Луи де Бройль - Louis de Broglie

Луи де Бройль
Broglie Big.jpg
Бройль в 1929 году
Родился ( 1892-08-15 )15 августа 1892 г.
Дьеп , Франция
Умер 19 марта 1987 г. (1987-03-19)(94 года)
Лувесьен , Франция
Национальность французкий язык
Альма-матер Парижский университет
(ΒΑ по истории, 1910 г .; бакалавр наук, 1913 г .; доктор физ. Наук, 1924 г.)
Известен Волновая природа электронов
Теория Де Бройля – Бома
длина волны де Бройля
Награды Нобелевская премия по физике (1929 г.)
Медаль Анри Пуанкаре (1929 г.)
Премия Монако Альберту I (1932 г.)
Медаль Макса Планка (1938 г.)
Премия Калинги (1952 г.)
Научная карьера
Поля Физика
Учреждения Парижский университет (Сорбонна)
Тезис Исследования по теории квантов ("Исследования квантовой теории")  (1924)
Докторант Поль Ланжевен
Докторанты Сесиль ДеВит-Моретт
Бернар д'Эспаньа
Жан-Пьер Вижье
Александру Прока
Мария-Антуанетта Тоннела

Луи Виктор Пьер Раймон, 7 - й герцог де Бройль ( / д ə б г ɡ л я / , также США : / д ə б г ɡ л я , D ə б г ɔɪ / , французский:  [də bʁɔj] или [də bʁœj] ( слушай )Об этом звуке ; 15 августа 1892 - 19 марта 1987) был французским физиком и аристократом , внесшим революционный вклад в квантовую теорию . В своей докторской диссертации 1924 года он постулировал волновую природу электронов и предположил, что вся материя обладает волновыми свойствами . Эта концепция известна как гипотеза де Бройля, пример дуальности волна-частица , и составляет центральную часть теории квантовой механики .

Де Бройль получил Нобелевскую премию по физике в 1929 году, после того как волнообразное поведение материи было впервые экспериментально продемонстрировано в 1927 году.

Модель пилотной волны 1925 года и волновое поведение частиц, открытое де Бройлем, были использованы Эрвином Шредингером в его формулировке волновой механики . Затем от модели и интерпретации пилотной волны отказались в пользу квантового формализма до 1952 года, когда она была заново открыта и усовершенствована Дэвидом Бомом .

Луи де Бройль был шестнадцатым членом избран занять место 1 из Французской академии в 1944 году и служил в качестве Perpetual секретаря Французской академии наук . Де Бройль стал первым ученым высокого уровня, который призвал к созданию многонациональной лаборатории. Это предложение привело к созданию Европейской организации ядерных исследований ( ЦЕРН ).

биография

Происхождение и образование

Луи де Бройль принадлежал к известной аристократической семье Бройля , представители которой на протяжении нескольких столетий занимали важные военные и политические посты во Франции. Отец будущего физика Луи-Альфонс-Виктор, пятый герцог де Бройль , был женат на Полине д'Армайль, внучке наполеоновского генерала Филиппа Поля, графа де Сегюра . У них было пятеро детей; помимо Луи, это: Альбертина (1872–1946), впоследствии маркиза де Луппе; Морис (1875–1960), впоследствии известный физик-экспериментатор; Филипп (1881–1890), умерший за два года до рождения Людовика, и Полина, графиня де Панж (1888–1972), впоследствии известная писательница. Луи родился в Дьепе , Приморская Сена. Будучи младшим ребенком в семье, Луи рос в относительном одиночестве, много читал и увлекался историей, особенно политикой. С раннего детства он обладал хорошей памятью и мог точно прочитать отрывок из театральной постановки или дать полный список министров Третьей французской республики . Ему пророчили большое будущее как государственного деятеля.

Де Бройль намеревался сделать карьеру в области гуманитарных наук и получил первую степень по истории. Впоследствии он обратил внимание на математику и физику и получил степень по физике. С началом Первой мировой войны в 1914 году он предложил свои услуги армии в развитии радиосвязи.

