Louis de Broglie: Ο Πρίγκιπας της Φυσικής

στις

broglieΟ Louis de Broglie (Μπρέιγ) ήταν αυτός συνέβαλε αποφασιστικά στη γέννηση της επαναστατικής για την εποχή της, θεωρίας της κυματικής φύσης του ηλεκτρονίου επεκτείνοντας τη διττή φύση του φωτός και στην ύλη. Βοήθησε μαζί με άλλους φυσικούς τη δημιουργία της Κυματικής Μηχανικής καθώς και στην ανάπτυξη  της κβαντικής θεωρίας.

Γεννήθηκε στις 15 Αυγούστου του 1892 στην Διέππη της Γαλίας από οικογένεια ευγενών. Αφού τελείωσε το 1909 Λύκειο στο Παρίσι, στην αρχή δεν ενδιαφερόταν για να κάνει καριέρα στις επιστήμες αλλά να πάρει φιλολογικές σπουδές στο Πανεπιστήμιο. Εισήχθη λοιπόν στη Σορβόννη κάνοντας ιστορία, ώστε να συνεχίσει αργότερα στο διπλωματικό σώμα. Στην ηλικία των 18 απεφοίτησε αλλά ήδη άρχισε να ενδιαφέρεται για τα μαθηματικά και τη φυσική, όπως και μεγαλύτερος αδελφός του. Σε ηλικία 18 ετών άρχισε να μελετά συγχρόνως γαλλική ιστορία και φυσική. Αλλά μετά από έντονες διαμάχες με την οικογένεια του εγκατέλειψε τις σπουδές στην ιστορία και αφοσιώθηκε στη φυσική.

Το1910 άρχισε να σπουδάζει θεωρητική φυσική και να εκπονεί μια εργασία του. Το 1913 ο de Broglie βραβεύτηκε για αυτές τις θεωρητικές εργασίες του πάνω στη φυσική αλλά πριν ξεκινήσει την καριέρα του, άρχισε ο Α! Παγκόσμιος Πόλεμος. Υπηρέτησε τότε (1914-1918) στην ασύρματη τηλεγραφία του στρατού στον Πύργο του Eiffel. Κατά τη διάρκεια του πολέμου περνούσε το χρόνο του μελετώντας τεχνικά προβλήματα.

Μετά τον πόλεμο άρχισε να ελκύεται από τη μαθηματική φυσική. Έτσι εξηγούσε, αργότερα, ότι οι έρευνες του Planck το 1900 για την ακτινοβολία του μέλανος σώματος όπως και η δομή της ύλης, του τράβηξαν τη προσοχή.

Ασχολούμενος με τη μαθηματική φυσική, ο de Broglie ουδέποτε απόκτησε ενδιαφέρον για την πειραματική φυσική. Ο αδελφός του, Maurice de Broglie, δούλευε εκείνη την εποχή πειραματικά με τις ακτίνες-Χ, στο δικό του εργαστήριο που κατείχε στο Παρίσι, και μετέδωσε στον αδελφό του Louis, κατά τη διάρκεια των πρώτων ετών της δεκαετίας του 1920 που δούλευε το διδακτορικό του, ένα ενδιαφέρον για τα θέματα αυτά.

Το θέμα της διδακτορικής διατριβής του που ξεκίνησε το 1923 ήταν «Έρευνες πάνω στη θεωρία των κβάντα», τον έκανε να σκέπτεται πάνω στη θεωρία των κυμάτων των ηλεκτρονίων, βασισμένος στην εργασία του Αϊνστάιν και του Πλανκ. Ο Αϊνστάιν είχε διατυπώσει λίγα χρόνια νωρίτερα την άποψη πως το φως που είναι ένα κύμα μπορεί να συμπεριφέρεται σαν να αποτελείται από σωματίδια. Η θεωρία των Αϊνστάιν-Πλανκ τον προσανατόλισε στην θεωρία, για την οποία είναι γνωστός, τη δυαδικότητα σωματιδίου-κύματος, στην οποία η ύλη έχει ιδιότητες σωματιδιακές και κυματικές.

Στην διατριβή του ο Louis de Broglie αναφέρει τα εξής:

«Αφού τα φωτόνια δείχνουν συγχρόνως χαρακτηριστικές ιδιότητες σωματίων και κυμάτων, γιατί να μην συμβαίνει και το ίδιο με όλες τις μορφές της ύλης, γιατί δηλαδή τα σωματίδια να μη συμπεριφέρονται και ως κύματα».

