Louis de Broglie

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Louis de Broglie
Louis de Broglie
Data i miejsce urodzenia 15 sierpnia 1892
Dieppe
Data i miejsce śmierci 19 marca 1987
Louveciennes
Zawód fizyk

Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (ur. 15 sierpnia 1892 w Dieppe, zm. 19 marca 1987 w Louveciennes) – francuski fizyk, laureat Nagrody Nobla w 1929 za odkrycie falowej natury elektronów.

Planował zostać historykiem i ukończył studia w tym kierunku, ale zapewne pod wpływem swojego brata Maurice'a, który był fizykiem, zaczął interesować się fizyką i matematyką. Po wybuchu I wojny światowej w 1914 zgłosił się do armii francuskiej oferując swoją pomoc przy opracowaniu i budowie sieci komunikacji radiowej.

W odróżnieniu od swojego brata, który był głównie fizykiem eksperymentalnym, Louis interesował się raczej fizyką teoretyczną. W 1924 napisał doktorat na temat Recherches sur la théorie des quanta (Badania nad teorią kwantową)[1], w którym zaprezentował swoją teorię falowych właściwości cząstek fale de Broglie'a, opierając się na pracach Einsteina i Plancka o dualizmie korpuskularno-falowym. Pracował od 1928 jako profesor fizyki w Paryżu. De Broglie rozwinął w późniejszym okresie swoją hipotezę, formułując ostatecznie hipotezę de Broglie'a. W 1929 otrzymał Nagrodę Nobla za swoje badania, praktyczne zastosowanie teorii de Broglie'a pozwoliło między innymi na zbudowanie mikroskopu elektronowego. Od 1932 pracował na Sorbonie. Od 1942 był stałym sekretarzem Akademii Francuskiej.

Późniejsze jego prace dotyczą: teorii elektronów, budowy jądra atomu, zastosowań mechaniki falowej do fizyki jądrowej, fizyki relatywistycznej oraz rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych.

Napisał: Introduction + l'étude de la mécanique ondulatoire (1930), Recueil d'exposés sur les ondes et corpuscules (1930), wreszcie, ze swym bratem Maurice'em Introduction + la physique des rayons X et gamma (1928).

W 1935 Uniwersytet Warszawski przyznał mu tytuł doctora honoris causa[2].

Biografia[edytuj | edytuj kod]

Louis de Broglie urodził się w arystokratycznej rodzinie w Dieppe (Francja), w Seine-Martine, jako młodszy syn Viktora. W 1960 został siódmym, po swoim starszym bracie Maurice, też fizyku, spadkobiercą rodziny de Broglie, którym był do bezdzietnej śmierci. Nigdy się nie ożenił. Zmarł w Louveciennes, przekazując tytuł dalekiemu kuzynowi, Victor-François de Broglie.

De Broglie planował robić karierę humanistyczną, i swój pierwszy stopień otrzymał z historii. Potem jednakże zwrócił się ku matematyce oraz fizyce, zdobywając stopień z tej drugiej. Wraz z wybuchem Pierwszej Wojny Światowej w 1914, zaoferował armii swoje usługi w rozwijaniu komunikacji radiowej.

W 1924 jego praca pt. Recherches sur la théorie des quanta (Badania nad teorią kwantową) wprowadziły jego teorię fal elektronu. Obejmowała ona teorię dwoistości cząstkowo-falowej materii, opartą na pracach dotyczących światła, autorstwa Maxa Plancka i Alberta Einsteina. Recenzenci, niepewni oceny materiału, przedstawili ją Einsteinowi. Ten poparł koncepcję z całego serca, a de Broglie uzyskał swój doktorat. Badania osiągnęły kulminację w hipotezie de Broglie, że każda poruszająca się cząstka lub obiekt, posiada przypisaną sobie falę. Tym samym de Broglie ustanowił nowe pole fizyki, mécanique ondulatoire, czyli mechanikę falową, jednoczącą fizykę energii (fala) oraz materii (cząstka). Dostał za to w 1929 Nagrodę Nobla z fizyki.

