歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1929年路易.德布羅意

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撰文者:余海峯 (物理雙月刊 副總編及專欄作家)
發文日期:2019-07-25
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  • 1929年諾貝爾物理學獎授予路易.德布羅意,以表揚他發現了量子力學的一個重要現象:粒子的波粒二象性(wave-particle duality)。
     
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    [路易.德布羅意的諾貝爾獎官方照片。]

    光線的本質究竟是波動還是粒子,是個困擾科學家幾百年的問題。牛頓在十七世紀發現棱鏡分光,認為光是粒子。光粒子說能夠解釋光的折射和反射,但卻不能解釋光的散射和繞射。惠更斯的波動理論能夠解釋所有當年實驗技術所及觀察到的現象,更有後來馬克士威發現光是電磁場的波動,更進一步加強了光波動說的說服力。

    十九世紀末,普朗克和一些物理學家發現使用光波動說不能解釋物質的輻射光譜,會導致所有物質都會放射出無限能量的荒謬結論,即所謂的紫外災變問題。普朗克更發現,如果假設光線有一個稱為光量子的基本能量單位,就可以避免紫外災變,並且能從中推導出黑體輻射光譜完美描述實驗結果。

    不久以後愛因斯坦亦發現,如果使用普朗克的光量子概念,就能解釋為何光電效應中的電子能量並不與光線強度成正比,反而與光線的頻率成正比。普朗克和愛因斯坦分別於1918年和1921年因光量子理論和光電效應獲頒諾貝爾物理獎。加上後來的單個光子散射實驗亦顯示出干涉圖像,科學界確認光線既是波動亦為粒子,是為光的波粒二象性,成為量子力學的基礎。

    二十世紀初,質子、電子和中子等基本粒子剛被科學界發現不久,量子力學處於蓬勃發展時期。1925年,德布羅意在他的博士論文中大膽地假設,既然光線同時是波動也是粒子,為什麼這些基本粒子就不能夠也是波動

    在盧瑟福的原子模型裡,電子環繞原子核運行,就好像行星環繞太陽公轉般。可是這就等於說電子在不斷加速之中,應該會不斷放出電磁輻射。電子理應落入原子核之中,原子不應該存在。即使波耳的量子原子能階理論說電子只能夠在固定的軌道上運行而且不會放出電磁輻射,這就好像是波耳為了解釋現實觀察而強行加入額外規則一樣。



     
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    [左:不被允許的電子軌道。右:穩定的電子軌道,圓周剛好是電子波長的整數倍。Credit: http://ircamera.as.arizona.edu/astr_250/Lectures/Lecture_08.htm]

     

    在德布羅意的理論中,電子之所以只會留在特定的軌道上,是因為電子具有波長。如果電子繞完一圈後波峰互相重疊形成駐波,就是能夠停留的軌道。波峰的位置如果只有少許差異,當電子繼續繞圈,波幅最終就會互相抵消。換句話說,只有當軌道圓周是電子波長的整數倍時,電子軌道才是穩定的。

    戴維臣(Clinton Davisson,1937年諾貝爾物理奬得主)和革末(Lester Germer)於1927年發表了不起決定性的實驗結果。他們為了研究晶體結構,把電子射到鎳晶體上,觀察電子被鎳原子的散射的圖案。他但預期,由於電子比原子小非常多,所以原子的細緻凹凸都會導致電子往不同方向反彈,散射到各個方向的電子分布就應該是均勻的。出乎意料地,他們發現觀察到的電子散射圖案竟然與布拉格父子(1915年諾貝爾物理獎得主)發現的X射線晶體散射圖案相同,顯示出只有波動才有的干涉現象。因此,戴維臣-革末實驗(Davisson-Germer experiment)就成為了電子的波粒二象性的首個證明。

    德布羅意的理論成為了量子力學裡面著名的薛丁格波動方程的基礎(我們會在以後介紹到薛丁格)。後來,德布羅意繼續粒子波動的研究,發展出導航波(pilot wave)理論,與著名的量子力學哥本哈根詮譯並列,同樣能夠解釋一切量子力學現象。直到今天,科學家仍在討論這兩個詮譯到底哪個比較合理。


     
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