Η πρόταση του απαντούσε στο ερώτημα που είχε ανακύψει κατά τους υπολογισμούς της κίνησης των ηλεκτρονίων του ατόμου. Από τα πειράματα είχε εξαχθεί το συμπέρασμα πως τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινούνται γύρω από τον πυρήνα, αλλά για αδιευκρίνιστους μέχρι τότε λόγους υπήρχαν περιορισμοί στην κίνηση τους. Ο de Broglie σκέφθηκε πως το ηλεκτρόνιο πρέπει να εμφανίζει και ιδιότητες κύματος, για να μπορέσει να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς. Πράγματι μια κύμανση, που περικλείεται μέσα στα όρια τα οποία επιβάλλει η ύπαρξη του πυρηνικού φορτίου, θα υπόκειται σε περιορισμούς όσον αφορά το σχήμα και την κίνηση της, διότι θα είχε συμβάλει με τον εαυτό της με αποτέλεσμα την απόσβεση της.

Κατά τον de Broglie το ηλεκτρόνιο ή οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο έχει κι’ αυτό διττή υπόσταση. Είναι σωματίδιο με ορμή p και κύμα με μήκος λ. Η σχέση που τα συνδέει πρέπει να είναι ίδια με αυτή που ισχύει στα φωτόνια:        ενώ η συχνότητα του μηχανικού κύματος θα δίνεται από τη σχέση:

Οι ιδέες που παρουσιάστηκαν στη διδακτορική του διατριβή, δεν είχαν επιβεβαιωθεί μέχρι τότε, αλλά επιβεβαιώθηκαν πλήρως από την ανακάλυψη της περίθλασης των ακτίνων των ηλεκτρονίων από κρυστάλλους το 1927 από τους Davisson, Kunsman και Germer στις ΗΠΑ (ανακάλυψη της περίθλασης των ηλεκτρονίων από κρυστάλλους), και από τον γιο του J. J. Thomson, τον G. P. Thomson στην Σκωτία. Η θεωρία του De Broglie για την κυματική φύση του ηλεκτρονίου χρησιμοποιήθηκε αργότερα από τους Schrödinger, Dirac και άλλους που ανέπτυξαν την Κυματική Μηχανική, μια σπουδαία θεωρία για να γνωρίσουμε τα φυσικά φαινόμενα σε ατομική κλίμακα.

Στην απονομή του βραβείου Nobel το 1929 εξήγησε το υπόβαθρο των ιδεών του που περιέχονταν στο διδακτορικό του.

Τριάντα χρόνια πριν, η φυσική διαιρέθηκε σε δυο στρατόπεδα: Τη φυσική της ύλης, βασισμένη στις ιδέες των σωματιδίων και ατόμων που υπάκουε ισχυρίζονταν ότι υπάκουε στους νόμους της Κλασσικής Νευτώνειας Μηχανικής, τη φυσική της ακτινοβολίας, βασισμένη στην ιδέα της κυματικής διάδοσης σε ένα υποθετικό συνεχές μέσο, τον αιθέρα. Αλλά αυτά τα δύο συστήματα της φυσικής δεν μπορούν να παραμείνουν χωρισμένα το ένα από το άλλο: Αυτά πρέπει να ενοποιηθούν μέσω της διατύπωσης μιας θεωρίας ανταλλαγών της ενέργειας μεταξύ ύλης και ακτινοβολίας.

Και σε ένα άλλο σημείο είπε:

“Από τη μια μεριά μας ενοχλεί το γεγονός ότι στην κβαντική θεωρία του φωτός ορίζουμε την ενέργεια του σωματίου ως συνάρτηση της συχνότητας Ε = hf. Αλλά μια αμιγής σωματιδιακή θεωρία δεν θα μας έδινε την δυνατότητα να ορίσουμε συχνότητα. Για τον λόγο αυτό στην περίπτωση του φωτός αναγκαζόμαστε να εισάγουμε ταυτόχρονα την ιδέα του σωματιδίου και του κύματος.

Από το άλλο μέρος γνωρίζουμε ότι, η σταθερότητα των τροχιών των ηλεκτρονίων στα άτομα, μας υποχρεώνει να εισάγουμε ακεραίους αριθμούς. Αλλά μέχρι τώρα τα μόνα φαινόμενα στη φυσική που περιέχουν ακεραίους είναι αυτό της συμβολής και των θεμελιωδών μορφών ταλάντωσης.

Αυτό μου έδωσε την ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια δεν είναι μόνο σωματίδια, αλλά πρέπει να τα συνδέσουμε με κάποια περιοδικότητα…”.

«… όσο για την ακτινοβολία, ειδικότερα για το φως, πρέπει να εισάγουμε άμεσα και ταυτόχρονα τη σωματιδιακή ιδέα και τη κυματική ιδέα. Με άλλα λόγια, και στις δύο περιπτώσεις πρέπει να υποθέσουμε την ύπαρξη της ύλης που συνοδεύεται από κύματα. Αλλά η ύλη και τα κύματα δεν μπορούν να είναι ανεξάρτητα επειδή, σύμφωνα με τον Bohr, αυτά είναι συμπληρωματικά το ένα του άλλου.

