3　文科生的逆袭

1911年对于国际物理学界来说是一个重要的年份，因为这一年是历史上最负盛名的物理学术盛会——索尔维会议首次召开会议的年份。参加这次会议的物理学家，大多数都是出现在当今物理教科书里的人物，其阵容之豪华，堪比武侠小说里的华山论剑（图3-1）。

这次会议是在比利时首都布鲁塞尔举办的，由比利时的化学家兼实业家索尔维赞助。这次大会的主题是“辐射与量子”，由德高望重的荷兰物理学家洛伦兹主持，专门讨论刚刚登台的量子论。显然，物理学家们已经意识到了量子论对于经典物理学的冲击，他们必须做一次深入的交流与讨论，以把握未来物理学的走向。但是，大多数科学家显然还没做好准备迎接新时代的到来，第一个做报告的是洛伦兹，他用德语、法语和英语三种语言轮流讲演，讲得极为精彩，但是，他演讲的题目却是“用经典的方法讨论辐射问题”。

普朗克和爱因斯坦都参加了这次会议，这也是两位巨星的首次会面。此时的爱因斯坦已经是布拉格大学的理论物理教授了。这次会议上，爱因斯坦终于说服了普朗克接受他的光量子理论。要知道，在这之前，普朗克对光量子是持反对态度的。事实上，参加这次会议的大多数科学家都是反对光量子理论的，他们大都希望维持经典物理学的体系，唯独居里夫人是个例外，她坚定地支持爱因斯坦。虽然这是她第一次见到爱因斯坦，但她独具慧眼，对爱因斯坦那透彻的分析能力极为欣赏。

对爱因斯坦来说，这次会议乏善可陈，除了和普朗克、居里夫人、朗之万等几位科学家结下了深厚的友谊之外，面对经典物理学的顽强反抗，他也无可奈何。事后，他对这次会议的总结是：“啥也没讨论出来。”

尽管当时“啥也没讨论出来”，但是，这次会议后来却取得了一项“重大成果”——吸引了一位学历史的青年学生改行攻读物理学位，这个青年人就是路易·德布罗意（1892—1987）。

第一次索尔维会议的秘书是法国物理学家莫里斯·德布罗意，他是研究X射线的专家，也是路易·德布罗意的哥哥。莫里斯回家以后，把这次会议的见闻以及这些著名人物的辩论兴致勃勃地给自己的弟弟讲述了一番，还把会议资料拿给弟弟看。

路易·德布罗意本来是学历史的，但是他哥哥在家里建了一座实验室，耳濡目染之下，他对物理也有所了解。这一次，他哥哥讲述的会议见闻让他对这些物理大师向往不已，会议资料里爱因斯坦和普朗克有关量子化概念的文章也让他产生了极大的兴趣，于是，这位历史专业的学生决定放弃历史，转攻物理。

两年后，德布罗意拿到了理学学士学位，这时候，第一次世界大战爆发，德布罗意被征召入伍，在巴黎的埃菲尔铁塔军用无线电报站服役了6年。1918年年底，“一战”结束，德布罗意随后退役。1919年，他回到巴黎大学跟随朗之万攻读物理学博士学位。

博士生的研究工作需要靠自己独立完成，导师只是提供一些参考意见，于是，德布罗意决定研究自己最感兴趣的量子理论。

从1911年到1919年，短短8年间，随着实验证据的不断出现，物理学界对爱因斯坦的光量子理论已经从普遍反对变成了普遍接受。爱因斯坦提出的光量子理论把原来不相干的波和粒子糅合在了一起，体现出波粒二象性的特点。但是，因为光是一个很特殊的东西，光子的静止质量为零，光速又是所有速度的极限，所以大家也能接受光具有波粒二象性这样的特殊性质，并没有考虑这个性质是否具有普遍性。

德布罗意一直在认真思考光的波粒二象性，他隐约觉得这个现象并不简单，背后或许隐藏着一些更深层次的奥秘，那会是什么呢？他日夜苦思冥想。

时间一晃到了1923年。有一天，一丝亮光突然出现在他的脑海中，于是德布罗意灵光乍现、顿悟天机：既然一度被视为波的光具有粒子性，那么反过来，一直被认为是粒子的物质粒子会不会也具有波动性呢？

正所谓厚积薄发，灵感一旦到来，他的思路豁然开朗。德布罗意立刻意识到，波粒二象性应该具有普遍性，爱因斯坦1905年的发现应当得到推广，运用到所有的物质粒子，特别是电子上。博士论文的课题，有了！

当然，德布罗意的观点并不是泛泛的哲学观点，他在博士论文里面展开了大量的定量讨论。经过近一年的努力，德布罗意在1924年完成了他的博士论文——《量子理论研究》。在论文中，德布罗意把爱因斯坦的公式原封不动地搬运过来，指出实物粒子在运动时，伴随着波长为λ的波，粒子的能量和动量与波的频率和波长有以下关系：

粒子能量E=hυ

粒子动量p=h/λ

后来，人们把这种波叫德布罗意波，也叫物质波。

德布罗意是采用类比的方法提出他的假设的，当时并没有任何直接的实验证据，所以，当他参加博士论文答辩的时候，在场的专家问他：“如何用实验来证实你的理论呢？”

对于这个问题，德布罗意早就准备好了，他知道，答辩时一定会有人提出这个问题，所以他早就想好了回答：“如果让电子通过晶体，它应该会产生一个可观测的衍射现象，这样就能证明它的波动性！”

但是，德布罗意自信满满的回答，并没有完全打动评委。他的导师朗之万和在场的4位评委都对这个大胆的假设充满疑虑，如果授予他博士学位，万一贻笑大方，导师也跟着丢人；可是如果不授予他学位，万一他的想法是正确的，岂不是误人终身？

面对这样艰难的抉择，朗之万想到了爱因斯坦，他们在第一次索尔维会议上结识以后就成了好朋友，经常通信联系。于是，朗之万决定暂缓公布结果，把论文寄给爱因斯坦，听听爱因斯坦的评价再做决定。

很快，朗之万就收到了爱因斯坦的回信。爱因斯坦不愧是爱因斯坦，他具有非凡的科学洞察力，他在回信中对论文给予了极高的评价，并写道：“德布罗意揭开了物理学厚重大幕的一角。”这下子，德布罗意的博士学位终于稳了。

爱因斯坦认识到，德布罗意的发现具有重大意义，应该尽快将其成果向学术界推荐。几个星期后，爱因斯坦就在自己撰写的一篇论文中专门介绍了德布罗意的工作。他写道：“一个物质粒子可以怎样用一个波场相对应，德布罗意先生已在一篇很值得注意的论文中指出了。”

爱因斯坦的推荐立刻引起了科学界的重视，实验物理学家们开始寻找物质波。1927年，英国科学家G.P.汤姆孙让电子穿过金箔，果然得到了电子的衍射图像（图3-2），而且波长与计算结果一致，证实了德布罗意波的存在。需要注意的是，一个电子在屏幕上只能打出一个亮点，电子衍射图像是由一个个电子的落点重叠起来而显现出来的，这是德布罗意波与经典波的一个重要区别，其物理内涵我们将在后面介绍。

实物粒子波粒二象性的发现，是量子力学史上一个重要的里程碑式的事件，量子力学的大厦，终于打好了地基，快要拔地而起了。