量子力學篇 【量子力學篇-07期】德布羅意：女人，只會影響我出書的速度

從古至今,物理學家們最愛乾的一件事就是搞個統一理論, 然後告訴大家說兩個表面上看似完全不同的東西, 其實本質上都一樣。 哥白尼日星說告訴你, 地球和天上的那些天體沒有本質的區別, 天和地其實是一回事。 牛頓的萬有引力定律告訴你, 不但太陽和地球之間有引力, 世上任何有質量的物體之間也都有引力。 麥克斯維電磁理論告訴你, 光其實就是電磁波。 愛因斯坦的智能方程告訴你, 質量和能量竟然可以相互轉換, 它倆本質上其實也是一回事。 愛因斯坦的廣義相對論還告訴你, 世上壓根就沒有什麼引力, 有的只是時空的彎曲。 直到今天,物理學家們仍在致力於尋找一個大統一理論, 一個能從微觀到宏觀解釋世間萬物的終極理論。 而我們今天要說的這個理論, 它的腦洞之大, 絕對不輸前面任何一個理論。 它的核心思想是, 萬物, 皆爲波。 20世紀初, 人們在光到底是粒子還是波的這個問題上爭執不休。 一方面, 波動派有着強大的麥克斯維電磁理論作爲靠山, 並且雙縫干涉現象和波松量般的存在都依然是不爭的事實。 我們根據光的波長、雙縫間距以及雙縫到屏幕的距離, 就可以精確計算出干涉條紋的明暗分佈, 理論計算和實驗現象絲毫不差。 所以, 光, 不可能不是波。 另一方面, 威力派則擁有着更加先進的武器, 光電效應和康普頓散射。 根據光子的發射角度, 光子的能量以及電子的動量, 就完全可以精確計算出光子在撞上電子後的散射角度和能量。 實驗結果完美符合動量守恆定律。 所以, 光也不可能不是粒子。 雙方戰局陷入僵持, 光到底是粒子還是波? 當人們還在糾結這個問題時, 一個來自法國的年輕人提出來一個大膽的想法。 既然光可以是粒子, 那爲什麼電子就不能是波呢? 路易斯·德布羅伊出生於一個法國貴族家庭, 是第五公爵維克多的兒子。 他的祖父曾擔任過法國總理和外交部長, 家世甚是顯赫。 因爲家族一直是搞外交的, 所以德布羅伊本科期間其實學的是歷史, 畢業後如果混得不好, 大不了就回家繼承家業。 但關鍵是, 德布羅伊還有一個涉獻物理學家身份的哥哥, 他哥曾經擔任過索爾維會議的學術祕書和編輯, 還將會議上獲得的全部文獻都帶回了家。 在哥哥的影響下, 德布羅伊開始瘋狂地愛上了物理。 於是,在拿到歷史的本科學位後, 他又轉入巴黎大學理學院開始學物理, 並計劃着先拿他一個理論物理的博士學位再說。 現在的物理系博士生很難了解到所有前沿的物理學進展, 因爲要學的東西實在是太多了, 而德布羅伊當時則要幸運很多。 他在讀博期間先後學完了相對論以及光量子學說, 再加上他的哥哥還有個私人的物理實驗室, 於是他又親手參與了光電效應的實驗, 波爾強硬地規定了電子的軌道是不連續的, 但沒解釋這些軌道是怎麼來的。 就在讀博期間, 一個大膽的想法逐漸在德布羅伊腦海裏成型。 電子之所以這麼怪異, 可能是因爲電子也有波的一面。 1924年,德布羅伊將自己的研究整理爲《博士畢業論文》。 這篇論文並不像網傳的只有一頁, 事實上,它具有標準的畢業論文的規格, 而且其技術含量要比大多數人想象的要多得多。 但這篇論文只說了一個思想, 所有實物粒子都具有波動性, 同時還給出了一個公式來計算這個波的波長。 式子中H是普朗克常數, P是物體的動量, 這個公式自動包含了光子。 我們知道, 愛因斯坦在狹義相對論中說過E等於mc方, 式子中的這個m其實是一個物體等效的動質量。 對於光子來說, 它的動量就是光子的動質量乘以光速, 於是就有E等於pc。 結合德布羅伊的物質波公式, 就可以得到E等於hc除以λ。 再考慮到波長乘以頻率等於光速c, 得到的結果正好是E等於hf。 而這就是愛因斯坦在光電效應中給出的光子能量公式。 德布羅伊將這個統一的物質波稱爲相波, 後人爲了紀念它, 也稱其爲德布羅伊波。 但是, 當時博士論文評審委員會的老師們覺得這個想法並不是很靠譜, 但考慮到論文中關於相波公式推導的嚴密性, 以及整個理論的邏輯自洽性, 並且這個公式看起來還自帶着一種 像智能方程那樣的優美與簡潔, 於是又不敢輕易否定。 事實上, 當時整個巴黎大學 都由於不知道如何估價德布羅伊的這篇論文而處境尷尬, 這時候就需要找個稍微靠譜點的人來給點建議。 於是, 德布羅伊的博士生導師朗之萬 將這篇論文寄給了他的好朋友, 也是量子論的奠基人之一, 愛因斯坦, 來讓老愛把把關。 愛因斯坦看到論文後的反應出乎衆人的意料, 他在給朗之萬的回信中寫道, 德布羅伊可能揭開了大幕的一角。 