作者：胡桃夹子工作室

# 为了毕业，他拿了个诺贝尔奖

在上篇中，我们谈到了微粒说和波动说的争论。随着爱因斯坦光量子理论的提出，这种争论愈发激烈，动摇世界的、我们的主角德布罗意也要登场了。

1892 年，著名物理学家路易斯·维克托·皮雷·雷蒙·德布罗意出生于法国。德布罗意家族历史悠久，祖先中不乏元帅、将军、部长，为法国效力过上百年。他的祖父曾于 1873–1874 年间当过法国总理，同时也是一位出色的历史学家。

小时候，德布罗意在祖父的熏陶下，决定进入巴黎大学攻读历史，1910 年，18 岁的德布罗意从大学毕业，不过当时他的兴趣已经从历史转向物理学方面。他的哥哥莫里斯·德布罗意是一位出色的射线物理学家，1911 年路易斯·德布罗意跟着哥哥参加了布鲁塞尔物理会议，自此他便立志把一生奉献给科学事业。

转投物理后不久，一战爆发，德布罗意应征入伍，学业暂时中断；战后，德布罗意重新回到大学，跟随著名物理学家保罗·朗之万继续学习理论物理。当时，他选修了一门有关相对论的课程，还经常在哥哥的实验室里帮忙研究爱因斯坦的光电效应，兄弟两人共同发表了几篇论文。

经过几年的研究和实验，1924 年德布罗意完成了他的博士学位论文《量子理论研究》。在这篇论文里，德布罗意综合了普朗克和爱因斯坦对于光波和量子的研究，创建了“电子波理论”。德布罗意认为，电子既是一种粒子，也是一种波。他把这种波称为“相波”，并给出了相波波长的计算公式。

从经典物理学的角度来看，德布罗意的理论简直荒谬无比！和光不同，自 1897 年英国剑桥大学教授 J·J·汤姆孙在实验中发现了电子的那天起，科学家就认为电子是一种有质量的实物粒子，这么多年来几乎从未有过争议。在当时主流物理学家来看，德布罗意说电子既是粒子又是波，就好像在说一个生物既是动物又是植物，简直是胡扯！

德布罗意的导师朗之万看到这篇论文之后，对自己这位得意门生的大胆见解无可奈何，但论文的理论看上去又那么无懈可击。最终朗之万决定把论文寄给爱因斯坦，寻求他的意见。那时爱因斯坦正忙于其他研究工作，可他只是稍微翻看了一下德布罗意的论文，便立刻意识到这篇论文的价值，他回信给朗之万说：“德布罗意的研究给我留下很深刻的印象。他已经掀开了面纱的一角，在我的研究中获得的结果看起来证实了他的观点。如果你看见他就请转告，我对他有多么尊敬和赞同。”后来，爱因斯坦还向当时著名的柏林科学院报告了德布罗意的论文，这个理论迅速在物理学界流传开来，德布罗意也因此获得了梦寐以求的博士学位。

可是这并不代表人们接受德布罗意的观点，纸面上的理论需要搭配实验结果，才能为人所信服。

1925 年 4 月，美国贝尔电话实验室里，戴维逊意外发现电子束轰击镍金属块后，表现出了波动性质。1927 年，G·P·汤姆孙——电子发现者 J·J·汤姆孙的儿子——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来的结果，与德布罗意理论预言的结果完全吻合。

因为这历史性的发现，瑞典皇家科学院特别颁授德布罗意 1929 年的诺贝尔物理学奖。德布罗意可能是历史上第一个凭借博士学位论文拿到诺贝尔物理学奖的科学家。后来，人们为了纪念这位伟大的物理学家，把他发现的相波称为“德布罗意波”，计算相波波长的公式，称为“德布罗意公式”。

# 整个物质世界都被动摇了

好了，到现在可以总结一下：光是粒子还是波的争论尚未结束，电子又过来“捣乱”，也在实验中表现出来了波的性质。要知道，电子可是有质量、有大小的实物粒子，在当时一些物理学家看来，你说电子是波，就好像是说绿豆、乒乓球这些看得见、摸得着的东西也是波——看起来似乎是十分荒谬的。

实际上，从德布罗意公式来看，任何运动的物体都有波动性——不管是一个电子，还是一颗飞行的子弹，乃至一颗行星……只是，由于子弹、行星等宏观物体的质量太大，运动速度太慢，它们波长要比电子等微观粒子的波长小很多，几乎不可能被观测到。

随着物理学的发展，人们既找出了证明它们是粒子的证据，也找出了它们是波的证据，这两类证据甚至还没有什么冲突！越来越多的科学家认为，光、电子等基本粒子，可能真的既是波，又是粒子。科学家们把基本粒子既表现出波动性，又表现出粒子性的现象称为“波粒二象性”。

在德布罗意公式问世之后，科学家们发现构成物质的基本粒子都具有波粒二象性；观测条件发生变化，微观粒子表现出的性质会随之发生变化，颇有“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”之意。

受德布罗意公式的启发，1926 年，奥地利理论物理学家埃尔温·薛定谔提出薛定谔方程。大名鼎鼎的量子力学，就是在普朗克的量子理论、爱因斯坦的光电效应、德布罗意的波粒二象性、薛定谔的薛定谔方程及海森堡的测不准原理基础上发展而来的。

虽然波粒二象性在 20 世纪就已经被发现，并被物理学家接受，可一直以来，人们在实验中不能同时观测到光表现出粒子和波两种性质。2015 年 3 月 10 日，瑞士联邦理工学院的科学家首次拍摄的同时以波和粒子形式存在的光线照片，证明了“波粒二象性”理论的正确性。

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来源: 星空计划

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