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提交时间：2003…08…15 17：42：13 第四章 白云深处 三 当玻尔的原子还在泥潭中深陷苦于无法自拔的时候，新的革命已经在酝酿之中。这一次， 革命者并非来自穷苦的无产阶级大众，而是出自一个显赫的贵族家庭。路易斯？维克托？皮 雷？雷蒙？德？布罗意王子（Prince Louis Victor Pierre Raymond de Broglie）将为他那 荣耀的家族历史增添一份新的光辉。 “王子”（Prince，也有翻译为“公子”的）这个爵位并非我们通常所理解的，是国王的 儿子。事实上在爵位表里，它的排名并不算高，而且似乎不见于英语世界。大致说来，它 的地位要比“子爵”（Viscount）略低，而比“男爵”（Baron）略高。不过这只是因为 路易斯在家中并非老大而已，德布罗意家族的历史悠久，他的祖先中出了许许多多的将军 、元帅、部长，曾经忠诚地在路易十四、路易十五、路易十六的麾下效劳。他们参加过波 兰王位继承战争（1733－1735）、奥地利王位继承战争（1740－1748）、七年战争（1756 －1763）、美国独立战争（1775－1782）、法国大革命（1789）、二月革命（1848），接 受过弗兰西斯二世（Francis II，神圣罗马帝国皇帝，后来退位成为奥地利皇帝弗兰西斯 一世）以及路易？腓力（Louis Philippe，法国国王，史称奥尔良公爵）的册封，家族继 承着最高世袭身份的头衔：公爵（法文Duc，相当于英语的Duke）。路易斯？德布罗意的哥 哥，莫里斯？德布罗意（Maurice de Broglie）便是第六代德布罗意公爵。1960年，当莫 里斯去世以后，路易斯终于从他哥哥那里继承了这个光荣称号，成为第七位duc de Broglie。 当然，在那之前，路易斯还是顶着王子的爵号。小路易斯对历史学表现出浓厚的兴趣，他 的祖父，Jacques Victor Albert； duc de Broglie，不但是一位政治家，曾于1873－ 1874年间当过法国总理，同时也是一位出色的历史学家，尤其精于晚罗马史，写出过著作 《罗马教廷史》（Histoire de l'église et de l'empire romain）。小路易斯在祖父的 熏陶下，决定进入巴黎大学攻读历史。18岁那年（1910），他从大学毕业，然而却没有在 历史学领域进行更多的研究，因为他的兴趣已经强烈地转向物理方面。他的哥哥，莫里斯 ？德布罗意（第六代德布罗意公爵）是一位著名的射线物理学家，路易斯跟随哥哥参加了 1911年的布鲁塞尔物理会议，他对科学的热情被完全地激发出来，并立志把一生奉献给这 一令人激动的事业。 转投物理后不久，第一次世界大战爆发了。德布罗意应征入伍，被分派了一个无线电技术 人员的工作。他比可怜的亨利？莫斯里要幸运许多，能够在大战之后毫发无伤，继续进入 大学学他的物理。他的博士导师是著名的保罗？朗之万（Paul Langevin）。 写到这里笔者需要稍停一下做一点声明。我们的史话讲述到现在，虽然已经回顾了一些令 人激动的革命和让人大开眼界的新思想（至少笔者希望如此），但总的来说，仍然是在经 典世界的领域里徘徊。而且根据本人的印象，至今为止，我们的话题大体还没有超出中学 物理课本和高考的范围。对于普通的读者来说，唯一稍感陌生的，可能只是量子的跳跃思 想。而接受这一思想，也并不是一件十分困难和不情愿的事情。 然而在这之后，我们将进入一个完完全全的奇幻世界。这个世界光怪陆离，和我们平常所 感知认同的那个迥然不同。在这个新世界里，所有的图象和概念都显得疯狂而不理性，显 得更像是爱丽丝梦中的奇境，而不是踏踏实实的土地。许多名词是如此古怪，以致只有借 助数学工具才能把握它们的真实意义。当然，笔者将一如既往地试图用最浅白的语言将它 们表述出来，但是仍然有必要提醒各位做好心理准备。为了表述的方便，我将尽量地把一 件事情陈述完全，然后再转换话题。虽然在历史上，所有的这一切都是铺天盖地而来，它 们混杂在一起，澎湃汹涌，让人分不出个头绪。在后面的叙述中，我们可能时时要在各个 年份间跳来跳去，那些希望把握时间感的读者们应该注意确切的年代。 我们已经站在一个伟大时刻的前沿。新的量子力学很快就要被创建出来，这一次，它的力 量完完全全地被施展开来，以致把一切旧事物，包括玻尔那个半新不旧的体系，都摧枯拉 朽般地毁灭殆尽。它很快就要为我们揭开一个新世界的大幕，这个新世界，哪怕是稍微往 里面瞥上一眼，也足够让人头晕目眩，心驰神摇。但是，既然我们已经站在这里，那就只 有义无返顾地前进了。所以跟着我来吧，无数激动人心的事物正在前面等着我们。 我们的话题回到德布罗意身上。他一直在思考一个问题，就是如何能够在玻尔的原子模型 里面自然地引进一个周期的概念，以符合观测到的现实。原本，这个条件是强加在电子上 面的量子化模式，电子在玻尔的硬性规定下，虽然乖乖听话，总有点不那么心甘情愿的感 觉。德布罗意想，是时候把电子解放出来，让它们自己做主了。 如何赋予电子一个基本的性质，让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象呢？德布罗意 想到了爱因斯坦和他的相对论。他开始这样地推论：根据爱因斯坦那著名的方程，如果电 子有质量m，那么它一定有一个内禀的能量E = mc^2。好，让我们再次回忆那个我说过很 有用的量子基本方程，E = hν，也就是说，对应这个能量，电子一定会具有一个内禀的 频率。这个频率的计算很简单，因为mc^2 = E = hν，所以ν = mc^2/h。 好。电子有一个内在频率。那么频率是什么呢？它是某种振动的周期。