马塞尔·布里渊:原子核近旁的介质波
这一渊源的另一方面是对玻尔模型的研究。玻尔于1913年提出的原子模型,不久即为物理学界接受。1914年和1919年,能级的存在和光谱的莱曼系、布雷克特系相继被验证,1921年玻尔因此获诺贝尔奖,玻尔模型取得了引人称慕的胜利。但是,这一模型的基本概念和假设,即定态与跃迁甚至比它最初提出的时候更令人困惑不解。因此,可以期望对此的研究或许能取得重大的突破。法国物理学家布里渊正是这样考虑的。
但是,法国当时在原子结构的研究上尚称落后:它既没有像卡文迪许或曼彻斯特那样实力雄厚的实验中心,也不像哥本哈根那样有着一大批思维敏捷、生气勃勃的年轻物理学家,更不像哥廷根或苏黎世那样有着持续百年的深厚的理论传统,因此它所产生出来的,相对说来是一种“局外”的思想,这些思想既未能引起他们的外国同行们的注视,也未能有计划地付诸实验。
布里渊认为,定态的存在已为弗兰克-赫兹实验所确认,问题只是为它找出一个物理学可以接受的机制。他觉得,在定态中,一系列整数的引进最引人注目,也最不自然,因而应该由此下手研究问题。从经典物理学出发,布里渊认为,整数只出现在与静驻波动有关的问题中,因此把定态诠释为一种与干涉相关的驻波该是可取的。
但是,爱因斯坦将近十年前提出过的问题就出现了:什么在波动呢?这个简洁的问题所要求的回答是非常深刻的。事实上,任何企图把物质本性诉诸波动的理论,都必须首先回答这个问题,布里渊教授当时所能想象到的只有以太。他假定原子核近旁有一以太层,电子作为振动源在其中运动。用我们今天的术语来说,布里渊所设想的是一种介质波。他假定粒子的速度比介质中的弹性波快很多倍,而玻尔电子运动的量子数n、l、m,可以用电子的振动与介质波动的某种意义上的共振来解释。
布里渊是近代第一个把波和粒子联系起来的人,或者更确切地说,他是第一个把这两个概念放在一起研究的人。利用这样的图象,他得出了用距离r标志的定态系列n(r),还得出了玻尔理论中的巴尔默光谱项,布里渊进一步引进拉格朗日函数,并企图把由此建立的方程用来取代麦克斯韦方程。
布里渊把他的上述工作寄给了路易斯·德布罗意,后者后来多次确认这一点,他说他确实收到过这样的信件。在路易斯·德布罗意最初关于波动力学的文章和讲演中,也曾多次提及布里渊;在1927年的第5次Solvey物理学讨论会上,德布罗意称布里渊是“波动力学的真正的先驱”,对他表示了特别的敬意。(https://www.daowen.com)
路易斯·德布罗意从布里渊那儿看见的,首先是玻尔定态和驻波之间的联系——如果电子只能像它在宏观现象中所表现的那样是一个粒子,那么怎么解释奇怪的正整数系列呢?德布罗意后来追述说:“经过沉思,我感到为了标志定态而诉诸整数的做法似乎指明了研究的方向。整数,事实上只有在必须诉诸波动的那些物理学分支,如弹性力学、声学和光学中才会出现。”
但是,与布里渊不同的是,路易斯·德布罗意认为问题不应是如何向经典力学回归,而应当对经典力学的概念作一彻底的改造,德布罗意写道:“简言之,看来有必要创立一种具有波动特征的新力学,它之于旧力学一如波动光学之于几何光学。”
这一问题的正确提法,一方面来源于路易斯·德布罗意对光量子论的较早的、精辟的见解;另一方面也来源于他对玻尔量子条件的一种深刻的认识。他认为,玻尔的理论必须被看作是一种“中间阶段”,量子条件似乎仅仅是外在地加给经典力学的一种限制,因此,所必须全力寻求的是新的东西。在这个意义上,从牛顿力学到爱因斯坦力学,都只能被视为“旧的”。
路易斯·德布罗意日后总结说:“1923年前后,某些非常重要而且为数众多的迹象清楚地向我表明,波和粒子的观念在物理世界不同领域的各行其是,绝不对应于实物,因而有必要把这两种印象时时处处交织起来。”