Военная служба

После окончания школы Луи де Бройль простым сапером поступил в инженерные войска для прохождения обязательной службы. Все началось в форте Мон Валерьен , но вскоре по инициативе брата он был откомандирован в Службу беспроводной связи и работал на Эйфелевой башне , где находился радиопередатчик. Луи де Бройль оставался на военной службе на протяжении всей Первой мировой войны , занимаясь чисто техническими вопросами. В частности, вместе с Леоном Бриллюэном и братом Морисом он участвовал в установлении беспроводной связи с подводными лодками. Принц Луи был демобилизован в августе 1919 года в звании адъюданта . Позже ученый сожалел, что ему пришлось провести около шести лет вдали от фундаментальных проблем науки, которые его интересовали.

Научно-педагогическая карьера

Его диссертация 1924 года « Исследования теории квантов» («Исследования теории квантов» ) представила его теорию электронных волн. Это включало теорию дуальности материи волна-частица , основанную на работе Макса Планка и Альберта Эйнштейна о свете. Это исследование завершилось гипотезой де Бройля о том, что любая движущаяся частица или объект имеет связанную волну . Таким образом, де Бройль создал новую область в физике, mécanique ondulatoire, или волновую механику, объединив физику энергии (волны) и материи (частицы). За это он получил Нобелевскую премию по физике в 1929 году.

В своей более поздней карьере де Бройль работал над причинным объяснением волновой механики в противовес полностью вероятностным моделям, которые доминируют в квантовой теории; он был усовершенствован Дэвидом Бомом в 1950-х годах. С тех пор эта теория получила название теории де Бройля – Бома .

Помимо строго научной работы, де Бройль думал и писал о философии науки , в том числе о ценности современных научных открытий.

Де Бройль стал членом Академии наук в 1933 году и был бессменным секретарем академии с 1942 года. Его попросили присоединиться к Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais , но он отказался, поскольку он не был религиозным. 12 октября 1944 года он был избран членом Французской академии , заменив математика Эмиля Пикара . Из-за смерти и тюремного заключения членов Академии во время оккупации и других последствий войны Академия не смогла собрать кворум из двадцати членов для его избрания; однако из-за исключительных обстоятельств его единогласное избрание семнадцатью присутствующими членами было принято. В уникальном для истории Академии событии он был принят в качестве члена его собственным братом Морисом, избранным в 1934 году. В 1952 году ЮНЕСКО присудила ему первую премию Калинги за его работу по популяризации научных знаний, и он был 23 апреля 1953 г. избран иностранным членом Королевского общества .

Луи стал 7-м герцогом де Бройлем в 1960 году после смерти без наследника своего старшего брата Мориса, 6-го герцога де Бройля , также физика.

В 1961 году он получил титул кавалера Большого креста Почетного легиона . Де Бройль был удостоен поста советника Французской Высшей комиссии по атомной энергии в 1945 году за его усилия по сближению промышленности и науки. Он основал центр прикладной механики в Институте Анри Пуанкаре , где проводились исследования в области оптики, кибернетики и атомной энергии. Он вдохновил создание Международной академии квантовых молекулярных наук и был одним из первых ее членов. Его похороны состоялись 23 марта 1987 года в церкви Сен-Пьер-де-Нейи.

Луи никогда не был женат. Когда он умер в Лувесьене , его сменил на посту герцога дальний родственник Виктор-Франсуа, восьмой герцог де Бройль .

Научная деятельность

Физика рентгеновского излучения и фотоэлектрического эффекта

Первые работы Луи де Бройля (начало 1920-х) были выполнены в лаборатории его старшего брата Мориса и касались особенностей фотоэлектрического эффекта и свойств рентгеновских лучей . Эти публикации исследовали поглощение рентгеновских лучей и описали это явление с помощью теории Бора , применили квантовые принципы к интерпретации фотоэлектронных спектров и дали систематическую классификацию рентгеновских спектров. Исследования рентгеновских спектров были важны для выяснения структуры внутренних электронных оболочек атомов (оптические спектры определяются внешними оболочками). Таким образом, результаты экспериментов, проведенных совместно с Александром Довилье, выявили недостатки существующих схем распределения электронов в атомах; эти трудности были устранены Эдмундом Стоунером . Другим результатом было выяснение недостаточности формулы Зоммерфельда для определения положения линий в рентгеновских спектрах; это расхождение было устранено после открытия спина электрона. В 1925 и 1926 годах ленинградский физик Орест Хвольсон номинировал братьев де Бройль на Нобелевскую премию за их работы в области рентгеновских лучей.

