德布羅意誕辰 │ 科學史上的今天:8/15

「這根本完全違背我的本意!」出身貴族,言行優雅的德布羅意也不禁有點激動起來。

1927 年的索爾維會議(Solvay Conference)上,他與哥本哈根學派等人為了「波粒二象性」的波究竟是什麼爭執不下;而這源頭正是始於德布羅意在 1924 年提出的物質波。

那是德布羅意的博士論文。他原本就一直留意當時正萌芽的量子說;愛因斯坦於 1905 年漂亮地用光量子解釋光電效應,並於 1916 年獲得密立根的實驗證實;1923 年,康普頓的 X 光散射實驗更是毫無疑義地證明了光的波粒二象性。於是,德布羅意大膽主張物質與光一樣,具有波粒二象性,並在博士論文中提出物質波的公式。

他的論文雖然看起來無懈可擊,但物質波的概念實在太匪夷所思了!物質有確切的質量,又不像光純粹是能量,怎能相提並論?何況這根本與經驗法則不符,物體幾時有過波的樣子!因此幾位教授都持保留意見。德布羅意的指導教授朗之萬(Paul Langevin)只好將論文寄給愛因斯坦,請教他的意見。還好愛因斯坦予以肯定,德布羅意才於 1924 年順利取得博士學位。

如果電子之類的粒子有波的性質,那就應該遵循某種波動方程式吧?1926 年,薛丁格方程式問世;薛丁格本人與德布羅意都認為方程式中的波函數代表的就是真實的波,沒想到玻恩竟然主張那代表的是機率波。原本一起擁抱新物理的量子陣營自此分成兩派,一邊是以玻恩、波耳、海森堡等人為首的哥本哈根學派,主張粒子沒有確切狀態,一邊是愛因斯坦、薛丁格與德布羅意等古典陣營,仍然相信決定論與客觀存在。

1927 年 4 月,戴維森與革末的實驗證明電子果然像波一樣出現繞射圖案,證明了德布羅意的物質波理論。於是十月的索爾維會議已無須再爭論物質波是否存在,重點在於物質波是什麼了。

德布羅意有備而來,提出「前導波」(pilot wave)理論。他認為粒子是隨著空間中的前導波運動,就像是衝浪者乘著波浪前進一樣,如此就能解釋粒子的波粒二象性,而無需近乎玄學的哥本哈根詮釋。但是德布羅意無法回答他們提出的許多質疑,只能黯然不再提起。

德布羅意於 1929 年獲頒諾貝爾物理獎,但他終其一生仍努力試圖賦予物質波真實的物理意義,卻始終無法如願。他與同樣堅守立場的愛因斯坦一樣,看著自己參與創立的量子理論漸行漸遠,卻無能為力,只能無奈地喃喃道:「可是,它並不完備。」

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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