Louis de Broglie

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Louis de Broglie
Louis de Broglie
Født 15. august 1892
Dieppe, Frankrike
Død 19. mars 1987 (94 år)
Louveciennes, Frankrike
Nasjonalitet Fransk
Institusjoner Sorbonne
Universitetet i Paris
Alma mater Sorbonne
Fagfelt Fysikk
Kjent for Elektroners naturlige bølgelengde
de Broglie-bølgelengde
Priser og utmerkelser Nobelprisen i fysikk (1929)

Nobel prize medal.svg
Nobelprisen i fysikk
1929

Louis de Broglie (født 15. august 1892 i Dieppe i Frankrike, død 19. mars 1987) var en fransk fysiker som ga fundamentale bidrag til moderne kvanteteori. I 1929 ble han tildelt Nobelprisen i fysikk for oppdagelsen av elektronets bølgenatur. Senere i livet spilte han en viktig rolle innen naturvitenskap og forskning i Frankrike. Ved et UNESCO-møte i 1949 var han den første, ledende fysiker som tok til orde for å gå sammen om et felles, europeisk forskningslaboratorium. Dette initiativet resulterte i 1952 at det ble vedtatt å etablere CERN for å drive forskning innen kjernefysikk og elementærpartikkelfysikk.

Biografi[rediger | rediger kilde]

Han tilhørte en fransk adelsslekt og bar det fulle navn Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7th duc de Broglie. Ved Sorbonne i Paris studerte han historie, men var allerede da opptatt av naturvitenskap. Dette skyldes i stor grad at hans eldre bror Maurice de Broglie var utdannet fysiker, og denne fikk en større innflytelse over Louis etter farens død i 1906. Fra og med 1911 begynte han derfor studier i matematikk og fysikk. Dette var samtidig med at den første Solvay-konferansen fant sted. Takket være broren, fikk Louis referat herfra og kom dermed i kontakt med de første idéene om kvantefysikk. Dette temaet skulle oppta han resten av livet.

Nyutdannet[rediger | rediger kilde]

Etter to år fikk han sin grad i naturvitenskap og begynte i 1913 å avtjene sin militærtjeneste som radiotelegrafist. Under første verdenskrig fra 1914 var han stasjonert i Eiffel-tårnet. Med denne bakgrunnen begynte han etter at krigen var over, å arbeide med utforskning av røntgenstråling sammen med broren. Samtidig fulgte han forelesninger av Paul Langevin om kvantefysikk og relativitetsteori ved Universitetet i Paris. Allerede da var han opptatt av idèene til Einstein som beskrive lys både som elektromagnetiske bølger og som lyskvant eller fotoner. Denne beskrivelsen utvidet de Broglie snart til også å gjelde for materielle partikler i et doktorgradsarbeid i 1924. Dette vakte stor oppmerksomhet og ble videreført av den østerrikske fysiker Erwin Schrödinger som fant ligningen for disse nye materiebølgene. Sammen med verdens ledende fysikere ble han i 1927 invitert til den femte Solvay-konferansen hvor de nyeste resulat innen kvanteteori ble diskutert.

Louis de Broglie på Solvay-konferansen i 1927 sammen med verdens ledende kvantefysikere.

Professor[rediger | rediger kilde]

Denne anerkjennelse medførte at de Broglie i 1929 ble ansatt ved Institut Henri-Poincaré i Paris. Samme år ble han tildelt Nobelprisen i fysikk for sine fundamentale bidrag til forståelsen av bølgeegenskaper til materielle partikler. Fra 1932 ble han professor i teoretisk fysikk ved Sorbonne hvor han arbeidet hele sitt akademiske liv. Han valgt inn i Académie des Sciences, det franske vitenskapsakademiet, året etterpå. I de følgende årene var en en sentral person innen fransk undervisning forskning. Han bidro spesielt med popularisering av resultater fra moderne videnskap. Etterhvert spilte han også en viktig rolle i europeisk forskningspolitikk og var den første, ledende fysiker som foreslo å etablere et europeisk forskningslaboratorium ved et UNESCO-møte i Lausanne i 1949.[1] På nye møter i 1952 ble det bestemt at laboratoriet skulle drive med forskning innen kjernefysikk og skulle ligge i Geneve. Dette var begynnelsen til CERN som formelt ble startet opp i 1954. For sin store innsats for Frankrike og europeisk fysikk mottok Louis de Broglie en rekke høye utmerkelser og hedersbevisninger.

