לואי דה ברויי

לואי דה ברויי

לואי ויקטור פייר ריימון, הדוכס ה-7 לבית ברויי (Louis de Broglie) (בצרפתית: [də bʁɔj]; 15 באוגוסט 1892 – 19 במרץ 1987) היה פיזיקאי תאורטי ואריסטוקרט צרפתי, הידוע בתרומותיו לתורת הקוונטים. בתזה שלו לדוקטורט מ-1924, הוא שיער את אופיים הגלי של האלקטרונים והציע שלכל חומר יש תכונות גליות. מושג זה ידוע כהשערת דה ברויי, המהווה דוגמה לדואליות גל-חלקיק ומהווה חלק מרכזי בתורת מכניקת הקוונטים. בשנת 1929 זכה דה ברויי בפרס נובל לפיזיקה, לאחר שהתנהגותם הגלית של חומרים אושרה ניסויית ב-1927. אישור זה זיכה את ג'ורג' פג'ט תומסון (George Paget Thomson) וקלינטון דייוויסון (Clinton Davisson) בפרס נובל בשנת 1937.

ההתנהגות הגלית של חלקיקים שתיאור דה ברויי שימשה את ארווין שרדינגר (Erwin Schrödinger) בניסוח מכניקת הגלים שלו. דה ברויי הציג פרשנות חלופית למכניקה זו, הנקראת מושג גל-הטייס (pilot-wave), בוועידות סולווה בשנת 1927, אך נטש אותה לאחר מכן. בשנת 1952, דייוויד בוהם (David Bohm) פיתח צורה חדשה של המושג שנודעה בשם תורת דה ברויי-בוהם. דה ברויי חזר לרעיון בשנת 1956, ויצר גרסה אחרת ששילבה רעיונות מבוהם ומז'אן-פייר ויז'ייה (Jean-Pierre Vigier).

לואי דה ברויי היה החבר ה-16 שנבחר לאייש את כיסא 1 באקדמיה הצרפתית (Académie Française) בשנת 1944, וכיהן כמזכיר הקבוע של האקדמיה הצרפתית למדעים. דה ברויי הפך למדען הבכיר הראשון שקרא להקמת מעבדה רב-לאומית, הצעה שהובילה להקמת הארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN). בין פרסומיו היו "המהפכה בפיזיקה" ו"חומר ואור". הוא היה נשיא כבוד של האגודה הצרפתית למדענים כותבים וקיבל את פרס קלינגה הראשון מאונסק"ו על מאמציו להנגשת המדע לציבור.

ביוגרפיה

### משפחה וחינוך

לואי ויקטור פייר ריימון נולד ב-15 באוגוסט 1892 בדייפ שבצרפת, למשפחת האצולה בית ברויי, משפחה מיוחסת ממוצא איטלקי, שנציגיה מילאו במשך מאות שנים תפקידים צבאיים ופוליטיים חשובים בצרפת. אביו, לואי-אלפונס-ויקטור, הדוכס ה-5 לבית ברויי, היה נשוי לפולין ד'ארמייה (Pauline d'Armaille), נכדתו של הגנרל הנפוליאוני פיליפ פול, רוזן דה סגור (Philippe Paul, comte de Ségur), ואשתו, הביוגרפית מארי סלסטין אמלי ד'ארמייה. נולדו להם חמישה ילדים; בנוסף ללואי, אלו היו: אלברטינה (1872–1946), לימים המרקיזה דה לופה; מוריס (1875–1960), לימים פיזיקאי ניסויי מפורסם; פיליפ (1881–1890), שנפטר שנתיים לפני לידתו של לואי, ופולין, רוזנת דה פאנג' (1888–1972), לימים סופרת מפורסמת. על פי הניו יורק טיימס, "סבא רבא לחם לצד ג'ורג' וושינגטון במלחמת העצמאות של ארצות הברית כסגנו הראשי של המרקיז דה לה פאייט."

