Part. 3

當(dāng)玻爾的原子還在泥潭中深陷苦于無法自拔的時(shí)候，新的革命已經(jīng)在醞釀之中。這一次，革命者并非來自窮苦的無產(chǎn)階級(jí)大眾，而是出自一個(gè)顯赫的法國貴族家庭。路易斯·維克托·皮雷·雷蒙·德布羅意王子（Prince Louis Victor Pierre Raymond de Broglie）將為他那榮耀的家族歷史增添一份新的光輝。

“王子”（Prince，也有翻譯為“公子”的）這個(gè)爵位并非我們通常所理解的，是國王的兒子。事實(shí)上在爵位表里，它的排名并不算高，而且似乎不見于英語世界。大致說來，它的地位要比“子爵”（Viscount）略低，而比“男爵”（Baron）略高。不過這只是因?yàn)槁芬姿乖诩抑胁⒎抢洗蠖?，德布羅意家族的歷史悠久，他的祖先中出了許許多多的將軍、元帥、部長，曾經(jīng)忠誠地在路易十四、路易十五、路易十六的麾下效勞。他們參加過波蘭王位繼承戰(zhàn)爭（1733-1735）、奧地利王位繼承戰(zhàn)爭（1740-1748）、七年戰(zhàn)爭（1756-1763）、美國獨(dú)立戰(zhàn)爭（1775-1782）、法國大革命（1789）、二月革命（1848），接受過弗蘭西斯二世（FrancisⅡ，神圣羅馬帝國皇帝，后來退位成為奧地利皇帝弗蘭西斯一世）以及路易·腓力（Louis Philippe，法國國王，史稱奧爾良公爵）的冊封，家族繼承著最高世襲身份的頭銜：公爵（法文Duc，相當(dāng)于英語的Duke）。路易斯·德布羅意的哥哥——莫里斯·德布羅意便是第六代德布羅意公爵。1960年，當(dāng)莫里斯去世以后，路易斯終于從他哥哥那里繼承了這個(gè)光榮稱號(hào)，成為第七位Duc de Broglie。

當(dāng)然，在那之前，路易斯還是頂著王子的爵號(hào)。小路易斯對歷史學(xué)表現(xiàn)出濃厚的興趣，他的祖父——Jacques Victor Albert, Duc de Broglie，不但是一位政治家，曾于1873-1874年擔(dān)任過法國總理，同時(shí)也是一位出色的歷史學(xué)家，尤其精于晚羅馬史，寫出過著作《羅馬教廷史》（Histoire de l'église et de l'empire romain）。小路易斯在祖父的熏陶下，決定進(jìn)入巴黎大學(xué)攻讀歷史。18歲那年（1910），他從大學(xué)畢業(yè)，卻沒有在歷史學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行更多的研究，因?yàn)樗呐d趣已經(jīng)強(qiáng)烈地轉(zhuǎn)向物理方面。他的哥哥莫里斯·德布羅意（第六代德布羅意公爵）是一位著名的射線物理學(xué)家。正如我們已經(jīng)提到過的那樣，莫里斯參加了1911年的布魯塞爾第一屆索爾維“巫師”會(huì)議，并把會(huì)議記錄帶回了家。小路易斯閱讀了這些令人激動(dòng)的科學(xué)進(jìn)展和最新思想，他對科學(xué)的熱情被完全地激發(fā)出來，并立志把一生奉獻(xiàn)給這一偉大的事業(yè)。

轉(zhuǎn)投物理后不久，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。德布羅意應(yīng)征入伍，獲得了一個(gè)無線電技術(shù)人員的工作。大部分時(shí)間里，他負(fù)責(zé)在埃菲爾鐵塔上架設(shè)無線電臺(tái)。他比可憐的亨利·莫塞萊要幸運(yùn)許多，能夠在大戰(zhàn)之后毫發(fā)無傷，繼續(xù)進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)物理。他的博士導(dǎo)師便是著名的保羅·朗之萬（Paul Langevin）。