W swojej późniejszej karierze, de Broglie pracował nad rozwojem przyczynowej interpretacji mechaniki falowej, w opozycji do modeli całkowicie probabilistycznych, jakie zdominowały teorię mechaniki kwantowej. Teoria de Broglie została dopracowana przez Davida Bohma w latach 50-tych, i stała się odtąd znana jako teoria de Broglie-Bohma.

Oprócz pracy ściśle naukowej, de Broglie rozmyślał i pisał o filozofii nauki, włącznie z wartością współczesnych odkryć naukowych.

W 1933 de Broglie został członkiem Francuskiej Akademii Nauk, a od 1942 został jej wieczystym sekretarzem. Proponowano mu również przystąpienie do Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais, lecz odmówił, gdyż był areligijny[3].

12 października 1944 został wybrany do Akademii Francuskiej, zastępując matematyka Émile Picarda. Z powodu śmierci oraz uwięzienia członków akademii podczas okupacji, jak również innych skutków wojny, nie udało się uzyskać kworum dwudziestu członków. Jednak z powodu wyjątkowych okoliczności, zaakceptowano jego jednomyślną elekcję przy obecności 17 członków. Otrzymał stanowisko od swojego własnego brata, Maurice'a, który został wybrany w 1934, co było unikalnym zdarzeniem w historii Akademii. UNESCO nagrodziła go w 1952 pierwszą w historii Nagrodą Kalinga za jego pracę popularyzującą wiedzę naukową, a 23 kwietnia 1953 został Obcokrajowym Członkiem Royal Society[4].

W 1961 de Broglie otrzymał tytuł Rycerza Wielkiego Krzyża Legii Honorowej. W 1945 otrzymał też posadę doradcy we Francuskiej Wysokiej Komisji Energii Atomowej, za jego wkład w przybliżenie przemysłu i nauki. Ustanowił centrum mechaniki stosowanej w Instytucie Henri Poincarego, gdzie przeprowadzano badania nad optyką, cybernetyką i energią atomową. Zainspirował powstanie Międzynarodowej Akademii Nauki Kwantowo-Molekularnej, oraz był jej wczesnym członkiem.

Ważne teorie[edytuj | edytuj kod]

Materia i dualność korpuskularno-falowa[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Główny artykuł: Fale materii.

„Fundamentalny pomysł [mojej tezy z 1924] był następujący: Fakt, że, po wprowadzeniu przez Einsteina fotonów dla fal świetlnych, wiadomo, że światło zawiera cząstki, będące koncentracjami energii, wchodzącymi w skład fali, co sugeruje, że wszystkie cząstki, jak elektrony, muszą być transportowane w fali, w której skład wchodzą... Moja główna idea polegała na rozszerzeniu współistnienia fal z cząstkami, odkrytego przez Einsteina w 1905 w przypadku fotonów światła, na wszystkie cząstki.” „Z każdą cząstką materialną o masie m i prędkością v musi być 'skojarzona' fizyczna fala”, powiązana z jego pędem równaniem:

\lambda = \frac{h}{p} = \frac {h}{{m}{v}} \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}

gdzie \lambda jest długością fali, h jest stałą Plancka, p oznacza pęd, m jest masą spoczynkową, v jest prędkością, a c - prędkością światła w próżni.

Teoria ustanawia podstawy mechaniki falowej. Została poparta przez Einsteina, potwierdzona doświadczeniami z dyfrakcją elektronów, oraz uogólniona pracą Erwina Schrödingera.

Uogólnienie Schrödingera było statystyczne i nie zyskało uznania de Broglie, który powiedział, że „cząstka musi być w wewnętrznym, okresowym ruchu, więc musi poruszać się w fali, aby pozostawać w fazie, a to zostało zignorowane przez fizyków, którzy błędnie rozważają propagację fali bez zlokalizowanej cząstki, co jest sprzeczne z moimi pierwotnymi ideami”.