דה ברויי תואר כילד נאה ומקסים בעל נטייה להיסטוריה. למרות שלעיתים היה בודד, היו לו זיכרון חזק ועניין בפוליטיקה. הוא תכנן קריירה במדעי הרוח וקיבל את התואר הראשון שלו בהיסטוריה בשנת 1910. לאחר מכן, הפנה את תשומת ליבו למדעים וקיבל תואר במדעים בשנת 1913. עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה ב-1914, הוא הציע את שירותיו לצבא בפיתוח תקשורת אלחוטית.

### שירות צבאי

לאחר סיום לימודיו, דה ברויי הצטרף לכוחות ההנדסה כדי למלא את חובת השירות שלו. השירות החל בפורט מון ולריין, אך עד מהרה, ביוזמת אחיו, הוא הוצב לשירות הקשר האלחוטי ועבד על מגדל אייפל, שם מוקם משדר הרדיו. לואי דה ברויי נשאר בשירות צבאי לאורך כל מלחמת העולם הראשונה, כשהוא עוסק בסוגיות טכניות בלבד. בפרט, יחד עם לאון ברילואן (Léon Brillouin) ואחיו מוריס, הוא השתתף בהקמת תקשורת אלחוטית עם צוללות. לואי דה ברויי שוחרר באוגוסט 1919 בדרגת אדג'ודנט. מאוחר יותר, המדען התחרט על כך שנאלץ לבלות כ-6 שנים רחוק מהבעיות היסודיות של המדע שעניינו אותו.

### קריירה מדעית ופדגוגית

התזה שלו מ-1924, "מחקרים על תורת הקוונטים" (Recherches sur la théorie des quanta), הציגה את תורת גלי האלקטרונים שלו. זו כללה את תורת הדואליות גל-חלקיק של החומר, המבוססת על עבודתם של מקס פלנק (Max Planck) ואלברט איינשטיין (Albert Einstein) על האור. מחקר זה הגיע לשיאו בהשערת דה ברויי הקובעת שלכל חלקיק או אובייקט נע יש גל משויך. דה ברויי יצר בכך תחום חדש בפיזיקה, המכניקה הגלית (mécanique ondulatoire), המאחדת את הפיזיקה של האנרגיה (גל) והחומר (חלקיק). הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1929 "על גילוי האופי הגלי של אלקטרונים".

בשלב מאוחר יותר בקריירה שלו, דה ברויי עבד על פיתוח הסבר סיבתי למכניקת הגלים, בניגוד למודלים ההסתברותיים לחלוטין השולטים בתורת הקוונטים; היא שוכללה על ידי דייוויד בוהם בשנות ה-50. התורה נודעה מאז בשם תורת דה ברויי-בוהם.

בנוסף לעבודה מדעית טהורה, דה ברויי חשב וכתב על פילוסופיה של המדע, כולל הערך של תגליות מדעיות מודרניות. בשנת 1930 הוא הקים את סדרת הספרים Actualités scientifiques et industrielles שפורסמה על ידי הוצאת אדיסיון הרמן (Éditions Hermann).

דה ברויי הפך לחבר באקדמיה למדעים בשנת 1933, וכיהן כמזכיר הקבוע שלה משנת 1942. הוא התבקש להצטרף למועצה של האיחוד הקתולי של המדענים הצרפתים, אך סירב מכיוון שלא היה דתי. בשנת 1941, הוא מונה לחבר במועצה הלאומית של צרפת של וישי. ב-12 באוקטובר 1944 נבחר לאקדמיה הצרפתית, במקומו של המתמטיקאי אמיל פיקאר (Émile Picard). בשל מקרי מוות ומאסרים של חברי האקדמיה במהלך הכיבוש והשפעות אחרות של המלחמה, האקדמיה לא הצליחה לגייס קוורום של עשרים חברים לבחירתו; עם זאת, בשל הנסיבות החריגות, בחירתו פה אחד על ידי שבעה-עשר החברים הנוכחים התקבלה. באירוע ייחודי בתולדות האקדמיה, הוא התקבל כחבר על ידי אחיו מוריס, שנבחר בשנת 1934. אונסק"ו העניק לו את פרס קלינגה הראשון בשנת 1952 על עבודתו בהנגשת ידע מדעי, והוא נבחר כחבר זר בחברה המלכותית ב-23 באפריל 1953.

