文,获得了 1929 年的诺贝尔奖。他晚年一直在为一种「导波」图景辩护,那图景为多数物理学家所搁置——然而数十年后,它又被戴维·玻姆重新拾起;而关于这列波究竟是什么的争论,也从未真正合上。
导言——一种有待恢复的对称
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.
物质的波长
λ = h / p
重新解读玻尔的轨道
The stability conditions of the trajectories in Bohr's theory are interpretable as the resonance condition of the phase wave along the closed path.