第十四章 塞曼效應和電場下的斯塔克效應(3 / 3)

當然,在那之前,路易斯還是頂著王子的爵號。小路易斯對曆史學表現出濃厚的興趣,他的祖父,Jacques Victor Albert, duc de Broglie,不但是一位政治家,曾於1873-1874年間擔任過法國總理,同時也是一位出色的曆史學家,尤其精於晚羅馬史,寫出過著作《羅馬教廷史》(Histoire de l''égli et de l''empire romain)。小路易斯在祖父的熏陶下,決定進入巴黎大學攻讀曆史。18歲那年(1910),他從大學畢業,然而卻沒有在曆史學領域進行更多的研究,因為他的興趣已經強烈地轉向物理方麵。他的哥哥,莫裏斯·德布羅意(第六代德布羅意公爵)是一位著名的射線物理學家。正如我們已經提到過的那樣,莫裏斯參加了1911年的布魯塞爾第一屆索爾維物理會議,並把會議記錄帶回了家。小路易斯閱讀了這些令人激動的科學進展和最新思想,他對科學的熱情被完全地激發出來,並立誌把一生奉獻給這一偉大的事業。

轉投物理後不久,第一次世界大戰爆發了。德布羅意應征入伍,被分派了一個無線電技術人員的工作。大部分的時間裏,他負責在艾菲爾鐵塔上架設無線電台。他比可憐的亨利·莫斯裏要幸運許多,能夠在大戰之後毫發無傷,繼續進入大學學他的物理。他的博士導師便是著名的保羅·朗之萬(Paul Langevin)。

各位看官,我必須在這裏插上幾句話,因為我們已經在不知不覺中來到了一個命運交關的時刻。回頭望去,玻爾原子的耀眼光芒已經消失在遙遠的天際,同時也帶走了我們唯一的火把和路標。現在,我們又一次失去了前進的方向,周圍野徑交錯,迷霧濕衣。在接下來的旅途中,大家必須小心翼翼地緊跟我們的步伐,不然會有迷路掉隊的危險。我們的史話講到這裏,我希望各位已經欣賞到了不少令人心馳神往的風光美景,也許大家曾經在某些問題上彷徨困惑過一陣子,但總地來說,道路還不算太過崎嶇坎坷。然而,必須提醒大家的是,在這之後,我們將進入一個完完全全的奇幻世界。這個世界光怪陸離,和我們平常所感知認同的那個迥然不同。在這個新世界裏,所有的圖象和概念都顯得瘋狂而不理性,顯得更像是愛麗絲夢中的奇境,而不是踏踏實實的土地。許多名詞是如此稀奇古怪,以致隻有借助數學工具才能把握它們的真實意義。當然,筆者將一如既往地試圖用最淺白的語言將它們表述出來,但是各位仍然有必要事先做好心理準備,因為量子革命的潮水很快就要鋪天蓋地地狂嘯而來了。這一切來得是那樣洶湧澎湃,以致很難分清主次線索,為了不至於使大家摸不著頭緒,我將盡量把一個主題闡述完整再轉向下一個。那些希望把握時間感的讀者應該留意具體的年代和時間。

好了,閑話少說,我們的話題回到德布羅意身上。他一直在思考一個問題,就是如何能夠在玻爾的原子模型裏麵自然地引進一個周期的概念,以符合觀測到的現實。原本,這個條件是強加在電子上麵的量子化模式:電子的軌道是不連續的。可是,為什麼必須如此呢?在這個問題上,玻爾隻是態度強硬地作了硬性規定,而沒有解釋理由。在他的威名震懾下,電子雖然乖乖聽話,但總有點不那麼心甘情願的感覺。德布羅意想,是時候把電子解放出來,讓它們自己做主了。

20世紀初的法國,很少有科學家投入到量子領域的研究中,但老布裏淵(Louis Marcel Brillouin,他的兒子小布裏淵Léon Nicolas Brillouin也是一位物理名家)是一個例外。1919年-1922年,布裏淵發表了一係列關於玻爾原子的論文,試圖解釋隻存在分立的定態軌道這樣一個事實。在老布裏淵看來,這是因為電子在運動的時候會激發周圍的“以太”,這些被振蕩的以太形成一種波動,它們互相幹涉,在絕大部分的地方抵消掉了,因此電子不能出現在那裏。

德布羅意讀過布裏淵的文章後,若有所思:幹涉抵消的說法是可能的,但“以太”就不令人信服了。我們可敬的老以太,37前的邁克爾遜-莫雷實驗已經宣判了它的死刑,而愛因斯坦則在19年的緩刑期後親手處決了它,現在,又有什麼理由讓它再次借屍還魂呢?導致玻爾軌道的原因,必定直接埋藏在電子內部,而不用導入什麼以太之類的多餘概念。問題是,我們必須對電子本身的性質再一次進行認真的審視,莫非,電子背後還隱藏著一些無人知曉的秘密?

德布羅意想到了愛因斯坦和他的相對論。他開始這樣地推論:根據愛因斯坦那著名的方程,如果電子有質量m,那麼它一定有一個內稟的能量 。好,讓我們再次回憶那個我說過很有用的量子基本方程, ,也就是說,對應這個能量,電子一定會具有一個內稟的頻率。這個頻率的計算很簡單,因為 ,所以 。

好。電子有一個內在頻率。那麼頻率是什麼呢?它是某種振動的周期。那麼我們又得出結論,電子內部有某些東西在振動。是什麼東西在振動呢?德布羅意借助相對論,開始了他的運算,結果發現……當電子以速度v0前進時,必定伴隨著一個速度為 的波……

噢,你沒有聽錯。電子在前進時,本身總是伴隨著一個波。細心的讀者可能要發出疑問,因為他們發現這個波的速度 將比光速還快上許多,但是這不是一個問題。德布羅意證明,這種波不能攜帶實際的能量和信息,因此並不違反相對論。愛因斯坦隻是說,沒有一種能量信號的傳遞能超過光速,對德布羅意的波,他是睜一隻眼閉一隻眼的。