1924年，一個(gè)法國(guó)貴族提出了一個(gè)瘋狂的想法。

德布羅意

他叫德布羅意。

他說(shuō)：電子，這種公認(rèn)的“粒子”，應(yīng)該也有波動(dòng)性。

光既是波又是粒子。

那電子呢？憑什么不能既是粒子又是波？

這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)聽起來(lái)近乎荒謬。

電子自1897年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直被當(dāng)作有確定軌跡的微小粒子。

德布羅意卻大膽地預(yù)言：一個(gè)運(yùn)動(dòng)的電子，行為應(yīng)該像波。

波長(zhǎng)由公式λ = h/p給出——?jiǎng)恿吭酱?，波長(zhǎng)越短。

他甚至預(yù)言了驗(yàn)證方法：用電子束照射晶體，應(yīng)該能看到類似X射線的衍射圖案。

三年后，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們用令人信服的證據(jù)，回應(yīng)了這一跨越時(shí)代的呼喚。

一場(chǎng)意外，一次接力

電子衍射

驗(yàn)證之路幾乎同時(shí)從大西洋兩岸展開。

美國(guó)：一次爆炸，催生了奇跡

貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維孫和革末，原本在做另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

1925年，一次意外爆炸讓他們的鎳晶體樣本氧化了。

為了去除氧化層，他們長(zhǎng)時(shí)間加熱——結(jié)果，多晶鎳意外變成了完美的單晶鎳。

當(dāng)他們?cè)俅斡?strong>電子束轟擊這塊單晶時(shí)，奇跡出現(xiàn)了。

散射電子的強(qiáng)度不再單調(diào)下降，而是在某些特定角度出現(xiàn)尖銳的峰值。

圖案跟X射線在晶體上的衍射圖樣驚人相似。

他們一算，發(fā)現(xiàn)峰值出現(xiàn)的角度恰好滿足布拉格公式。

用這個(gè)公式反推出的波長(zhǎng)，跟德布羅意公式算出來(lái)的理論值完美吻合。

1927年，他們發(fā)表了這一里程碑式的成果。

英國(guó)：父與子的科學(xué)接力

在英國(guó)，J.J.湯姆孫的兒子G.P.湯姆孫用了另一種方法。

他將高速電子穿過(guò)極薄的多晶金屬箔，直接看透射后的圖案。

結(jié)果，照相底片上出現(xiàn)了明暗相間的同心圓環(huán)。

這正是多晶衍射的典型特征。

科學(xué)史上的一段佳話：

父親因證實(shí)電子是粒子，獲1906年諾貝爾獎(jiǎng)。

兒子因證實(shí)電子是波，獲1937年諾貝爾獎(jiǎng)。

戴維孫與G.P.湯姆孫共享了這份榮譽(yù)。

實(shí)驗(yàn)告訴了我們什么？

這些實(shí)驗(yàn)的偉大之處，不僅在于驗(yàn)證了一個(gè)公式，更在于它們從根本上重塑了人類對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的理解。

第一，德布羅意關(guān)系被證實(shí)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)出的波長(zhǎng)，與用λ = h/p算出的值一致。

動(dòng)量p和波長(zhǎng)λ，通過(guò)普朗克常數(shù)h緊緊連在了一起。

第二，電子有波粒二象性。

電子在實(shí)驗(yàn)里展現(xiàn)出雙重人格。

在發(fā)射和被探測(cè)時(shí)，它是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的粒子。

在傳播過(guò)程中，它卻像波一樣，能同時(shí)通過(guò)晶格的所有縫隙，跟自己發(fā)生干涉。

量子力學(xué)先驅(qū)們說(shuō)：

“電子既不是經(jīng)典的粒子，也不是經(jīng)典的波。”

或者說(shuō)，“它既是粒子，也是波。”

第三，波函數(shù)有了概率詮釋。

當(dāng)電子流極其微弱，弱到幾乎是一個(gè)一個(gè)單獨(dú)通過(guò)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間累積仍然會(huì)出現(xiàn)完整的衍射條紋。

這說(shuō)明波動(dòng)性不是大量電子的集體效應(yīng)，而是每個(gè)電子固有的屬性。

屏幕上某個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)的電子多，那個(gè)點(diǎn)的波就強(qiáng)。

這后來(lái)被玻恩發(fā)展為波函數(shù)的概率詮釋：波的強(qiáng)度，代表粒子出現(xiàn)的概率。

深遠(yuǎn)回響

電子衍射實(shí)驗(yàn)的成功，像一把鑰匙，打開了量子力學(xué)宮殿的大門。

薛定諤受到德布羅意物質(zhì)波思想的啟發(fā)，在1926年創(chuàng)立了波動(dòng)力學(xué)。

他找到了描述這種物質(zhì)波的基本方程——薛定諤方程。

此后，物理學(xué)家們陸續(xù)用質(zhì)子、中子、原子乃至大分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無(wú)一例外都觀察到了衍射現(xiàn)象。

波粒二象性，是一切物質(zhì)的普遍屬性。

今天，電子衍射技術(shù)本身也成了強(qiáng)大的工具。

電子顯微鏡利用電子的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見光的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超光學(xué)顯微鏡的分辨率。

讓我們能直接窺見材料的原子世界。

一束電子穿過(guò)晶體，竟然變成了波。

德布羅意的大膽猜想與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的精巧驗(yàn)證，共同完成了這場(chǎng)偉大的科學(xué)革命。

它告訴我們：在微觀世界的門口，我們必須放下直觀的經(jīng)典圖景。

接受一種更深刻、更抽象，卻也更美妙的現(xiàn)實(shí)描述。

一個(gè)貴族用“猜”打開了量子世界的大門。一次爆炸“意外”證實(shí)了他的猜想。

互動(dòng)思考

你覺得德布羅意的成功更多靠什么？

A. 天才的直覺

B. 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)

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