לואי הפך לדוכס ה-7 לבית ברויי בשנת 1960 עם מותו ללא יורשים של אחיו הבכור, מוריס, הדוכס ה-6 לבית ברויי, שהיה גם הוא פיזיקאי.

בשנת 1961 קיבל דה ברויי את תואר אביר הצלב הגדול בלגיון הכבוד. דה ברויי מונה ליועץ לוועדה הצרפתית הגבוהה לאנרגיה אטומית בשנת 1945 בשל מאמציו לקרב בין תעשייה ומדע. הוא הקים מרכז למכניקה יישומית במכון אנרי פואנקרה, שם בוצע מחקר באופטיקה, קיברנטיקה ואנרגיה אטומית. הוא נתן השראה להקמת האקדמיה הבינלאומית למדע קוונטי מולקולרי והיה חבר מוקדם בה.

דה ברויי מעולם לא נישא. כאשר נפטר ב-19 במרץ 1987 בלובסיין בגיל 94, ירש אותו כדוכס בן דוד רחוק, ויקטור-פרנסואה, הדוכס ה-8 לבית ברויי. הלווייתו נערכה ב-23 במרץ 1987 בכנסיית סן-פייר-דה-ניי. ז'אן-קלוד להמן (Jean-Claude Lehmann), מנהל מחלקת הפיזיקה במרכז הלאומי למחקר מדעי של צרפת, אמר: "מותו של לואי דה ברויי מסמן את היעלמותו של אחד החלוצים המבריקים ביותר בפיזיקה בת זמננו."

מחקר

### פיזיקה של קרני רנטגן והאפקט הפוטואלקטרי

עבודותיו הראשונות של לואי דה ברויי (בתחילת שנות ה-20) בוצעו במעבדה של אחיו הבכור מוריס ועסקו בתכונות האפקט הפוטואלקטרי ובמאפייני קרני רנטגן. פרסומים אלו בחנו את בליעת קרני הרנטגן ותיארו תופעה זו תוך שימוש בתורת בוהר, יישמו עקרונות קוונטיים לפירוש ספקטרום של פוטואלקטרונים, ונתנו סיווג שיטתי של ספקטרום רנטגן. המחקרים על ספקטרום הרנטגן היו חשובים להבנת המבנה של קליפות האלקטרונים הפנימיות של אטומים (ספקטרום אופטי נקבע על ידי הקליפות החיצוניות). לפיכך, תוצאות הניסויים שנערכו יחד עם אלכסנדר דובייה (Alexandre Dauvillier), חשפו את החסרונות של התוכניות הקיימות להפצת אלקטרונים באטומים; קשיים אלו בוטלו על ידי אדמונד סטונר (Edmund Stoner). תוצאה נוספת הייתה הבהרת אי-הספיקה של נוסחת זומרפלד לקביעת מיקום הקווים בספקטרום רנטגן; חוסר עקביות זה נפתר לאחר גילוי ספין האלקטרון. בשנת 1925 ו-1926, הפיזיקאי מלנינגרד אורסט חבולסון (Orest Khvolson) הציע את האחים דה ברויי לפרס נובל על עבודתם בתחום קרני הרנטגן.

### חומר ודואליות גל-חלקיק

חקר טבעה של קרינת רנטגן ודיון בתכונותיה עם אחיו מוריס, שראה בקרניים אלו סוג של שילוב בין גלים לחלקיקים, תרמו למודעותו של לואי דה ברויי לצורך לבנות תיאוריה המקשרת בין ייצוגי חלקיקים לגלים. בנוסף, הוא היה בקיא בעבודותיהם (1919–1922) של מרסל ברילואן, שהציע מודל הידרודינמי של אטום וניסה לקשרו לתוצאות תורתו של בוהר. נקודת המוצא בעבודתו של לואי דה ברויי הייתה הרעיון של איינשטיין על קוונטים של אור. במאמרו הראשון בנושא זה, שפורסם ב-1922, שקל המדען הצרפתי את קרינת הגוף השחור כגז של קוונטים של אור, ובעזרת מכניקה סטטיסטית קלאסית, גזר את חוק הקרינה של ויין במסגרת ייצוג כזה. בפרסומו הבא, הוא ניסה ליישב את מושג קוונטי האור עם תופעות של התאבכות ועקיפה והגיע למסקנה שיש צורך לשייך מחזוריות מסוימת לקוונטים. במקרה זה, קוונטי האור פורשו על ידו כחלקיקים יחסותיים בעלי מסה קטנה מאוד.

