1929年的诺贝尔物理学奖——物质波理论!德布罗意:物质都是波?
尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔作为1922年的诺贝尔物理学奖获得者,带领母校哥本哈根大学,通过引入量子化条件,提出了玻尔模型来解释氢原子光谱;并从炽热的氢原子发出的光的性质得到了很好的解释。
不过,后人认为:它与1920年以前的工作一样,只是上个世纪的老旧观念与新量子概念的临时拼凑而已,并不是一个关于物理的完整认知体系。与牛顿定律这种清晰、完整的逻辑体系相比,这些发展起来的量子理论还处在一片混沌的状态。
1923年,一位法国青年贵族:德布罗意为这场量子辩论增加了自己的内容——物质波理论。凭借着创立物质波理论,他因此获得了1929年的诺贝尔物理学奖。
在狭义相对论的逻辑启发下,德布罗意提出:波粒二象性不仅适用于光,也适用于物质。他认为:爱因斯坦的E=mc联结了质量、能量,普朗克和爱因斯坦又把能量与波的频率联系起来,那么这两点的结合意味着物质也该具有波一样的形态。
因此,顺着这种思路仔细思考,德布罗意在博士论文中写道:既然量子理论说明波动的光可以用粒子来描述,那么我们认为是粒子的电子,也应该可以使用同样的波来描述。
他的博士论文获得了答辩委员会的高度评价,不少科学家都认为德布罗意很有独创精神,但是大部分人认为他的想法过于奇特(小编认为,可能是领先于当时的时代);因此,大部分科学家并没有认真对待。
有人问他:有没有办法验证自己的观念?德布罗意回答:“通过电子在晶体上的衍射实验,就有可能观察到这种假定的波动的效应。”于是,物理学家道威利尔便试图用阴极射线管做实验验证,但是受限于电子的速度不够,没有成功便放弃了。
当时,论文发表后并没有多大的反应。不过,朗之万将德布罗意的论文寄给了爱因斯坦,爱因斯坦看后非常兴奋。他没有想到:自己创立的——有关光的波粒二象性观念,在德布罗意手中经过了如此的壮大发展:从最基础的理论,竟然扩展到了运动粒子。
恰巧,爱因斯坦正在写有关量子统计的论文,就加了一段介绍德布罗意的研究内容。论文写到:“一个物质粒子、物质粒子系可以怎样用一个波场相对应,德布罗意先生已经在一篇很值得注意的论文中指出了。”这样,德布罗意的论文立刻获得大家的关注。
爱因斯坦很赞同德布罗意的思想,并认为那是相对论和光子思想的自然结果。不过,科学就是科学,理论基础永远离不开实验的检验。1926年,戴维逊和革末便开始着手进行实验验证,检验理论是否准确。
1926年,美国贝尔电话公司的两位物理学家戴维逊、革末开始研究电子束如何从镍反射回来。恰巧,镍晶体在双缝实验中,起到了实验仪器——双缝的作用。在现代的科学家看来:这就是一场双缝干涉实验,只不过用电子束代替了光束罢了。
戴维逊、革末让电子通过双缝打在磷光屏上,屏幕闪烁的亮点记下电子的位置(这也就是在电视机内部所发生的)。不过,两个人发现了令人惊奇的事情:出现了和双缝干涉实验一样的结果。
因此,实验也证明电子表现出干涉现象——这正是波的标志。屏幕上的黑点是电子消失的图案,如同水波的波峰、波谷相遇互相抵消。二人即便把电子束减弱,电子仍然会形成明暗相间的条带。
每一个电子都像光子那样,以某种方式相互“干涉”。说它们互相干涉,是因为它们在一定时间内重新形成了与波相联系的干涉图样。因此,科学家得到了结论:电子除了大家熟悉的粒子形态之外,还被赋予了波的特征。
事实上,科学家通过实验证明:一切物质都具有波的特征。可能会有读者产生疑问:现实的事物都是固体,哪里会像波?针对这一问题,德布罗意写下了一个物质波长的公式。公式表明:波长正比于约化普朗克常量。(波长等于除以物体的动量。)
小编认为:因为很小,所以计算出的波长与寻常尺度相比也小得可怜。这也是为什么只有在微观实验中,我们才能看见物质的波动性。巨大的光速遮挡了时间、空间的本性,隐藏了它们波动的一面。好了,大家对于物质都是波的性质,有什么自己的看法,欢迎在评论区留言!
作者:纵览