Vitenskapelige bidrag[rediger | rediger kilde]

I løpet av 1800-tallet hadde det vokst fram en forståelse for at lys var elektromagnetiske bølger, mens elektroner var av partikkelnatur. Etter at Einstein i 1905 framsatte sin teori om den fotoelektriske effekt, ble det klart at lys har både bølge- og partikkel-egenskaper. En lysbølge med frekvens ν er på en måte ekvivalent med en lyspartikkel eller foton med energi E = ħω. Her er ω = 2πν vinkelfrekvensen til lyset og ħ er den reduserte Plancks konstant. På den tiden trodde de Broglie at fotonet hadde en meget liten masse, mindre enn 10-50 g.

Men Einstein hadde på samme tid også vist at masse og energi var ekvivalente, utformet som masseenergiloven. Denne inspirerte de Broglie til å postulere at relasjonen E = ħω også skulle gjelde for massive partikler. På den tiden var det kun snakk om elektronet. Da en partikkel med masse m har energien E0 = mc2 i sitt eget hvilesystem, konkluderte de Broglie derfor med at det her foregår oscillasjoner cosω0 t med frekvens ω0 = mc2.

Når partikkelen settes i bevegelse med konstant hastighet v, følger det nå fra den spesielle relativitetsteorien at energien øker til E = γ E0 hvor γ = 1/√(1 - v2/c2) er Lorentz-faktoren. Dermed øker også vinkelfrekvensen til ω = γω0. Men samtidig sier Einsteins relativitetsteori at frekvensen til denne oscillatoren skal avta til ω' = ω0 på grunn av tidsdilatasjonen. Dette var et tilsynelatende paradoks som de Broglie strevde lenge med å finne ut av.

Fasebølger[rediger | rediger kilde]

Høsten 1923 hadde han funnet en løsning og skrev sammen en kort artikkel på mindre enn tre sider.[2] Den ble presentert i vitenskapsakademiet i Paris den 10. september av Jean Perrin som var medlem. I tillegg til partikkelen som beveger seg med hastighet v og svinger som cosω' t, tenkte de Broglie seg en bølge med frekvens ω som beveger seg i samme retning som partikkelen. Den har fasehastighet u = c2/v og har derfor formen cosω(t - x/u). Etter en tid t er partikkelen kommet til x = vt hvor bølgen har verdien cosωt(1 - v/u) = cosωt(1 - v2/c2). Men nå er ω' = ω(1 - v2/c2) slik at fasen til bølgen og partikkeloscillatoren er i fase.

Dermed hadde han funnet en dualitet mellom beskrivelsen av en partikkel og en ekvivalent bølge. Mens partikkelen beveger seg med hastighet v og er lokalisert i et punkt i rommet, beveger den duale bølgen seg med overlyshastighet u = c2/v og befinner seg over hele rommet. Den har en bølgelengde λ = u/ν = hu/E = h/γmv som kan skrives som

 \lambda = {h\over p} = {h\over mv}\sqrt{1 - v^2/c^2}

og er den berømte de Broglie-bølgelengden for en partikkel med impuls p. Hva denne bølgen var, kunne ikke de Broglie si noe om bortsett fra at den var antatt å være fiktiv og ikke kunne overføre energi. Dette var de første skritt mot en ny kvantemekanikk.

Bohr-kvantisering[rediger | rediger kilde]

Illustrasjon av en sirkulær elektronbane i et atom som blir dekket av n = 7 de Broglie bølgelengder.

I samme arbeid betrakter også de Broglie en partikkel som går i en lukket bane. Da vil partikkelen periodisk komme tilbake tll samme punkt. For at bølgen og partikkelen skal ha samme fase i dette punktet, må avstanden fra partikkelen rundt banen og tilbake igjen være et helt antall bølgelengder som vist i figuren. Er banen en sirkel med radius r, må derfor

 2\pi r = n\lambda

hvor n = 1,2,3,.... Dette var akkurat kvantiseringsbetingelsen Niels Bohr hadde postulert for sin atommodell og som ga radius for de tillatte elektronbanene i atomet. Betingelsen kan også skrives som at dreieimpulsen L = r p til elektronet kun kan ta verdiene L = nħ hvor ħ = h/2π  er den reduserte Plancks konstant.