各位讀者，我必須在這里插上幾句話，因?yàn)槲覀円呀?jīng)在不知不覺中來到了一個(gè)命運(yùn)攸關(guān)的時(shí)刻?；仡^望去，玻爾原子的耀眼光芒已經(jīng)消失在遙遠(yuǎn)的天際，同時(shí)也帶走了我們唯一的火把和路標(biāo)?，F(xiàn)在，我們又一次失去了前進(jìn)的方向，周圍野徑交錯(cuò)，迷霧濕衣。在接下來的旅途中，大家必須小心翼翼地緊跟我們的步伐，不然會(huì)有迷路掉隊(duì)的危險(xiǎn)。史話講到這里，我希望各位已經(jīng)欣賞到了不少令人心馳神往的風(fēng)光美景，也許大家曾經(jīng)在某些問題上彷徨困惑過一陣子，但總的來說，道路還不算太過崎嶇坎坷。然而，必須提醒大家的是，在這之后，我們將進(jìn)入一個(gè)完完全全的奇幻世界。這個(gè)世界光怪陸離，和我們平常所感知認(rèn)同的迥然不同。在這個(gè)新世界里，所有的圖像和概念都顯得瘋狂而不理性，顯得更像是愛麗絲夢中的奇境，而不是踏踏實(shí)實(shí)的土地。許多名詞是如此稀奇古怪，以致只有借助數(shù)學(xué)工具才能把握它們的真實(shí)意義。當(dāng)然，筆者將一如既往地試圖用最淺白的語言將它們表述出來，但是各位仍然有必要事先做好心理準(zhǔn)備，因?yàn)榱孔痈锩某彼芸炀鸵佁焐w地地狂嘯而來了。這一切來得是那樣洶涌澎湃，以致很難分清主次線索，為了不至于使大家摸不著頭緒，我將盡量把一個(gè)主題闡述完整再轉(zhuǎn)向下一個(gè)。那些希望把握時(shí)間感的讀者應(yīng)該留意具體的年代和時(shí)間。

好了，閑話少說，我們的話題回到德布羅意身上。他一直在思考一個(gè)問題，就是如何能夠在玻爾的原子模型里面自然地引進(jìn)一個(gè)周期的概念，以符合觀測到的現(xiàn)實(shí)。原本，這個(gè)條件是強(qiáng)加在電子上面的量子化模式：電子的軌道是不連續(xù)的。可是，為什么必須如此呢？在這個(gè)問題上，玻爾只是態(tài)度強(qiáng)硬地做了硬性規(guī)定，而沒有解釋理由。在他的威名震懾下，電子雖然乖乖聽話，但總有點(diǎn)不那么心甘情愿的感覺。德布羅意想，是時(shí)候把電子解放出來，讓它們自己做主了。

20世紀(jì)初的法國，很少有科學(xué)家投入到量子領(lǐng)域的研究中，但老布里淵（Louis Marcel Brillouin，他的兒子小布里淵Léon Nicolas Brillouin也是一位物理名家）是一個(gè)例外。1919-1922年，布里淵發(fā)表了一系列關(guān)于玻爾原子的論文，試圖解釋只存在分立的定態(tài)軌道這樣一個(gè)事實(shí)。在老布里淵看來，這是因?yàn)殡娮釉谶\(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)激發(fā)周圍的“以太”，這些被振蕩的以太形成一種波動(dòng)，它們互相干涉，在絕大部分地方抵消掉了，因此電子不能出現(xiàn)在那里。

德布羅意讀過布里淵的文章后，若有所思：干涉抵消的說法是可能的，但“以太”就不令人信服了。我們可敬的老以太，37年前的邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)已經(jīng)宣判了它的死刑，而愛因斯坦則在19年的緩刑期后親手處決了它，現(xiàn)在，又有什么理由讓它再次借尸還魂呢？導(dǎo)致玻爾軌道的原因必定直接埋藏在電子內(nèi)部，而不用導(dǎo)入什么以太之類的多余概念。問題是，我們必須對電子本身的性質(zhì)再一次進(jìn)行認(rèn)真的審視，莫非電子背后還隱藏著一些無人知曉的秘密？