那么我们又得出结 论，电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢？德布罗意借助相对论，开始了他 的运算，结果发现……当电子以速度v0前进时，必定伴随着一个速度为c^2/v0的波…… 噢，你没有听错。电子在前进时，总是伴随着一个波。细心的读者可能要发出疑问，因为 他们发现这个波的速度c^2/v0将比光速还快上许多，但是这不是一个问题。德布罗意证明 ，这种波不能携带实际的能量和信息，因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说，没有一种 能量信号的传递能超过光速，对德布罗意的波，他是睁一只眼闭一只眼的。 德布罗意把这种波称为“相波”（phase wave），后人为了纪念他，也称其为“德布罗意 波”。计算这个波的波长是容易的，就简单地把上面得出的速度除以它的频率，那么我们 就得到：λ= （c^2/v0 ） / （ mc^2/h） = h/mv0。这个叫做德布罗意波长公式。 但是，等等，我们似乎还没有回过神来。我们在谈论一个“波”！可是我们头先明明在讨 论电子的问题，怎么突然从电子里冒出了一个波呢？它是从哪里出来的？我希望大家还没 有忘记我们可怜的波动和微粒两支军队，在玻尔原子兴盛又衰败的时候，它们一直在苦苦 对抗，僵持不下。1923年，德布罗意在求出他的相波之前，正好是康普顿用光子说解释了 康普顿效应，从而带领微粒大举反攻后不久。倒霉的微粒不得不因此放弃了全面进攻，因 为它们突然发现，在电子这个大后方，居然出现了波动的奸细！而且怎么赶都赶不走。 电子居然是一个波！这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些前卫而反叛的 年轻人面前，只能摇头兴叹，连话都说不出来了。假如说当时全世界只有一个人支持德布 罗意的话，他就是爱因斯坦。德布罗意的导师朗之万对自己弟子的大胆见解无可奈何，出 于挽救失足青年的良好愿望，他把论文交给爱因斯坦点评。谁料爱因斯坦马上予以了高度 评价，称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一 惊，这才开始全面关注德布罗意的工作。 证据，我们需要证据。所有的人都在异口同声地说。如果电子是一个波，那么就让我们看 到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看，把干涉图纹放在我们的眼前。德 布罗意有礼貌地回敬道：是的，先生们，我会给你们看到证据的。我预言，电子在通过一 个小孔的时候，会像光波那样，产生一个可观测的衍射现象。 1925年4月，在美国纽约的贝尔电话实验室，戴维逊（C。J。Davisson）和革末（L。 H。 Germer）在做一个有关电子的实验。这个实验的目的是什么我们不得而知，但它牵涉到用 一束电子流轰击一块金属镍（nickel）。实验要求金属的表面绝对纯净，所以戴维逊和革 末把金属放在一个真空的容器中，以确保没有杂志混入其中。 不幸的是，发生了一件意外。这个真空容器因为某种原因发生了爆炸，空气一拥而入，迅 速地氧化了镍的表面。戴维逊和革末非常懊丧，不过他们并不因此放弃实验，他们决定， 重新净化金属表面，把实验从头来过。当时，去除氧化层的好办法就是对金属进行高热加 温，这正是戴维逊所做的。 两人并不知道，正如雅典娜暗中助推着阿尔戈英雄们的船只，幸运女神正在这个时候站在 他俩的身后。容器里的金属，在高温下发生了不知不觉的变化：原本它是由许许多多块小 晶体组成的，而在加热之后，整块镍融合成了一块大晶体。虽然在表面看来，两者并没有 太大的不同，但是内部的剧变已经足够改变物理学的历史。 当电子通过镍块后，戴维逊和革末瞠目结舌，久久说不出话来。他们看到了再熟悉不过的 景象：X射线衍射图案！可是并没有X射线，只有电子，人们终于发现，在某种情况下，电 子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。电子，无疑地是一种波。 更多的证据接踵而来。1927年，G。P。汤姆逊，著名的J。J汤姆逊的儿子，在剑桥通过实验 进一步证明了电子的波动性。他利用实验数据算出的电子行为，和德布罗意所预言的吻合 得天衣无缝。 命中注定，戴维逊和汤姆逊将分享1937年的诺贝尔奖金，而德布罗意将先于他们8年获得 这一荣誉。有意思的是，GP汤姆逊的父亲，JJ汤姆逊因为发现了电子这一粒子而获得诺贝 尔奖，他却因为证明电子是波而获得同样的荣誉。历史有时候，实在富有太多的趣味性。
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饭后闲话：父子诺贝尔 俗话说，将门无犬子，大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩。JJ汤姆逊的 儿子GP汤姆逊推翻了老爸电子是粒子的观点，证明电子的波动性，同样获得诺贝尔奖。这 样的世袭科学豪门，似乎还不是绝无仅有。 居里夫人和她的丈夫皮埃尔？居里于1903年分享诺贝尔奖（居里夫人在1911年又得了一个 化学奖）。他们的女儿约里奥？居里（Irene Joliot…Curie）也在1935年和她丈夫一起分 享了诺贝尔化学奖。居里夫人的另一个女婿，美国外交家Henry R。 Labouisse，在1965年 代表联合国儿童基金会（UNICEF）获得了诺贝尔和平奖。 1915年，William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子因为利用X射线对晶体结构 做出了突出贡献，分享了诺贝尔物理奖金。 我们大名鼎鼎的尼尔斯？玻尔获得了