To uker senere i vitenskapsakademiet legger de Broglie frem et nytt arbeid.[3] Her diskuterer han diffraksjon og interferens av lys med tanke på at hans nye materiebølger kan fremvise lignende effekter i laboratoriet.

Doktorgradsavhandlingen[rediger | rediger kilde]

I løpet av neste år hadde de Broglie skrevet sammen sin nye teori i en lang avhandling som han i november 1924 ville forsvare for sin doktorgrad.[4] Her ga han en ny utledning av sin bølgebeskrivelse som er mer i tråd med den forståelse som man har i dag. Igjen betrakter han en partikkel i ro som produserer en oscillasjon cosω0 t0 hvor frekvensen ω0 = mc2 avhenger av massen m til partikkelen og t0 er tiden målt i dette hvilesystemet. Hvis partikkelen nå observeres fra et annet inertialsystem som beveger seg med hastigheten v, må denne tiden erstattes med en ny tid gitt ved Lorentz-transformasjonen t0 = γ(t - vx/c2). Oscillasjonen tar da formen cos(Et - px)/ħ og beskriver en bølge med vinkelfrekvens ω = E/ħ og bølgetall k = p/ħ = 2π/λ for partikkelen som har energien E = γmc2 og impulsen p = γmv. På den måten oppstår de Broglies fasebølge mer tydelig direkte fra den spesielle relativitetsteorien.

Kravet om at fasene til bølgen og partikkeloscillasjonen må stemme overens, er ikke så sentralt lenger. Istedet kan partikkelen forbindes med en bølgepakke som beveger seg med hastigheten vg = dω/dk = dE/dp = c2p/E = v. At denne gruppehastigheten sammenfaller med hastigheten til partikkelen, er nå bindeleddet mellom den nye bølgebeskrivelsen og den gamle forståelsen av en partikkel. I tillegg viser de Broglie hvordan hans fasebølger passer inn med de klassiske virkningsprinsippene til Fermat for lys og Maupertuis for partikler.

Avhandlingen blir vurdert av professorene Paul Langevin og Jean Perrin. De vet ikke hva de skal mene om disse nye idéene og sender den til Einstein. Han finner den meget interessant og de Broglie får sin doktorgrad. Omtrent samtidig viser den østerrikske fysiker Erwin Schrödinger hvordan den nye beskrivelsen til de Broglie kan sammenfattes i en ny bølgeligning ved å ta utgangspunkt i Hamiltons formulering av klassisk mekanikk. Den nye kvantemekanikken hadde fått sin endelige utforming.

Pilotbølger[rediger | rediger kilde]

Opprinnelig var bølgene til de Broglie ment å være rent matematiske eller fiktive. Men etter at Max Born hadde kommet frem til at de representerte en sannsynlighetsamplitude, ville de Broglie gi dem et annet og mer fysisk innhold. I løpet av de følgende årene utviklet dette seg til en idé om at de kunne betraktes som pilotbølger som på et vis styrer partiklene i deres bevegelser. Denne beskrivelsen ble spesielt utviklet av den amerikanske fysiker David Bohm og er et eksempel på en såkalt hidden-variable teori som skal være et alternativ til den vanlige forståelsen av kvantemekanikken. En partikkels posisjon og impuls er da hidden variables og kan ikke bestemmes presist. Denne interpretasjonen har ikke fått noen generell aksept.

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ CERN timelines. «The history of CERN.». 
  2. ^ L. de Broglie, Radiations - Ondes et quanta, Comptes Rendus 177, 507 - 510 (1923).
  3. ^ L. de Broglie, Quanta de lumière, diffraction et interférences, Comptes Rendus 177, 548 - 550 (1923).
  4. ^ L. de Broglie, Recherces sur la théorie des quanta, Annales de Physique, 3, Série 10 (1925).

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]