Материя и дуальность волна-частица

Изучение природы рентгеновского излучения и обсуждение его свойств со своим братом Морисом, который считал эти лучи своего рода комбинацией волн и частиц, помогли Луи де Бройлю осознать необходимость построения теории, связывающей представления частиц и волн. . Кроме того, он был знаком с работами (1919–1922) Марселя Бриллюэна , который предложил гидродинамическую модель атома и попытался связать ее с результатами теории Бора. Отправной точкой в ​​творчестве Луи де Бройля стала идея А. Эйнштейна о квантах света . В своей первой статье на эту тему, опубликованной в 1922 году, французский ученый рассматривал излучение черного тела как газ световых квантов и, используя классическую статистическую механику, вывел закон излучения Вина в рамках такого представления. В своей следующей публикации он попытался согласовать понятие световых квантов с явлениями интерференции и дифракции и пришел к выводу, что с квантами необходимо связать определенную периодичность. При этом кванты света интерпретировались им как релятивистские частицы очень малой массы.

Оставалось распространить волновые соображения на любые массивные частицы, и летом 1923 г. произошел решающий прорыв. Де Бройль изложил свои идеи в небольшой заметке «Волны и кванты» ( фр . Ondes et Quanta , представленной на заседании Парижской академии наук 10 сентября 1923 г.), положившей начало созданию волновой механики. В этой статье ученый предположил, что движущаяся частица с энергией E и скоростью v характеризуется некоторым внутренним периодическим процессом с частотой , где - постоянная Планка . Чтобы согласовать эти соображения, основанные на квантовом принципе, с идеями специальной теории относительности, де Бройль был вынужден связать «фиктивную волну» с движущимся телом, которое распространяется со скоростью . Такая волна, получившая впоследствии название фазовой, или волна де Бройля , в процессе движения тела остается в фазе с внутренним периодическим процессом. Затем, изучив движение электрона по замкнутой орбите, ученый показал, что требование фазового синхронизма напрямую приводит к квантовому условию Бора-Зоммерфельда , то есть к квантованию углового момента. В следующих двух заметках (доложенных на встречах 24 сентября и 8 октября соответственно) де Бройль пришел к выводу, что скорость частицы равна групповой скорости фазовых волн, а частица движется по нормали к поверхностям равная фаза. В общем случае траекторию частицы можно определить с помощью принципа Ферма (для волн) или принципа наименьшего действия (для частиц), что указывает на связь геометрической оптики и классической механики.

Эта теория положила начало волновой механике. Это было поддержано Эйнштейном, подтверждено экспериментами по дифракции электронов Г.П. Томсона, Дэвиссона и Гермера и обобщено работами Шредингера .

Однако это обобщение было статистическим и не было одобрено де Бройлем, который сказал, что «частица должна быть местом внутреннего периодического движения и что она должна двигаться в волне, чтобы оставаться в фазе с ней, игнорировалось исследователями. настоящие физики [которые] ошибаются, рассматривая распространение волны без локализации частицы, что полностью противоречило моим первоначальным представлениям ».

С философской точки зрения, эта теория волн материи внесла большой вклад в крушение атомизма прошлого. Первоначально де Бройль считал, что настоящая волна (т.е. имеющая прямую физическую интерпретацию) связана с частицами. Фактически, волновой аспект материи был формализован волновой функцией, определяемой уравнением Шредингера , которое представляет собой чисто математическую сущность, имеющую вероятностную интерпретацию, без поддержки реальных физических элементов. Эта волновая функция придает материи видимость волнового поведения, не вызывая появления реальных физических волн. Однако до конца своей жизни де Бройль вернулся к прямой и реальной физической интерпретации материальных волн, следуя работам Дэвида Бома . Теория де Бройля – Бома на сегодняшний день является единственной интерпретацией, придающей реальный статус волнам материи и представляющей предсказания квантовой теории.

