許多數學物理專業的學生後來轉行從事別的職業，都取得了不小的成就，比如我們的“歐洲一姐”默克爾，就是萊比錫大學的物理學博士，畢業三年後轉戰政壇，06年當選德國總理至今已14個年頭，德國在她的帶領下已是歐洲最強經濟體；又比如著名導演，“片場暴君”詹姆斯·卡梅隆，拍出了《泰坦尼克號》、《阿凡達》等影史前幾名的鉅作，但他本科在加州大學卻是物理學專業的學生。而那些畢業後前往華爾街用自己高超的建模能力在金融領域大展拳腳的數理系才俊更是不勝枚舉。
年輕時的默克爾，是一名物理系的學霸
但如果說反過來，想從人文學科轉到物理專業，還能獲得巨大成就，這可能嗎？接下來，我們有請巴黎大學1910屆歷史系學生，1929年諾貝爾物理學獎得主，法國第七代德布羅意公爵，路易·維克多·德布羅意隆重登場。
路易·維克多·德布羅意
1892年，德布羅意出生在法國迪耶普。他的家族在法國近代史中非常顯赫，祖上在1740年便被波旁王朝的路易十五冊封為德布羅意公爵，爵位由長子世襲，到了路易·維克多的父親手中已是第五代德布羅意公爵，其在當時的政府中也身居部長要職。路易從小就接受嚴格的教育，自己也酷愛學習，喜歡研究哲學和歐洲中世紀曆史。中學畢業後，他成為了巴黎大學歷史系的一名學生。
就在德布羅意盡情徜徉在歷史知識的長河之時，第一次索爾維會議於1911年在比利時布魯塞爾召開，歐洲頂尖的物理學家濟濟一堂，討論“輻射與量子理論”。路易的哥哥莫里斯有幸成為這次會議的秘書，他是一名X射線研究人員，日後對路易的一生都有重要影響。
主角的哥哥，實驗物理學家，第六代德布羅意公爵：莫里斯·德布羅意
第一次索爾維會議恰逢物理學發展的重要轉折點，19世紀末的“兩朵烏雲”已是遮天蔽日，而“量子理論”與“狹義相對論”被相繼發表，經典物理的大廈傾覆在即，如何完善全新的理論以支撐起物理學的天空，是大師們迫在眉睫的議題。普朗克是經典物理的忠實信徒，他試圖說明自己發表的量子化假設並不廣泛適用，但愛因斯坦的狹義相對論則是物理學的未來；但愛因斯坦則試圖說服自己的這位伯樂，量子理論不僅在黑體輻射問題上很好用，固體比熱模型也一樣需要它······
第一次索爾維會議
就這樣，大師們精彩而重要的談話，都被作為會議秘書的莫里斯記錄並整理起來。不久，路易與哥哥交談時，翻閱到了這些珍貴的一手資料，關於電磁波與光子間的矛盾與統一、關於物體靜止質量與運動質量的關係、關於時間與空間的相對性，這些迷人的話題，喚起了德布羅意內心對自然哲學的極大興趣。隨後，這名歷史系的文科生決定轉學物理，雖然困難重重，但他還是依靠過人的才智僅於兩年後便獲得了理學學士學位。
1914年，一戰爆發，德布羅意應徵入伍，來到巴黎埃菲爾鐵塔的軍用無線電報站服役，一待就是五年。退伍之後，德布羅意開始師從巴黎大學著名教授保羅·郎之萬，攻讀物理學博士學位。這名才華出眾的法國人，是皮埃爾·居里生前的學生，後來還與居里夫人傳過一段韻事，多年之後，居里夫人的孫女還嫁給了郎之萬的孫子······
保羅·郎之萬
好了，回到正題。路易·德布羅意跟隨郎之萬攻讀物理博士的生涯來到了第五個年頭，他要準備完成自己的博士論文。這些年來，普朗克、愛因斯坦那些關於波動與量子關係的思想一直縈繞在德布羅意的心頭，他漸漸地有了一個大膽的假設。1923年，德布羅意在《法國科學院報》中發表了一篇簡短的論文，題為《波與量子》，隨後又將英文版於同年發表於《自然》雜誌。後世許多人以為德布羅意的博士論文只有一頁紙長，這是因為他們誤以為這篇最先發表的文章就是他的博士論文，其實不然，但他的確是在這篇短論文中第一次提出“象波”這個理論雛形的。儘管如此，那些人還是說錯了一點事實，那就是德布羅意的這篇論文根本不到一頁紙，半頁都不到！