נותר להרחיב את השיקולים הגליים לכל חלקיק מסיבי, ובקיץ 1923 התרחשה פריצת דרך מכרעת. דה ברויי תיאר את רעיונותיו בפתק קצר "גלים וקוונטים" (בצרפתית: Ondes et quanta, שהוצג בישיבת האקדמיה למדעים של פריז ב-10 בספטמבר 1923), שסימן את תחילת יצירת מכניקת הגלים. במאמר זה ובתזה שלו לדוקטורט שלאחר מכן, הציע המדען שחלקיק נע בעל אנרגיה E ומהירות v מאופיין בתהליך מחזורי פנימי בעל תדר

E

/

h

{\displaystyle E/h}

(שנודע מאוחר יותר כתרד קומפטון), כאשר

h

{\displaystyle h}

הוא קבוע פלנק. כדי ליישב שיקולים אלו, המבוססים על העיקרון הקוונטי, עם רעיונות תורת היחסות הפרטית, דה ברויי שייך גל שכינה "גל פאזה" עם גוף נע, המתפשט במהירות פאזה

c

2

/

v

{\displaystyle c^{2}/v}

. גל כזה, שקיבל מאוחר יותר את השם גל חומר, או גל דה ברויי, נשאר בתהליך תנועת הגוף במופע עם התהליך המחזורי הפנימי. לאחר שבחן את תנועת האלקטרון במסלול סגור, הראה המדען שהדרישה להתאמת פאזה מובילה ישירות לתנאי הקוונטי של בוהר-זומרפלד, כלומר לקוונטיזציה של התנע הזוויתי. בשני הפתקים הבאים (דווחו בישיבות ב-24 בספטמבר וב-8 באוקטובר, בהתאמה), הגיע דה ברויי למסקנה שמהירות החלקיק שווה למהירות החבורה של גלי הפאזה, והחלקיק נע לאורך הנורמל למשטחים של פאזה שווה. במקרה הכללי, ניתן לקבוע את מסלול החלקיק באמצעות עקרון פרמה (עבור גלים) או עקרון הפעולה המינימלית (עבור חלקיקים), מה שמעיד על קשר בין אופטיקה גאומטרית למכניקה קלאסית. אורך הגל של דה ברויי λ הוא קבוע פלנק h מחולק בתנע p:

λ =

h p

.

{\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}.}

תיאוריה זו הניחה את היסוד למכניקת הגלים. היא נתמכה על ידי אלברט איינשטיין, אושרה על ידי ניסויי עקיפת אלקטרונים של ג'ורג' פג'ט תומסון בממלכה המאוחדת וקלינטון דייוויסון ולסטר גרמר בארצות הברית, והוכללה על ידי עבודתו של ארווין שרדינגר.

בתחילה, דה ברויי חשב שגל ממשי (כלומר, בעל פרשנות פיזיקלית ישירה) משויך לחלקיקים. עם זאת, כאשר ההיבט הגלי של החומר עוגן על ידי פונקציית גל שהוגדרה על ידי משוואת שרדינגר, הוא התגלה כיישות מתמטית טהורה בעלת פרשנות הסתברותית, ללא תמיכה של אלמנטים פיזיקליים. פונקציית גל זו מעניקה התנהגות גלית לחומר, אך היא נצפית רק דרך דגימות קוונטיות בודדות. עם זאת, בשנת 1956 ניסה דה ברויי שוב תיאוריה של פרשנות ישירה ופיזיקלית לגלי חומר, בעקבות עבודתו של דייוויד בוהם והצעות של ז'אן-פייר ויז'ייה.

### השערת שעון פנימי של האלקטרון

בתזה שלו מ-1924, שיער דה ברויי שלאלקטרון יש שעון פנימי המהווה חלק מהמנגנון שבו גל טייס מנחה חלקיק. לאחר מכן, דייוויד הסטנס (David Hestenes) הציע קשר ל-zitterbewegung (תנועה רועדת) שהוצע על ידי שרדינגר.