Гипотеза о внутренних часах электрона

В своей диссертации 1924 года де Бройль предположил, что у электрона есть внутренние часы, которые составляют часть механизма, с помощью которого пилотная волна направляет частицу. Впоследствии Дэвид Хестенес предложил ссылку на zitterbewegung , предложенную Эрвином Шредингером .

Хотя попытки проверить гипотезу о внутренних часах и измерить тактовую частоту пока неубедительны, недавние экспериментальные данные, по крайней мере, совместимы с гипотезой де Бройля.

Непустота и изменчивость массы

Согласно де Бройлю, нейтрино и фотон имеют массы покоя, отличные от нуля, хотя и очень низкие. То, что фотон не совсем безмассовый, обусловлено согласованностью его теории. Между прочим, этот отказ от гипотезы безмассового фотона позволил ему усомниться в гипотезе расширения Вселенной.

Кроме того, он считал, что истинная масса частиц не постоянна, а переменна, и что каждую частицу можно представить как термодинамическую машину, эквивалентную циклическому интегралу действия.

Обобщение принципа наименьшего действия

Во второй части своей диссертации 1924 года де Бройль использовал эквивалентность механического принципа наименьшего действия оптическому принципу Ферма: «Принцип Ферма, примененный к фазовым волнам, идентичен принципу Мопертюи, примененному к движущемуся телу; возможные динамические траектории движения. движущееся тело идентично возможным лучам волны ». Эта эквивалентность была указана Гамильтоном столетием ранее и опубликована им примерно в 1830 году, в эпоху, когда никакой опыт не давал доказательств того, что фундаментальные принципы физики участвуют в описании атомных явлений.

Вплоть до своей последней работы он казался физиком, который больше всего искал то измерение действия, которое Макс Планк в начале 20-го века показал как единственное универсальное единство (с его измерением энтропии).

Двойственность законов природы

Отнюдь не претендуя на «исчезновение противоречия», которое, как считал Макс Борн, могло быть достигнуто с помощью статистического подхода, де Бройль распространил дуальность волна-частица на все частицы (и на кристаллы, обнаружившие эффекты дифракции) и распространил принцип двойственности на законы природы.

Его последняя работа построила единую систему законов из двух больших систем термодинамики и механики:

Когда Больцман и его продолжатели разработали свою статистическую интерпретацию термодинамики, можно было рассматривать термодинамику как сложную ветвь динамики. Но, исходя из моих настоящих идей, именно динамика кажется упрощенным разделом термодинамики. Я думаю, что из всех идей, которые я представил в квантовой теории за последние годы, именно эта идея, безусловно, является наиболее важной и глубокой.

Эта идея, кажется, соответствует непрерывно-разрывной двойственности, поскольку ее динамика могла бы быть пределом ее термодинамики, когда постулируются переходы к непрерывным пределам. Это также близко к мнению Лейбница , который постулировал необходимость «архитектурных принципов» для завершения системы механических законов.

Однако, по его мнению, в смысле противостояния двойственности меньше, чем в синтезе (один является пределом другого), и усилие синтеза, по его мнению, является постоянным, как и в его первой формуле, в которой первый член относится к механике, а второе - к оптике:

Нейтринная теория света

Эта теория, датируемая 1934 годом, вводит идею о том, что фотон эквивалентен слиянию двух нейтрино Дирака .

Это показывает, что движение центра тяжести этих двух частиц подчиняется уравнениям Максвелла - это означает, что нейтрино и фотон имеют массы покоя, отличные от нуля, хотя и очень низкие.

Скрытая термодинамика

Последней идеей Де Бройля была скрытая термодинамика изолированных частиц. Это попытка объединить три самых дальних принципа физики: принципы Ферма, Мопертюи и Карно .

