Part. 3

当玻尔的原子还在泥潭中深陷苦于无法自拔的时候，新的革命已经在酝酿之中。这一次，革命者并非来自穷苦的无产阶级大众，而是出自一个显赫的法国贵族家庭。路易斯·维克托·皮雷·雷蒙·德布罗意王子（Prince Louis Victor Pierre Raymond de Broglie）将为他那荣耀的家族历史增添一份新的光辉。

“王子”（Prince，也有翻译为“公子”的）这个爵位并非我们通常所理解的，是国王的儿子。事实上在爵位表里，它的排名并不算高，而且似乎不见于英语世界。大致说来，它的地位要比“子爵”（Viscount）略低，而比“男爵”（Baron）略高。不过这只是因为路易斯在家中并非老大而已，德布罗意家族的历史悠久，他的祖先中出了许许多多的将军、元帅、部长，曾经忠诚地在路易十四、路易十五、路易十六的麾下效劳。他们参加过波兰王位继承战争（1733-1735）、奥地利王位继承战争（1740-1748）、七年战争（1756-1763）、美国独立战争（1775-1782）、法国大革命（1789）、二月革命（1848），接受过弗兰西斯二世（FrancisⅡ，神圣罗马帝国皇帝，后来退位成为奥地利皇帝弗兰西斯一世）以及路易·腓力（Louis Philippe，法国国王，史称奥尔良公爵）的册封，家族继承着最高世袭身份的头衔：公爵（法文Duc，相当于英语的Duke）。路易斯·德布罗意的哥哥——莫里斯·德布罗意便是第六代德布罗意公爵。1960年，当莫里斯去世以后，路易斯终于从他哥哥那里继承了这个光荣称号，成为第七位Duc de Broglie。

德布罗意Louis de Broglie 1892—1987

当然，在那之前，路易斯还是顶着王子的爵号。小路易斯对历史学表现出浓厚的兴趣，他的祖父——Jacques Victor Albert, Duc de Broglie，不但是一位政治家，曾于1873-1874年担任过法国总理，同时也是一位出色的历史学家，尤其精于晚罗马史，写出过著作《罗马教廷史》（Histoire de l'église et de l'empire romain）。小路易斯在祖父的熏陶下，决定进入巴黎大学攻读历史。18岁那年（1910），他从大学毕业，却没有在历史学领域进行更多的研究，因为他的兴趣已经强烈地转向物理方面。他的哥哥莫里斯·德布罗意（第六代德布罗意公爵）是一位著名的射线物理学家。正如我们已经提到过的那样，莫里斯参加了1911年的布鲁塞尔第一届索尔维“巫师”会议，并把会议记录带回了家。小路易斯阅读了这些令人激动的科学进展和最新思想，他对科学的热情被完全地激发出来，并立志把一生奉献给这一伟大的事业。

转投物理后不久，第一次世界大战爆发了。德布罗意应征入伍，获得了一个无线电技术人员的工作。大部分时间里，他负责在埃菲尔铁塔上架设无线电台。他比可怜的亨利·莫塞莱要幸运许多，能够在大战之后毫发无伤，继续进入大学学习物理。他的博士导师便是著名的保罗·朗之万（Paul Langevin）。

各位读者，我必须在这里插上几句话，因为我们已经在不知不觉中来到了一个命运攸关的时刻。回头望去，玻尔原子的耀眼光芒已经消失在遥远的天际，同时也带走了我们唯一的火把和路标。现在，我们又一次失去了前进的方向，周围野径交错，迷雾湿衣。在接下来的旅途中，大家必须小心翼翼地紧跟我们的步伐，不然会有迷路掉队的危险。史话讲到这里，我希望各位已经欣赏到了不少令人心驰神往的风光美景，也许大家曾经在某些问题上彷徨困惑过一阵子，但总的来说，道路还不算太过崎岖坎坷。然而，必须提醒大家的是，在这之后，我们将进入一个完完全全的奇幻世界。这个世界光怪陆离，和我们平常所感知认同的迥然不同。在这个新世界里，所有的图像和概念都显得疯狂而不理性，显得更像是爱丽丝梦中的奇境，而不是踏踏实实的土地。许多名词是如此稀奇古怪，以致只有借助数学工具才能把握它们的真实意义。当然，笔者将一如既往地试图用最浅白的语言将它们表述出来，但是各位仍然有必要事先做好心理准备，因为量子革命的潮水很快就要铺天盖地地狂啸而来了。这一切来得是那样汹涌澎湃，以致很难分清主次线索，为了不至于使大家摸不着头绪，我将尽量把一个主题阐述完整再转向下一个。那些希望把握时间感的读者应该留意具体的年代和时间。