Z filozoficznego punktu widzenia, teoria fal materii przyczyniła się w dużym stopniu do zruinowania wcześniejszego atomizmu. Pierwotnie, de Broglie rozważał rzeczywiste fale (czyli posiadające bezpośrednią interpretację fizyczną). Jednak falowy aspekt materii został sformalizowany przez funkcję falową, definiowaną równaniem Schrödingera, będącym czysto matematycznym bytem o interpretacji probabilistycznej, bez wsparcia dla rzeczywistych, fizycznych elementów. Tym niemniej, de Broglie powrócił do swojej fizycznej interpretacji fal materii, którą zajmował się do końca życia. Prace nad nią przejął po nim David Bohm. Teoria de Broglie-Bohma jest obecnie jedyną interpretacją, przyznającą falom materii status rzeczywistych bytów fizycznych, będąc przy tym zgodna z przewidywaniami teorii kwantowej.

Przypuszczenie o wewnętrznym zegarze elektronu[edytuj | edytuj kod]

W swojej pracy z 1924, de Broglie przypuszczał, że elektron posiada wewnętrzny zegar, który stanowi część mechanizmu prowadzenia cząstki przez falę pilotującą.[5] Następnie David Hestenes zaproponował połączenie tego z Zitterbewegung, co sugerował Erwin Schrödinger.[6]

Próby weryfikacji hipotezy wewnętrznego zegara oraz pomiaru jego częstotliwości nie przyniosły na razie rozstrzygnięcia.[7] Dane eksperymentalne pozostają przynajmniej w zgodzie z przypuszczeniem de Broglie.[8]

Niepustość oraz zmienność masy[edytuj | edytuj kod]

Według de Broglie, neutrino oraz foton posiadają masę spoczynkową, aczkolwiek bardzo niewielką. Wniosek, że foton nie jest całkiem bezmasowy, wynika ze spójności teorii. Nawiasem mówiąc, odrzucenie hipotezy bezmasowych fotonów pozwoliło mu zwątpić również w hipotezę o rozszerzaniu się Wszechświata.

Co więcej, de Broglie wierzył, że prawdziwa masa cząstek nie jest stała, a każda cząstka może być reprezentowana przez maszynę termodynamiczną, odpowiadającą cyklicznej całce z działania.

Uogólnienie zasady najmniejszego działania[edytuj | edytuj kod]

W drugiej części swojej pracy z 1924, de Broglie użył odpowiednika mechanicznej zasady najmniejszego działania z optyczną zasadą Fermata: „zasada Fermata, zastosowana do fal fazy jest identyczna z zasadą Maupertuisa, zastosowaną do ciała w ruchu. Możliwe trajektorie ciała są identyczne z możliwymi promieniami fali.” Identycznośc ta została podkreślona wiek wcześniej przez Hamiltona, i opublikowana przez niego około 1830, gdy nikt jeszcze nie miał dowodów na to, że podstawowe zasady fizyki będą miały zastosowanie w opisie zjawisk atomowych.

Aż do końca swojej pracy, de Broglie okazał się fizykiem, który najbardziej poszukiwał wymiaru działania, o którym Max Planck, na początku XX wieku, pokazał, że jest jedyną uniwersalną jednostką (o wymiarze entropii).

Dwoistość praw natury[edytuj | edytuj kod]

Będąc daleko od twierdzenia, że „sprzeczności znikają”, o czym Max Born sądził, że jest do osiągnięcia w podejściu statystycznym, de Broglie rozszerzył dualizm cząstkowo-falowy na wszystkie cząstki (oraz na kryształy, w których ujawniała się dyfrakcja), oraz rozszerzył zasadę dualności na prawa natury.

