在數(shù)學史上，有家族型的數(shù)學家，比如伯努利家族。在物理學史上同樣有家族型的物理學家，比如居里家族（包括居里夫婦和他們的女兒女婿，都是諾貝爾獎獲得者），比如過兩天會講到的湯姆遜家族（父子都獲得了諾貝爾獎）。今天要講的是一對兄弟，法國物理學家莫里斯·德布羅意和他的弟弟路易斯·德布羅斯。雖然在物理學上莫里斯的成就不如弟弟路易斯，但是他卻是弟弟進入物理學的領(lǐng)路人，畢竟弟弟一開始是研究歷史和法律的。
德布羅意兄弟（右二是哥哥莫里斯，右三是弟弟路易斯）
莫里斯·德布羅意于1875年出生在法國巴黎。德布羅意家族祖上曾以軍功在法國顯赫一時，從17世紀開始在法國軍隊、政治、外交方面都頗有盛名，是法國的世襲公爵。莫里斯是家中的長子，作為家族傳統(tǒng)，莫里斯從出生開始，就注定要繼承家族傳統(tǒng)，獻身于法蘭西的外交、政治和軍事事業(yè)。但是很明顯的，莫里斯并不愿意從事政治生活，而選擇了從事科學和技術(shù)工作。1895年，莫里斯從海軍學校完成學業(yè)后，被派往地中海海軍中隊。在那里，他為法國艦船安裝了第一臺無線電裝置，以此來改善海軍艦船裝備。與此同時，莫里斯繼續(xù)著他的學業(yè)，他先后在土倫學校和馬賽大學學習，并于1900年獲得科學學士學位。1898年，莫里斯向家庭提出要從事科學事業(yè)，但遭到了家族的強烈反對，他的祖父甚至訓斥他：對德布羅意家族來說，科學不能是一個事業(yè)。雙方誰也不能說服對方，最后采取一個折衷的方法：莫里斯可以在家里的一套房子中進行科學實驗，但是不能退出海軍。莫里斯在無線電方面取得了杰出的成就，總算沒給家族蒙羞，也正因為他的貢獻，從1904年開始，他獲得了不定期休假的優(yōu)厚待遇。這樣，莫里斯就可以有足夠的精力從事科學研究，他先在梅敦的天文臺研究光譜學，后來又在法蘭西學院學習。莫里斯的學位論文是關(guān)于離子遷移率的研究，這里的離子是指漂浮在空氣中的帶電煙塵粒子。這一研究涉及到當時物理學的兩個中心研究課題--離子的作用過程和布朗運動的測量。要研究離子必須先有離子，為了產(chǎn)生離子，莫里斯花大力氣改進了用來產(chǎn)生X射線的裝置，這就為他后來進行X射線研究打下了基礎(chǔ)。
德布羅意家族的徽章簡圖
1892年，路易斯·德布羅意出生在法國塞納。路易斯從小熱愛讀書，中學時代就顯示出了很好的文學才華。18歲的時候進入巴黎索邦大學學習歷史，并在1910年獲得歷史學學士學位（也就是剛上大學就獲得學位？怎么做到的？）。第二年，哥哥莫里斯以科學秘書的身份參加了第一屆索爾維會議。那次會議的主題就是"輻射理論和量子"，普朗克、愛因斯坦等一批物理學大師都在會上作了精彩的報告。會后，莫里斯協(xié)助朗之萬將這些報告和討論內(nèi)容編輯成冊，并用法文出版。而路易斯則近水樓臺，率先閱讀了這些報告和會議記錄，特別是普朗克和愛因斯坦分別作的關(guān)于黑體輻射、固體比熱的研究報告給他留下了難以忘懷的印象。路易斯開始轉(zhuǎn)向物理學的研究。
第一屆索爾維會議（看看能認識幾個人）
莫里斯在研究X射線的過程中，觀察到了X射線的衍射環(huán)。另外，他還發(fā)明了著名的"旋轉(zhuǎn)晶體法"，即拍攝晶體對X射線衍射圖樣時，讓樣品繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。通過這一方法，提高了X射線攝譜儀的精度。但這時候一戰(zhàn)爆發(fā)，莫里斯投筆從戎，中斷了科學研究。直到戰(zhàn)爭結(jié)束后，他才又回到了他的實驗室，繼續(xù)從事X射線的研究。在研究過程中，莫里斯探測了光電子的速度分布，從而確定了光電子的動能分布。利用入射X射線的能量hν與光電子動能之差給出了吸收限，它表示電子在釋放之前被結(jié)合在原子內(nèi)部的能量。莫里斯測量獲得的數(shù)據(jù)揭示了原子的各種吸收限。路易斯在此期間也參與了這一研究工作，這對他以后形成波粒二象性思想起到了一定的作用。莫里斯擁有設(shè)備精良的私人實驗室。從20年代中期，他把實驗室向社會開放，在社會上公開尋找科學愛好者到實驗室參與共同研究，通過這種形式為法國培養(yǎng)科學人才。當越來越多的人到實驗室進行共同研究時，他的實驗室變成了原子核物理學和宇宙輻射研究的舞臺。此時，莫里斯雖然還在繼續(xù)研究包括X射線在內(nèi)的各種課題，但他已經(jīng)把相當大的一部分精力投入實驗室的領(lǐng)導工作。他的實驗室吸引了許多學生，在他的指導及實驗室群體相互影響下，學生們都各自選擇并確定了自己的研究方向，其中一些學生后來成長為法國科學的領(lǐng)導者。例如，第一批在他實驗室工作的道威里葉后來成長為著名的天體物理學家；而他的弟弟路易斯則成為著名的理論物理學家。1960年，莫里斯去世，享年85歲。他的公爵頭銜傳給了他的弟弟路易斯。