德布羅意想到了愛因斯坦和他的相對論。他開始這樣推論：根據(jù)愛因斯坦那著名的方程，如果電子有質(zhì)量m，那么它一定有一個(gè)內(nèi)稟的能量E=mc2。好，讓我們再次回憶那個(gè)我說過很有用的量子基本方程，，也就是說，對應(yīng)這個(gè)能量，電子一定會(huì)具有一個(gè)內(nèi)稟的頻率。這個(gè)頻率的計(jì)算很簡單，因?yàn)閙所以。

好，電子有一個(gè)內(nèi)在頻率。那么頻率是什么呢？它是某種振動(dòng)的周期。那么我們又得出結(jié)論，電子內(nèi)部有某些東西在振動(dòng)。是什么東西在振動(dòng)呢？德布羅意借助相對論，開始了他的運(yùn)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)……當(dāng)電子以速度ν0前進(jìn)時(shí)，必定伴隨著一個(gè)速度為的波……

噢，你沒有聽錯(cuò)。電子在前進(jìn)時(shí)，本身總是伴隨著一個(gè)波。細(xì)心的讀者可能要發(fā)出疑問，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)這個(gè)波的速度將比光速還快上許多，但這不是一個(gè)問題。德布羅意證明，這種波不能攜帶實(shí)際的能量和信息，因此并不違反相對論。愛因斯坦只是說，沒有一種能量信號(hào)的傳遞能超過光速，對德布羅意的波，他是睜一只眼閉一只眼的。

德布羅意把這種波稱為“相波”（phase wave），后人為了紀(jì)念他，也稱其為“德布羅意波”。計(jì)算這個(gè)波的波長是容易的，就簡單地把上面得出的速度除以它的頻率，那么就得到：。

但是，等等，我們似乎還沒有回過神來。我們在談?wù)撘粋€(gè)“波”！可是我們起初明明在討論電子的問題，怎么突然從電子里冒出了一個(gè)波呢？我們并沒有引入所謂的“以太”啊，只有電子，這個(gè)波又是從哪里出來的呢？難道說，電子其實(shí)本身就是一個(gè)波？

什么？電子居然是一個(gè)波？！這未免讓人感到太不可思議?？删吹钠绽士思澥吭谶@些前衛(wèi)而反叛的年輕人面前，只能搖頭興嘆，連話都說不出來了。德布羅意把相波的證明作為他的博士論文提交了上去，但并不是所有人都相信他?！白C據(jù)，我們需要證據(jù)?！痹诓┦看疝q中，所有的人都在異口同聲地說，“如果電子是一個(gè)波，那么就讓我們看到它是一個(gè)波的樣子。把它的衍射實(shí)驗(yàn)做出來給我們看，把干涉圖紋放在我們眼前?！钡虏剂_意有禮貌地回敬道：“是的，先生們，我會(huì)給你們看到證據(jù)的。我預(yù)言，電子在通過一個(gè)小孔或者晶體的時(shí)候，會(huì)像光波那樣，產(chǎn)生一個(gè)可觀測的衍射現(xiàn)象?！?/p>

在當(dāng)時(shí)，德布羅意并未說服所有的評(píng)委，雖然他憑借出色的答辯最終獲得了博士學(xué)位，但人們?nèi)匀粌A向于認(rèn)為相波只是一個(gè)方便的理論假設(shè)，而非物理事實(shí)。但是，愛因斯坦卻相當(dāng)支持這個(gè)理論，當(dāng)朗之萬把自己弟子的大膽見解交給愛因斯坦點(diǎn)評(píng)時(shí)，他馬上予以了高度評(píng)價(jià)，稱德布羅意“揭開了大幕的一角”。整個(gè)物理學(xué)界在聽到愛因斯坦的評(píng)論后大吃一驚，這才開始全面關(guān)注德布羅意的工作。

事實(shí)上，德布羅意的博士學(xué)位當(dāng)然不是僥幸得來的，恰恰相反，這也許是頒發(fā)過的含金量最高的學(xué)位之一。德布羅意是有史以來第一個(gè)僅憑借博士論文就直接獲取科學(xué)最高榮譽(yù)——諾貝爾獎(jiǎng)的例子，而他的精彩預(yù)言也將和他本人一樣在物理史上流芳百世。因?yàn)閮H僅兩年之后，奇妙的事情就在新大陸發(fā)生了。