於是, 評委會立馬通過了德布羅伊的論文, 但在論文答辯的現場, 評委們還是問出了一個關鍵問題, 既然你說電子也可以是波, 那你能做個實驗來證明它嗎? 我們知道, 雙縫干涉實驗要求, 縫的尺寸必須和波長差不多, 而電子因爲擁有近質量, 因此它計算出來的波長比一般的光子要大得多, 大約是在原子直徑的量級。 當時的實驗技術條件 根本不可能做出如此精細的雙縫。 但是,德布羅伊似乎是有備而來, 面對評委們的疑問, 德布羅伊當即回應道, 我預言電子在通過某些晶體的時候 或許會像X光那樣 產生一個可觀測的衍射現象。 評委們聽着這個方法, 好像還挺靠譜, 於是,德布羅伊最終順利地通過了答辯。 結果, 就在三年後, 居然還真的有人把這個實驗給做成了。 1927年, 貝爾實驗室的物理學家戴維森 在將電子射向鎳晶體時 獲得了電子的衍射圖像。 根據鎳原子之間的距離 和電子的物質波公式 計算出來的衍射結果 和實驗現象絲毫不差。 於是在1929年, 年輕的德布羅伊 成爲了史上第一個 憑藉着一篇畢業論文 就拿到了諾貝爾物理學獎的男人。 而幫助德布羅伊 證明了電子也是波的幾個實驗物理學家 也因此拿到了1937年的諾獎。 值得一提的是 其中一個獲獎的物理學家 叫做喬治·湯姆孫。 沒錯, 他就是之前那個發現電子的 約瑟夫·湯姆孫的兒子。 這父子倆一個因爲證明電子是粒子 一個因爲證明電子是波 都拿到了諾獎。 與其糾結於 我們到底是粒子還是波 不如先弄清楚 這個物質波到底是種什麼波? 是像聲波和水波那樣的波嗎? 顯然不是。 聲波和水波都是機械波 機械波的本質是介質的振動 你能聽到聲音 只是因爲空氣的機械振動 引起了耳朵內的骨膜振動 而不是有什麼粒子進入了耳朵裏。 回想德布羅伊波的出發點 是那個既有粒子性 也有波動性的光。 你可能會說 這不就是玻璃二象性嗎? 事實上 玻璃二象性 也只是一個不負責任的臨時性的詞 就像是五彩斑斕的黑 方方正正的圓一樣 語法上就存在着錯誤 它除了帶來一種文字感官上的衝突外 對於我們更好的理解物質波 並沒有太大的幫助 所以 這並不是一個根本性的解釋 根本性的解釋是 物質波 其實是一種概率波 概率波代表着一個物體在被觀測前 是以一種概率的形式 彌散在空間中 德布羅伊的這個物質波 並不侷限於微觀粒子 任何物體都具有波動性 包括屏幕前的你 因爲你的概率波彌散在整個空間中 理論上來講 只要你的波函數不坍縮 下一秒 你就有可能出現在任何地方 即使是出現在火星的概率 理論上也不完全爲0 但因爲普朗克常數 是個非常小的數值 計算出來的你的波長 幾乎接近於0 所以你具有的波動性 小到可以忽略不計 你可能會說 我只要靜止不動 那我的波長就很長 應該就有波動性了吧 也不行 這是因爲 就算你的身體表面 能做到絕對的一動不動 你身體內的血液依然在流動 心臟在跳動 甚至只要你身體裏的某一個細胞 動了一下 它所帶來的整體動量 也是非常龐大的 從此 量子力學的世界裏 只講概率 但是 德布羅伊只是簡單地 給出了這個概率波的波長是多少 但他並沒有告訴你 在後面的視頻中 我們會講到 薛定諤在德布羅伊波的基礎上 找到了一個單粒子的 非相對論性的波動方程 他精確描述了一個單粒子 在空間中的概率分佈 什麼雙縫干涉 單縫衍射 能級躍遷 都可以用薛定諤的這個波函數 精確計算出來 再後來 狄拉克通過結合相對論與量子論 找到了相對論性的單粒子波動方程 然後在此基礎上 又進一步發展出了量子常論 這是一個專門用來描述 多粒子相互作用的理論 所以 接下來的量子力學發展主線 概括成一句話就是 爲德布羅伊波 尋找一個波動方程 說回德布羅伊本人 網絡上有很多 關於德布羅伊的小道傳聞 說他只是個頑固子弟 是靠關係才能僥倖畢業 憑運氣纔拿到的諾貝爾獎 並且拿完之後 就沒啥功效了 事實上 德布羅伊自始至終 都對物理科學充滿着極高的熱情 他雖出身貴族 卻一生簡樸 他賣掉了世襲的豪宅 居住於平民小屋 他終生未婚 卻只爲更好的專研科學 年少成名之後 德布羅伊便開始了教學工作 1932年 擔任巴黎大學的理學院理論物理系主任 並在他感興趣的領域 出版了超過25本著作 1933年當選爲法國科學院院士 1952年 被聯合國科教文組織 授予首屆卡林嘉獎 1956年 因爲他在前沿物理學知識的科普中 所做出的貢獻 法國國家科學研究中心 爲他頒發了金制獎章 1987年 德布羅伊安詳去世 享年95歲 他和普朗克、愛因斯坦一樣 至死都拒絕接受量子力學的主流解釋