Jego ostatnia praca dawała pojedynczy układ praw, z dwóch dużych systemów, termodynamiki i mechaniki:

Gdy Boltzmann i jego kontynuatorzy rozwinęli swoją statystyczną interpretację termodynamiki, można było rozważać termodynamikę jako skomplikowaną gałąź dynamiki. Ale w moich aktualnych ideach, to dynamika jest uproszczoną wersją termodynamiki. Sądzę, że ze wszystkich idei, jakie wprowadziłem w teorii kwantowej w poprzednich latach, ta idea, jak dotąd, jest najważniejsza i najgłębsza.

Idea ta zdaje się pasowa do dulalizmu ciągłości-nieciągłości, gdyż jej dynamika może być limitem jej termodynamiki, gdzie postulowane jest przejście do ciągłych limitów. Jest to bliskie pomysłom Leibnitza, który głosił potrzebę istnienia zasad architektonicznych, w celu skompletowania układu praw mechanicznych.

Aczkolwiek, według de Broglie, jest tu mniej dualności, w sensie opozycji, niż syntezy (że jedno jest limitem drugiego), a ilość tej syntezy jest stała, jak w jego pierwszym wzorze, którego pierwszy wzór dotyczy mechaniki, a drugi optyki:

 m c^2 = h \nu

Neutrinowa teoria światła[edytuj | edytuj kod]

Teoria ta, datowana od 1934, wprowadza ideę, że foton jest odpowiednikiem fuzji dwóch neutrin Diraca.

Teoria pokazuje, że ruch centrum grawitacyjnego tych dwóch cząstek poddany jest równaniom Maxwella, co pokazuje, że zarówno foton, jak i neutrino, mają niezerową masę spoczynkową, choć bardzo niewielką.

Ukryta termodynamika[edytuj | edytuj kod]

Finalną ideą de Broglie była ukryta termodynamika izolowanych cząstek. Jest to próba połączenia trzech najdalszych zasad fizyki: Fermata, Maupertuisa i Carnota.

W pracy tej, działanie jest czymś przeciwnym do entropii, a łączy je równanie w formie:

{\text{action}\over h} = -{\text{entropy}\over k}

W konsekwencji swojego wielkiego wpływu, teoria przywołuje zasadę nieoznaczoności do odległości wokół ekstremów działania, odległości odpowiadających redukcji entropii.

Nagrody i odznaczenia[edytuj | edytuj kod]

Louis de Broglie według Gheorghe'a Manu

Przypisy

  1. L. de Broglie Recherches sur la théorie des quanta (Badania nad teorią kwantową), Praca doktorska, Paryż, 1924, opublikowana w Ann. de Physique (10) 3, 22 (1925)
  2. Doktoraty HC. uw.edu.pl. [dostęp 21 lutego 2011].
  3. Quantum Mechanics at the Crossroads: New Perspectives From History, Philosophy And Physics. Springer, 2007. ISBN 9783540326632. Cytat: Asked to join Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Français, Louis declined because, he said, he had ceased the religious practices of his youth..
  4. 4,0 4,1 Doi: 10.1098/rsbm.1988.0002
  5. Opis spojrzenia de Broglie można zobaczyć np. tu: David Bohm, Basil Hiley: The de Broglie pilot wave theory and the further development and new insights arising out of it, Foundations of Physics, volume 12, number 10, 1982, Appendix: On the background of the papers on trajectories interpretation, by D. Bohm, (PDF)
  6. D. Hestenes. The Zitterbewegung interpretation of quantum mechanics. „Foundations of Physics”. 20, s. 1213–1232, październik 1990. 
  7. G.R. Osche. Electron channeling resonance and de Broglie's internal clock. „Annales de la Fondation Louis de Broglie”. 36, s. 61–71, 2001. 
  8. Catillon. „Foundations of Physics”. 38, s. 659–664, lipiec 2001. 

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]