量子力学之物质波
我们总想统一
哥白尼那个日心说告诉咱们啊,地球与天上那些星星月亮其实没啥本质上的区别嘛,天跟地实际上都是一码事儿呢;牛顿那万有引力定律又给咱们揭示了一个真理:不光是太阳和地球之间有吸引力哈,这大千世界里所有有点儿分量的物体之间可都藏着引力呢!麦克斯韦那神奇的电磁理论更是让咱大开眼界,原来光呐,就是电磁波这玩意儿!至于爱因斯坦那广义相对论,他告诉大家伙儿,其实根本就没什么引力,有的也不过是时空扭曲而已啦!
然而,说到至今为止,物理学家们可是一直在咱们勇攀科学高峰呢,他们今生今世都在努力寻找一个能将天地万物照亮的大统一理论。而眼下咱们要聊的这套理论啊,其脑洞之大,相信绝不会输给前面那些大名鼎鼎的理论哒!
万物皆为波
到了二十世纪初,咱们大伙儿可劲儿争论啊,光到底是粒子咋滴还是波儿咋地?这边波动派声势浩大啊,有强大的麦克斯韦电磁理论撑腰,人家光的双缝干涉和泊松亮斑的存在,那都是铁打的事儿咋地。我们只要打听一下光的波长,再把它俩缝的距离跟屏幕的距离算算,就能精准预测出干涉条纹会是啥样儿。而且呢,理论计算跟实验现象是一模一样的,你说说,这光儿怎能不是波儿?
另一边吧,粒子派也好不含糊,他们手里拿着更高级的武器:光电效应和康普顿散射。他们呀,只要根据光子的弹道,光子的力量,还有电子跑动的速度,就能完全预测出光子跟电子撞完之后散出来的角度和能量。实验结果那可是对动量守恒定律看得紧紧的,所以啊,这光儿也肯定就是粒子喽!两边打得不可开交,好像打地主respect似的,光到底是粒还是波哩?
大家还在心里犯嘀咕的时候,对面来了一位来自法兰西的小伙子,他脑洞大开地来了句:“既然光能当粒子使,那为啥咱们的电子就不能摇身一变变成波儿试试?”
这位小伙子,名叫路易斯·德布罗意,出身在一个巴黎的贵族世家,家里有个高官爷爷,曾经担当过法国总理和外交部长,家底能薄么?他家的传统一直是从事外交工作,所以德布罗意读本科时,其实先学的是历史。假如混得不咋地,那也只好乖乖回家继承祖产。然而,他有一个对物理学痴迷不已的大哥。这个大哥以前是索尔维会议的学术秘书兼编辑,还把会议上所有的文献全搬回自己家。
受到大哥的感召,路易斯·德布罗意也开始热衷于物理。大学毕业没多久,就要去读物理,还谋划着先搞定一个理论物理博士再说。
路易斯·德布罗意把这种统一的波叫做“德布罗意波”,咱后来人为纪念它,也都叫它为“德布罗意波”。
那个时候,巴黎大学的师长们看着这个想法,都觉得有点儿想不通。但念在论文里头德布罗意波公式推导得严丝合缝,整个理论逻辑结构得心应手,而且这个公式看起来也挺和谐的,就像是广义的相对论方程那么美好且简洁,谁也不想轻易下结论。
事实呢,当时整个巴黎大学都觉得难以评判德布罗意的这篇论文,忒犯愁。这时候要是有个走在前头的人给出点儿参考意见,那就好了嘛。于是,德布罗意的博士生导朗之万,赶紧把这篇论文找了个借口寄给了他的朋友,同时也是量子论的创始人之一的爱因斯坦,请这位大咖指导一番。
这爱因斯坦老爷子,看过德布罗意的这篇论文之后,可真是让人大跌眼镜得很。他在写给朗之万的回信里这么说道:德布罗意这小子,说不定真能撩起物理学这层神秘的面纱,打开一条新思路呢!于是,评委会立马点头示意,给了德布罗意的论文满分通过。不过呐,即便论文通关成功,评委们还是禁不住好奇,出了个大招儿:你说得那么带劲,电子竟然也是波?那你能不能搞个实验给我们看看,好让我们闭上嘴服气啊?
说起这电子波的事儿,咱们可得先明白一点,那就是要想做双缝干涉实验,首先得保证这缝的大小跟波长相近。可是电子这货,它可是拖家带口带着个静质量,按理来说,算出来的波长长得吓人,足足是你我原子直径那么大哩!