《波與量子》英文版，發表於1923年《自然雜誌》，篇幅不到半頁
第二年，德布羅意完成了他的博士論文《量子理論研究》，法文版有100多頁。在這篇文章中他全面完整地闡述了關於物質波的理論，當然作為一名曾經的歷史系學生，他開篇還不忘回顧了一下16世紀以來的物理學發展史······而就是這篇論文，讓他在5年之後獨得當年的諾貝爾物理學獎。
獲諾貝爾物理學獎的的博士論文：《量子理論研究》
其實德布羅意提出物質波的邏輯也很簡單：逆向思維。既然普朗克和愛因斯坦已經證明了作為電磁波的光具有粒子性，那麼反過來，實物粒子是否也具有波動性呢？他直接引用了愛因斯坦的光量子動量式，但把它反過來：λ=h/p（德布羅意論文中還考慮到了相對論效應，這裡我們不作考慮），所以只要知道粒子的動量，它的波長也自然能夠給出。至於要怎麼證明實物粒子的波動性，德布羅意想到的是晶體衍射：X射線在晶體中因為波長與晶格間距接近會發生衍射圖案，這一點布拉格父子已經成功做出了，還因此獲得了諾貝爾獎；那麼如果運動的實物粒子具有波動性，也會在晶格間產生衍射圖案。他在論文答辯會上也是如此回答一位教授的提問，答辯順利通過。
在不考慮相對論效應的情況下，物質波波長可直接套用光量子的動量表達式
隨後，郎之萬將論文寄給了歐洲不同的學術機構，愛因斯坦也收到了一篇。在看到這位年輕人大膽而富有邏輯的推理之後，愛因斯坦大加讚賞，物質波的概念因此也在學術界得到了廣泛的重視。接下來的問題，一個是在實驗上得到德布羅意所說的實物粒子通過晶格時的衍射圖案；另一個就是將物質波的理論融入到現有的量子力學體系，使得這一極富想象力的假設在物理學中發揮真正價值。
關於第二點，德布羅意本人在論文中其實有過敘述，他使用了玻爾氫原子模型作為例子：當電子運行軌道長度l是電子繞核運動形成的物質波波長λ的整數倍時，物質波才能因為滿足波動的連續性而形成穩定的駐波，通過這種方式解釋了軌道角動量量子化的條件。
由德布羅意波可以推導出玻爾氫原子模型中的軌道角動量量子化條件
而德布羅意的這篇論文，也被當時維也納的一名青年教師讀到了，他就是埃爾溫·薛定諤。看到德布羅意物質波理論的薛定諤大受啟發，兩年之後，他便發表了量子力學最重要的成果之一：薛定諤方程，使得波動力學成為量子力學的三大詮釋之一。薛定諤也因此獲得1933年諾貝爾物理學獎。
埃爾溫·薛定諤，其開創的波動力學受到德布羅意物質波理論的強烈啟發
而另外一個問題，則由美國的戴維森和英國卡文迪許實驗室的小湯姆生（其父老湯姆生是電子的發現人）於1927年解決，他們通過控制電子出射速度以及尋找晶格間隙足夠小的晶體，得到了電子在通過晶格後的衍射圖案。他們二人因此於1937年獲得諾貝爾物理學獎。
戴維森與小湯姆生因電子在晶格中的衍射實驗獲得1937年諾貝爾物理學獎
電子通過晶格後的衍射圖案
德布羅意於1929年被授予諾貝爾物理學獎，1934年被選為法國科學院院士，由已經成為院士的哥哥莫里斯代表全院歡迎他的到來。1960年，引領他進入科學世界的莫里斯去世，路易接過世襲頭銜，成為第七代德布羅意公爵。雖然家世顯赫而且自己的成就極高，榮譽加身，但德布羅意卻喜愛樸素的生活，而且直到1987年去世，他也沒有娶妻成家。他將一生都奉獻給了物理學，但後來再沒有哪項成果，比得上當年自己的博士論文那般，永遠地深刻地改變了人類對物質世界的認知······
本文參加#科學V計劃#，內容為作者原創。