Συμπερασματικά πρέπει να είναι δυνατόν να ιδρύσουμε ένα ορισμένο παραλληλισμό ανάμεσα στη κίνηση ενός σώματος  και τη διάδοση του κύματος το οποίο το συνοδεύει.

Επίσης σε μια συνέντευξη του το 1963 ο de Broglie περιέγραψε πως του βγήκαν οι ανακαλύψεις του:

Σε συνομιλίες με τον αδελφό μου πάντα καταλήγαμε στο συμπέρασμα πως όπως στην περίπτωση των ακτίνων-Χ είχαμε και κυματική και σωματιδιακή φύση, έτσι ξαφνικά το καλοκαίρι του 1923, μου ήρθε η ιδέα να επεκτείνω τη δυαδικότητα στα σωματίδια της ύλης, ειδικά στα ηλεκτρόνια. Και αναγνώρισα πως, η θεωρία των Hamilton-Jacobi από τη μια μεριά σκόπευε προς αυτή την κατεύθυνση, γι’ αυτό κατάφερα να επεκτείνω τη δυαδικότητα και στα σωματίδια. Αυτό αναπαριστά μια γεωμετρική οπτική. Από την άλλη στα κβαντικά φαινόμενα  βρίσκει κάποιος κβαντικούς αριθμούς, που σπάνια τα βρίσκεις στη μηχανική, όμως απαντώνται πολύ συχνά στα κυματικά φαινόμενα και σε όλα τα προβλήματα που σχετίζονται με την κίνηση των κυμάτων.

Μετά το διδακτορικό του παρέμεινε στη Σορβόννη διδάσκοντας για δύο χρόνια, σαν καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στο Ινστιτούτο Henri Poincaré το 1928. Από το 1932 ήταν επίσης καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στη Σχολή των Επιστημών στη Σορβόννη. Ο De Broglie δίδαξε εκεί μέχρι το 1962. Ήταν μέλος πολλών επιστημονικών ενώσεων (Γραφείο Μέτρων και Σταθμών, Γαλλικής Ατομικής Ενέργειας κλπ).

Μετά τη βράβευση του, το 1929, ο De Broglie δούλεψε πάνω στη κυματομηχανική. Δημοσίευσε εργασίες για τη θεωρία πάνω στο ηλεκτρόνιο του Dirac, στη νέα θεωρία του φωτός, για τη θεωρία του Uhlenbeck πάνω στο spin, και εφαρμογές της κυματομηχανικής πάνω στην πυρηνική φυσική.

Έγραψε είκοσι πέντε βιβλία μεταξύ άλλων τα «Waves and motions» (1926), «Wave mechanics» (1928), «la théorie de la double solution» (1956), «Non-linear Wave Mechanics: A Causal Interpretation» (1960), «Introduction to the Vigier Theory of elementary particles» (1963), και «The Current Interpretation of Wave Mechanics: A Critical Study» (1964).

Συνέγραψε εκλαϊκευμένα βιβλία φιλοσοφίας πάνω στη μοντέρνα φυσική, «Matter and Light: The New Physics» (1939), «The Revolution in Physics» (1953), «Physics and Microphysics» (1960), και «New Perspectives in Physics «(1962).

Το 1952 βραβεύτηκε από την UNESCO για τις προσπάθειες του για την κατανόηση της μοντέρνας φυσικής από το πλατύ κοινό. Αμέτρητες ήταν οι τιμητικές διακρίσεις μεταξύ άλλων και από το Πανεπιστήμιο Αθηνών.

Ο De Broglie περιέγραφε τον εαυτό του σαν καθαρό θεωρητικό παρά πειραματικό μηχανικό, έχοντας μεγάλη κλίση και αγάπη στην φιλοσοφική άποψη της φυσικής.

Το κεντρικό ζήτημα στη ζωή του de Broglie ήταν κατά πόσο η στατιστική φύση της ατομικής φυσικής αντανακλά μια  άγνοια της κατανόησης της θεωρίας ή αν η στατιστική είναι όλα όσα μπορούμε να γνωρίσουμε. Στο περισσότερο μέρος της ζωής του πίστευε την πρότερη, καίτοι ήταν ένας νεαρός ερευνητής που είχε αρχικά πιστέψει πως η στατιστική κρύβει την άγνοια μας. Μάλλον εκπληκτικά, , επέστρεψε σε αυτή την άποψη στο τελευταίο μέρος της ζωής του πως:

… Οι στατιστικές θεωρίες κρύβουν μια τελείως καθορισμένη και εξακριβώσιμη πραγματικότητα πίσω από μεταβλητές οι οποίες υπεκφεύγουν (κρύβονται) στις πειραματικές τεχνικές μας.

Ο Πρίγκιπας Louis-Victor de Broglie πέθανε στις 19 Μαρτίου του 1987.

Advertisements