好了，闲话少说，我们的话题回到德布罗意身上。他一直在思考一个问题，就是如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念，以符合观测到的现实。原本，这个条件是强加在电子上面的量子化模式：电子的轨道是不连续的。可是，为什么必须如此呢？在这个问题上，玻尔只是态度强硬地做了硬性规定，而没有解释理由。在他的威名震慑下，电子虽然乖乖听话，但总有点不那么心甘情愿的感觉。德布罗意想，是时候把电子解放出来，让它们自己做主了。

20世纪初的法国，很少有科学家投入到量子领域的研究中，但老布里渊（Louis Marcel Brillouin，他的儿子小布里渊Léon Nicolas Brillouin也是一位物理名家）是一个例外。1919-1922年，布里渊发表了一系列关于玻尔原子的论文，试图解释只存在分立的定态轨道这样一个事实。在老布里渊看来，这是因为电子在运动的时候会激发周围的“以太”，这些被振荡的以太形成一种波动，它们互相干涉，在绝大部分地方抵消掉了，因此电子不能出现在那里。

德布罗意读过布里渊的文章后，若有所思：干涉抵消的说法是可能的，但“以太”就不令人信服了。我们可敬的老以太，37年前的迈克尔逊—莫雷实验已经宣判了它的死刑，而爱因斯坦则在19年的缓刑期后亲手处决了它，现在，又有什么理由让它再次借尸还魂呢？导致玻尔轨道的原因必定直接埋藏在电子内部，而不用导入什么以太之类的多余概念。问题是，我们必须对电子本身的性质再一次进行认真的审视，莫非电子背后还隐藏着一些无人知晓的秘密？

德布罗意想到了爱因斯坦和他的相对论。他开始这样推论：根据爱因斯坦那著名的方程，如果电子有质量m，那么它一定有一个内禀的能量E=mc2。好，让我们再次回忆那个我说过很有用的量子基本方程，，也就是说，对应这个能量，电子一定会具有一个内禀的频率。这个频率的计算很简单，因为m所以。

好，电子有一个内在频率。那么频率是什么呢？它是某种振动的周期。那么我们又得出结论，电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢？德布罗意借助相对论，开始了他的运算，结果发现……当电子以速度ν0前进时，必定伴随着一个速度为的波……

噢，你没有听错。电子在前进时，本身总是伴随着一个波。细心的读者可能要发出疑问，因为他们发现这个波的速度将比光速还快上许多，但这不是一个问题。德布罗意证明，这种波不能携带实际的能量和信息，因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说，没有一种能量信号的传递能超过光速，对德布罗意的波，他是睁一只眼闭一只眼的。

德布罗意把这种波称为“相波”（phase wave），后人为了纪念他，也称其为“德布罗意波”。计算这个波的波长是容易的，就简单地把上面得出的速度除以它的频率，那么就得到：。

但是，等等，我们似乎还没有回过神来。我们在谈论一个“波”！可是我们起初明明在讨论电子的问题，怎么突然从电子里冒出了一个波呢？我们并没有引入所谓的“以太”啊，只有电子，这个波又是从哪里出来的呢？难道说，电子其实本身就是一个波？

什么？电子居然是一个波？！这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些前卫而反叛的年轻人面前，只能摇头兴叹，连话都说不出来了。德布罗意把相波的证明作为他的博士论文提交了上去，但并不是所有人都相信他。“证据，我们需要证据。”在博士答辩中，所有的人都在异口同声地说，“如果电子是一个波，那么就让我们看到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看，把干涉图纹放在我们眼前。”德布罗意有礼貌地回敬道：“是的，先生们，我会给你们看到证据的。我预言，电子在通过一个小孔或者晶体的时候，会像光波那样，产生一个可观测的衍射现象。”

在当时，德布罗意并未说服所有的评委，虽然他凭借出色的答辩最终获得了博士学位，但人们仍然倾向于认为相波只是一个方便的理论假设，而非物理事实。但是，爱因斯坦却相当支持这个理论，当朗之万把自己弟子的大胆见解交给爱因斯坦点评时，他马上予以了高度评价，称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一惊，这才开始全面关注德布罗意的工作。

事实上，德布罗意的博士学位当然不是侥幸得来的，恰恰相反，这也许是颁发过的含金量最高的学位之一。德布罗意是有史以来第一个仅凭借博士论文就直接获取科学最高荣誉——诺贝尔奖的例子，而他的精彩预言也将和他本人一样在物理史上流芳百世。因为仅仅两年之后，奇妙的事情就在新大陆发生了。