但德布罗意这哥们儿却像是早有预谋似的,面对评委们的质询,他立刻回答道:“我预言嘞,电子经过某些特定晶体的时候,说不定会像X光那样,产生一种肉眼可见的衍射效应呢!”评委们觉得这说法似乎有点儿门路,于是德布罗意顺利通过答辩,拿掉了硕士学位。
结果你猜怎么着?还没过多久,竟然还真有人往这个方向使劲儿,还把实验给做成了!那时候正是1927年,有位名叫戴维森的物理学家,他在把电子发射到镍晶体上以后,真真切切地看到了电子的衍射图案。按照镍原子间的分别以及电子波动方程来计算,发现衍射结果与实验现象简直是天衣无缝,精确无误!
于是乎,仅仅三年后,年轻有为的德布罗意依靠自己的毕业论文,破例荣获了物理学的至高荣誉——诺贝尔奖。而那些帮德布罗意证实电子也是波的实验物理学家,也跟着沾了喜气,在1937年也得到了诺贝尔奖的眷顾。
带来的问题和机遇
德布罗意同志提出的这个神奇的物质波呢,可不止应用于那些微观的小小颗粒哦。咱们日常生活中所接触到的万事万物都有其波动性,就连屏幕前那可爱的你也不能幸免呐!
因为你们这些年少轻狂就想飞翔的概率波啊,可是不受任何限制地弥漫在浩渺无垠的空间之中呀!从理论上来讲啊,只要你的波函数永不让人看腻,你下一分钟就有可能在地球上某个角落突然冒出来。哪怕是跑到火星去,虽然从目前的科学技术角度来看似乎有点难,可从理论上来说嘛,并非完全没戏哦。尽管由于普朗克长度那磨人的小数值出现,你那看不见摸不着的波长几乎气息奄奄近乎消失,但你具有的这种调皮捣蛋的波动性仍然小得让人恼火。
这个时候恐怕有人要站起来大声疾呼啦:“我只要像个木头桩子似的一动不动,就有机会把波长长的扬起来吧?”嘿嘿,你说的这个方法啊,看来也不太行得通呢。这完全是因为即便你硬挺着保持纹丝不动,你体内的热血照样沸腾,心脏也不会懈怠跳动,就算是你体内的那个最不起眼的细胞,哪怕是稍微动那么一丁点儿,整个系统的质心也会出现巨大振动。如此一来,你们的量子之途只能用概率二字来形容啦。
然而,得益于爱因斯坦的巧妙提醒,德布罗意只是简单粗暴地告诉我们,这样的概率波究竟属于何方神圣而已,却不曾告诉我们出现在火星上的概率到底该如何计算啊。就在这之后啊,一位叫做薛定谔的小伙子在德布罗意波的铺垫之上,凑出了一个关于单个微粒的非相对论性的波动方程。没错,就是大名鼎鼎的薛定谔方程哦!有了它,无论是双缝干涉、单缝衍射还是能量级别跳跃,这些看似神秘的现象统统能被锤炼成一套严密的数学公式啦。
不过在这之后,另一位英勇无比的历程,名叫狄拉克的大哥,不顾千辛万苦地将相对论和量子论结合在一起,终于找到啦那关于单个微粒的相对论性的波动方程。小伙儿还以此为基石,构建出一整套描绘多粒子互相壮烈战斗的理论框架——量子场论。至此,人类对于物理学的理解又向前迈出了一大步!
德布罗意的轨迹和固守
咱们聊一下德布罗意这位牛人的神秘面纱吧~网上那些说他是个不学无术的小混混,凭借裙带关系侥幸混到了学位,运气爆棚才拿到诺贝尔奖之类的话,听听就算啦!我们要知道,人家可是自始至终都对物理科学痴迷不已呢!尽管背景优越,可德布罗意这辈子都是节俭度日,抠门到让人咋舌。买个房子?哼!把祖传的豪宅都给卖了,去挤那平民区的小屋子住着。甚至一直到老,都没考虑过结婚这个事儿,只顾埋头搞他的科研事业。如此专注的态度,真是让我们敬佩感叹啊!
年轻时就在学术界崭露头角,随后立马投入教育事业。1932年,荣任巴黎大学的理学院理论物理系主任,还著书立说了多达25本!在他钟爱的领域发表的这些大作,足见其深厚造诣。截止1933年,更是成功入选为法国科学院院士。1952年,联合国教科文组织特地为他颁发了首届卡林加奖。1956年,由于他在推广前沿物理学知识方面所做的巨大贡献,法国国家科学研究中心也给他颁上了精美的奖章。再往后嘛,1987年他平静离世,享年95岁。
像普朗克、爱因斯坦这些大人物一样,德布罗意在生命的尽头仍坚守着自己的信仰,不肯接受量子力学波函数的概率解释。他用自己的行动证明,科学不是儿戏,而是深度探究自然之谜的勇气与热情。