莫里斯·德布羅意
路易斯自從在1911年看了索爾維會議的報告后，轉(zhuǎn)向了物理學研究，并在1913年獲得了科學學士的學位。但是同樣的，在一戰(zhàn)期間，他也投筆從戎，在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服役了6年。在此期間，有關(guān)無線電波的知識給他留下了深刻的印象。
埃菲爾鐵塔上的電報站
一戰(zhàn)后，路易斯在朗之萬的指導下攻讀理論物理，同時也在哥哥的實驗室研究X射線。1922年，路易斯在仔細研究愛因斯坦的有關(guān)經(jīng)典論文后，發(fā)表了一篇題為《黑體輻射與光量子》的論文，在這篇論文中孕育著他后來的關(guān)于物質(zhì)波的一些思想。從1922年到1923年，他一直在思考一個問題：既然光具有波粒二象性，那么波粒二象性是否不只局限于光現(xiàn)象中，其他的實物粒子是否也有這一特性呢？這是一個前人從未想過的問題，也是一個從未被任何實驗揭示的問題，它直接關(guān)系到一般物質(zhì)是否具有波粒二象性這一史無前例的答案。1923年夏秋之間，路易斯連續(xù)發(fā)表了三篇短文來闡述他的這種設(shè)想，并將這個設(shè)想詳細地寫進了他的博士論文。
光的波粒二象性
1924年，路易斯按照他之前發(fā)的三篇短文的思路，寫出了一篇題為《量子理論的研究》的博士論文。在文中，他運用了兩個最亮眼的公式：E=hv和E=mc^2，這都是愛因斯坦最著名的公式。前者是相對于光量子而言的，后者是對實物粒子能量而言的。路易斯將兩個公式綜合了之后，再提出了假設(shè)：光量子的靜止質(zhì)量不為零，而是像電子等一類實物粒子具有頻率的周期過程。路易斯在文中闡述了有關(guān)物質(zhì)波可能存在的主要論點。他堅信物質(zhì)波產(chǎn)生于任何物體的運動，大到行星，小到灰塵、電子，都能形成物質(zhì)波。物質(zhì)波既不是機械波也不是電磁波。最后，路易斯還給出了計算物質(zhì)波的波長公式。這種物質(zhì)波被稱為"相位波"，后人也稱之為"德布羅意波"。
德布羅意波
當時答辯委員會的人除了路易斯的導師朗之萬以外，還有不少理論物理學界的大家，他們都屬于什么場面都見過的人，但是路易斯的這個假設(shè)還是震驚了在場所有的人，而且沒有人能夠提出理論上的反駁。最后，佩蘭提了一個問題：那么，在哪里才能買到這些波呢？（開個玩笑，佩蘭的原話是：這些波能用什么樣的實驗來證實呢？）路易斯胸有成竹地說："用晶體對電子的衍射實驗，應(yīng)該就能看到我所說的波動效應(yīng)"。論文被一致通過，但是朗之萬還是不太放心，又將論文寄給了愛因斯坦，想聽聽他對這篇論文的看法。愛因斯坦看完之后，與答辯委員會的人一樣，大為震驚。他說："看起來雖然像出自一個瘋子的文章，但非常有道理"，這"揭開了偉大帷幕的一角"。后來，愛因斯坦還專門根據(jù)路易斯的理論寫了一篇論文，高度贊揚和強調(diào)了路易斯論文中思想的重要性。后來，薛定諤根據(jù)路易斯的思想，搞出了著名的薛定諤方程。之后，戴維森通過"電子衍射實驗"證明了德布羅意波的存在。路易斯也因為提出這一偉大假說而獲得了1929年的諾貝爾物理學獎。憑一篇博士論文獲得諾貝爾獎，出道即巔峰。（現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上有關(guān)于德布羅意憑一頁紙論文通過博士答辯，并獲得諾貝爾獎的文章，基本上都是意淫文，不值一看）
薛定諤根據(jù)德布羅意假設(shè)搞出的方程
在創(chuàng)立物質(zhì)波理論之后，路易斯主要從事量子電動力學和基本粒子理論的研究。1943年出版了《粒子自旋總論》，在該書中提出了一種處理具有高自旋的基本粒子問題的"熔解法"。路易斯始終對現(xiàn)代物理學的哲學問題感興趣，喜歡講理論物理學、科學史和自然哲學問題結(jié)合起來考慮。他也是哥本哈根學派的主要對手之一。在《非線性波動力學》中，他也為探討統(tǒng)計物理學的因果律的哲學解釋做過不少努力。1960年，路易斯在他哥哥莫里斯去世后，繼承了家族的爵位。路易斯一生從未結(jié)婚，喜歡過平常簡樸的生活。在賣掉了貴族世襲的豪宅之后，他選擇住進平民小屋，深居簡出。1987年，路易斯·德布羅意在路維希安去世，享年95歲。兄弟兩都為物理學作出了卓越的貢獻，并都享高壽。
路易斯·德布羅意
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