作者：胡桃夾子工作室

# 為了畢業，他拿了個諾貝爾獎

在上篇中，我們談到了微粒說和波動說的爭論。隨著愛因斯坦光量子理論的提出，這種爭論愈發激烈，動搖世界的、我們的主角德布羅意也要登場了。

1892 年，著名物理學家路易斯·維克托·皮雷·雷蒙·德布羅意出生于法國。德布羅意家族歷史悠久，祖先中不乏元帥、將軍、部長，為法國效力過上百年。他的祖父曾于 1873–1874 年間當過法國總理，同時也是一位出色的歷史學家。

小時候，德布羅意在祖父的熏陶下，決定進入巴黎大學攻讀歷史，1910 年，18 歲的德布羅意從大學畢業，不過當時他的興趣已經從歷史轉向物理學方面。他的哥哥莫里斯·德布羅意是一位出色的射線物理學家，1911 年路易斯·德布羅意跟著哥哥參加了布魯塞爾物理會議，自此他便立志把一生奉獻給科學事業。

轉投物理后不久，一戰爆發，德布羅意應征入伍，學業暫時中斷；戰后，德布羅意重新回到大學，跟隨著名物理學家保羅·朗之萬繼續學習理論物理。當時，他選修了一門有關相對論的課程，還經常在哥哥的實驗室里幫忙研究愛因斯坦的光電效應，兄弟兩人共同發表了幾篇論文。

經過幾年的研究和實驗，1924 年德布羅意完成了他的博士學位論文《量子理論研究》。在這篇論文里，德布羅意綜合了普朗克和愛因斯坦對于光波和量子的研究，創建了“電子波理論”。德布羅意認為，電子既是一種粒子，也是一種波。他把這種波稱為“相波”，并給出了相波波長的計算公式。

從經典物理學的角度來看，德布羅意的理論簡直荒謬無比！和光不同，自 1897 年英國劍橋大學教授 J·J·湯姆孫在實驗中發現了電子的那天起，科學家就認為電子是一種有質量的實物粒子，這么多年來幾乎從未有過爭議。在當時主流物理學家來看，德布羅意說電子既是粒子又是波，就好像在說一個生物既是動物又是植物，簡直是胡扯！

德布羅意的導師朗之萬看到這篇論文之后，對自己這位得意門生的大膽見解無可奈何，但論文的理論看上去又那么無懈可擊。最終朗之萬決定把論文寄給愛因斯坦，尋求他的意見。那時愛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羅意的論文，便立刻意識到這篇論文的價值，他回信給朗之萬說：“德布羅意的研究給我留下很深刻的印象。他已經掀開了面紗的一角，在我的研究中獲得的結果看起來證實了他的觀點。如果你看見他就請轉告，我對他有多么尊敬和贊同。”后來，愛因斯坦還向當時著名的柏林科學院報告了德布羅意的論文，這個理論迅速在物理學界流傳開來，德布羅意也因此獲得了夢寐以求的博士學位。

可是這并不代表人們接受德布羅意的觀點，紙面上的理論需要搭配實驗結果，才能為人所信服。

1925 年 4 月，美國貝爾電話實驗室里，戴維遜意外發現電子束轟擊鎳金屬塊后，表現出了波動性質。1927 年，G·P·湯姆孫——電子發現者 J·J·湯姆孫的兒子——通過實驗，進一步證明了電子的波動性，他利用實驗數據算出來的結果，與德布羅意理論預言的結果完全吻合。

因為這歷史性的發現，瑞典皇家科學院特別頒授德布羅意 1929 年的諾貝爾物理學獎。德布羅意可能是歷史上第一個憑借博士學位論文拿到諾貝爾物理學獎的科學家。后來，人們為了紀念這位偉大的物理學家，把他發現的相波稱為“德布羅意波”，計算相波波長的公式，稱為“德布羅意公式”。

# 整個物質世界都被動搖了

好了，到現在可以總結一下：光是粒子還是波的爭論尚未結束，電子又過來“搗亂”，也在實驗中表現出來了波的性質。要知道，電子可是有質量、有大小的實物粒子，在當時一些物理學家看來，你說電子是波，就好像是說綠豆、乒乓球這些看得見、摸得著的東西也是波——看起來似乎是十分荒謬的。

實際上，從德布羅意公式來看，任何運動的物體都有波動性——不管是一個電子，還是一顆飛行的子彈，乃至一顆行星……只是，由于子彈、行星等宏觀物體的質量太大，運動速度太慢，它們波長要比電子等微觀粒子的波長小很多，幾乎不可能被觀測到。

隨著物理學的發展，人們既找出了證明它們是粒子的證據，也找出了它們是波的證據，這兩類證據甚至還沒有什么沖突！越來越多的科學家認為，光、電子等基本粒子，可能真的既是波，又是粒子。科學家們把基本粒子既表現出波動性，又表現出粒子性的現象稱為“波粒二象性”。

在德布羅意公式問世之后，科學家們發現構成物質的基本粒子都具有波粒二象性；觀測條件發生變化，微觀粒子表現出的性質會隨之發生變化，頗有“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”之意。

受德布羅意公式的啟發，1926 年，奧地利理論物理學家埃爾溫·薛定諤提出薛定諤方程。大名鼎鼎的量子力學，就是在普朗克的量子理論、愛因斯坦的光電效應、德布羅意的波粒二象性、薛定諤的薛定諤方程及海森堡的測不準原理基礎上發展而來的。

雖然波粒二象性在 20 世紀就已經被發現，并被物理學家接受，可一直以來，人們在實驗中不能同時觀測到光表現出粒子和波兩種性質。2015 年 3 月 10 日，瑞士聯邦理工學院的科學家首次拍攝的同時以波和粒子形式存在的光線照片，證明了“波粒二象性”理論的正確性。

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