王子

路易斯·德布罗意是德布罗意家族的王子。他的贵族家庭打算让他去法国从事外交服务生涯。年轻的王子路易斯曾在索邦的巴黎大学研究历史。但在获得了学士学位后，他转向了理论物理。在他可以充分研究物理学之前，第一次世界大战爆发了。德布罗意在法国军队驻埃菲尔铁塔电报站服役。

随着战争结束，德布罗意开始了他的物理学博士学位研究。他说，他受到“奇怪的量子概念”的吸引。在三年的研究期间，他读了美国物理学家阿瑟·康普顿的最新著作，于是一种概念在他脑海里形成。这个概念不仅让他很快完成了博士论文，还最终荣获诺贝尔奖。

1923年，在爱因斯坦提出光子概念将近二十年后，康普顿发现，出乎他的意料，当光线反弹电子后其频率发生改变。这不是波的行为：当波从一个固定物体表面反射时，每个入射波的波峰产生出另一个波的波峰，而反射波的频率不改变。另一方面，如果康普顿假设光是粒子流，每一个这种粒子都具有爱因斯坦光子的能量，那么他得到的计算结果与他的实验数据完美契合。

“康普顿效应”做到了这一点！物理学家们现在终于接受光子概念了。诚然，在某些实验中，光显示出发散波的属性；而在另一些实验中，光则显露出浓缩的粒子性质。只要我们知道在什么条件下会出现什么属性，那么光子概念的解释似乎不比去寻求康普顿效应的另一种解释更麻烦。然而爱因斯坦仍坚持“单干”。他坚持认为谜团依然存在，有一次他这么说道：“汤姆、迪克和哈里，每个人都认为他们知道什么是光子，但他们错了。”

身为研究生的德布罗意很能体会爱因斯坦的感受：光的二象性——既是弥散的波又是浓缩的粒子流——一定有深刻的含义。他怀疑大自然是否有可能存在着这样一种对称性。如果光可以是波或粒子，那么实物也就可能既是粒子也是波。他写出了一个简单的物质粒子的波长表达式。这个称为粒子的“德布罗意波长”公式是每个开始学习量子力学的学生很快就能掌握的概念。

这一公式的首次检验源于一个激发德布罗意提出波的概念的谜题：如果氢原子中的电子是一个浓缩粒子，我们如何能“知道”它的运动轨道的大小？这些轨道都由著名的玻尔轨道公式来描述。

产生给定的标准音高的小提琴琴弦的长度由沿弦长方向振动的半波长数目确定。同样，电子作为一个波，其允许的轨道可能由绕轨道周长的电子波波长的数目确定。运用这一思想，德布罗意能够推导出玻尔先前的专门的量子化选择定则。（对于小提琴，振动的是弦材料。而在电子“波”情形下，究竟是什么在振动，仍然是个谜，现在依然如此。）

目前尚不清楚德布罗意是如何认真对待他的猜想的。他肯定没有认识到它推动了关于世界的革命性观念变革。用他自己后来的话说：

那些提出新学说基本思想的人往往不能在一开始就认识到一切后果。他在个人直觉的引领下，受到数学类比的内力束缚，他被带着不由自主地走上了一条对终点一无所知的道路。

德布罗意将他的猜想告诉了他的论文导师保罗·朗之万，后者以磁学研究而闻名。朗之万对此没有留下深刻的印象。他指出，在推导玻尔公式时，德布罗意不过是用一个特定假设取代了另一个。不仅如此，他认为德布罗意的假设，即电子可以有波的行为，似乎是荒谬的。

如果德布罗意只是一个普通的研究生，朗之万很可能立即摒弃了他的想法。但他是王子德布罗意。贵族血统起了作用，即使是在法兰西共和国。因此毫无疑问，朗之万克制了自己，要求由世界上最杰出的物理学家来对德布罗意的思想进行评论。爱因斯坦回信说，这个年轻人“揭开了笼罩在旧世界头上的面纱的一角”。

与此同时，在纽约的电话公司的实验室里出了个小事故。当时克林顿·戴维孙正在做金属表面的电子散射实验。虽然戴维孙的兴趣主要是在科学方面，但电话公司正在开发用于电话传输的真空管放大器，对此，掌握电子打击金属表面的行为是很重要的。

通常，电子在非晶态金属表面沿各个方向反弹。但事故发生后，空气泄漏到真空系统，造成镍表面氧化，戴维孙加热金属来赶走氧气。镍结晶后基本上形成了一个狭缝阵列，电子现在只能沿少数几个规定方向弹开。这时出现了干涉图样，证明电子确实存在波的性质。这一发现证实了德布罗意的猜测，实物粒子也可以是波。

我们以1900年的第一个量子暗示作为本章的开头。这个暗示在很大程度上被忽视了。现在我们以物理学家在1923年终于被迫接受了波粒二象性作为本章的结束：光子、电子、原子、分子，原则上任何物体都可以是浓缩的或呈弥散的。你可以在大到一个面包或小到一个原子来证明这一点。你可以选择两个矛盾的特性来证明这一点。一个对象的物理实在性取决于你选择如何看待它。

物理学遇到了意识问题，但还没有意识到这一点。要意识到这个问题还有待几年的接触之后，即在薛定谔发现新的普适运动规律之后。这一发现将是我们下一章的主题。 S9UqRKdB3LjU65lBcccftcd4c57iDfkWook0eJ+vzmZFv0Mc9BWYI7rOvWtwQHqW