В этой работе действие становится своего рода противоположностью энтропии через уравнение, связывающее единственные два универсальных измерения формы:

Вследствие своего большого влияния эта теория возвращает принцип неопределенности к расстояниям вокруг экстремумов действия, расстояниям, соответствующим уменьшению энтропии .

Почести и награды

Публикации

Ondes et mouvements , 1926 год.
  • Recherches sur la théorie des Quanta ( Исследования по квантовой теории ), Thesis, Paris, 1924, Ann. de Physique (10) 3 , 22 (1925).
  • Introduction à la Physique des Rayons X et gamma ( Введение в физику рентгеновских и гамма-лучей ), с Морисом де Бройлем , Готье-Виллар, 1928.
  • Ondes et mouvements (на французском). Париж: Готье-Виллар. 1926 г.
  • Rapport au 5ème Conseil de Physique Solvay ( Отчет для 5-го Физического Конгресса Solvay ), Брюссель, 1927.
  • Mecanique ondulatoire (на французском языке). Париж: Готье-Виллар. 1928 г.
  • Recueil d'exposés sur les ondes et corpuscules (на французском языке). Париж: Librairie scientifique Hermann et C.ie. 1930 г.
  • Matière et lumière ( Материя и свет ), Париж: Альбин Мишель, 1937.
  • La Physique nouvelle et les Quanta ( Новая физика и кванта ), Фламмарион, 1937.
  • Continu et discontinu en Physique moderne ( Непрерывное и прерывное в современной физике ), Париж: Альбин Мишель, 1941.
  • Ondes, corpuscules, mécanique ondulatoire ( Волны, корпускулы, волновая механика ), Париж: Альбин Мишель, 1945.
  • Physique et microphysique ( физика и микрофизика ), Альбин Мишель, 1947.
  • Vie et œuvre de Paul Langevin ( Жизнь и творчество Поля Ланжевена ), Французская академия наук, 1947.
  • Optique électronique et corpusculaire ( Электронная и корпускулярная оптика ), Герман, 1950.
  • Savants et découvertes ( Ученые и открытия ), Париж, Альбин Мишель, 1951.
  • Непредвиденная причинно-следственная связь и не линейный метод механического моделирования: теория двойного раствора. Париж: Готье-Виллар, 1956.
    • Английский перевод: Нелинейная волновая механика: причинная интерпретация. Амстердам: Эльзевир, 1960.
  • Новые перспективы в микрофизике ( Новые перспективы в микрофизике ), Альбин Мишель, 1956.
  • Sur les sentiers de la science ( На тропах науки ), Париж: Альбин Мишель, 1960.
  • Введение в новой теории частиц М. Жан-Пьера Вижье и его соавторов , Париж: Готье-Виллар, 1961. Париж: Альбин Мишель, 1960.
    • Английский перевод: Введение в теорию элементарных частиц Вижье , Амстердам: Elsevier, 1963.
  • «Этюд критики основ деятельности современного промышленного машиностроения» , Париж: Готье-Виллар, 1963.
    • Английский перевод: The Current Interpretation of Wave Mechanics: A Critical Study , Amsterdam, Elsevier, 1964.
  • Certities et incertitude de la science ( Уверенности и неуверенность в науке ). Париж: Альбин Мишель, 1966.
  • с Луи Арманом, Пьером Анри Симоном и другими. Альберт Эйнштейн . Париж: Ашетт, 1966.
    • Английский перевод: Эйнштейн. Пиблз Пресс, 1979.
  • Recherches d'un demi-siècle ( Исследование полувека ), Альбин Мишель, 1976.
  • Les incertitude d'Heisenberg et l'interprétation probabiliste de la mécanique ondulatoire ( неопределенность Гейзенберга и вероятностная интерпретация волновой механики ), Готье-Виллар, 1982.

использованная литература

внешние ссылки

Французское дворянство
Предшествует
Герцог Бройльский
1960–1987 гг.
Преемник