בעוד שניסיונות לאימות השערת השעון הפנימי ומדידת תדר השעון אינם חד-משמעיים עד כה, נתונים ניסיוניים עדכניים תואמים לפחות להשערתו של דה ברויי.

### אי-אפס ומשתנות של מסה

לפי דה ברויי, לנייטרינו ולפוטון יש מסות מנוחה שאינן אפס, אם כי נמוכות מאוד. העובדה שפוטון אינו חסר מסה לחלוטין נכפית על ידי העקביות של תורתו. אגב, דחייה זו של השערת הפוטון חסר המסה אפשרה לו להטיל ספק בהשערת התפשטות היקום.

בנוסף, הוא האמין שהמסה האמיתית של חלקיקים אינה קבועה, אלא משתנה, וניתן לייצג כל חלקיק כמכונה תרמודינמית שקולה לאינטגרל פעולה מחזורי.

### הכללת עקרון הפעולה המינימלית

בחלק השני של התזה שלו מ-1924, השתמש דה ברויי בשקילות שבין עקרון הפעולה המינימלית המכני לעקרון האופטי של פרמה: "עקרון פרמה המיושם על גלי פאזה זהה לעקרון מופרטוי (Maupertuis) המיושם על גוף נע; המסלולים הדינמיים האפשריים של הגוף הנע זהים לקרניים האפשריות של הגל." שקילות אחרונה זו צוינה על ידי ויליאם רואן המילטון מאה שנה קודם לכן, ופורסמה על ידו בסביבות 1830, עבור מקרה של אור.

### דואליות של חוקי הטבע

רחוק מלטעון שהוא גורם ל"סתירה להיעלם", דבר שמקס בורן (Max Born) חשב שניתן להשיגו בגישה סטטיסטית, דה ברויי הרחיב את הדואליות גל-חלקיק לכל החלקיקים (ולגבישים שחשפו את השפעות העקיפה) והרחיב את עקרון הדואליות לחוקי הטבע.

עבודתו האחרונה יצרה מערכת חוקים אחת משתי המערכות הגדולות של התרמודינמיקה והמכניקה:

> כאשר בולצמן (Boltzmann) וממשיכי דרכו פיתחו את הפרשנות הסטטיסטית שלהם לתרמודינמיקה, ניתן היה לראות בתרמודינמיקה ענף מסובך של דינמיקה. אבל, עם הרעיונות הנוכחיים שלי, זו הדינמיקה שנראית כענף פשוט של תרמודינמיקה. אני חושב שבין כל הרעיונות שהכנסתי לתורת הקוונטים בשנים האחרונות, הרעיון הזה הוא, ללא ספק, החשוב והעמוק ביותר.

נראה שהרעיון הזה תואם את הדואליות רציף-לא-רציף, שכן הדינמיקה שלו יכולה להיות הגבול של התרמודינמיקה שלו כאשר מניחים מעברים לגבולות רציפים. הוא קרוב גם לזה של גוטפריד וילהלם לייבניץ (Gottfried Wilhelm Leibniz), שהציב את הצורך ב"עקרונות ארכיטקטוניים" כדי להשלים את מערכת החוקים המכניים.

עם זאת, לדבריו, יש פחות דואליות, במובן של ניגודיות, מאשר סינתזה (אחד הוא הגבול של השני) והמאמץ של הסינתזה הוא קבוע לדבריו, כמו בנוסחה הראשונה שלו, שבה האיבר הראשון שייך למכניקה והשני לאופטיקה:

m

c

2

= h ν

{\displaystyle mc^{2}=h\nu }

### תורת הנייטרינו של האור

תורת הנייטרינו של האור, שתאריכה משנת 1934, מציגה את הרעיון שהפוטון שקול להיתוך של שני נייטרינו של דיראק (Dirac). בשנת 1938, המושג אותגר כלא סימטרי לסיבוב והעבודה על המושג הופסקה במידה רבה.

### תרמודינמיקה נסתרת

הרעיון האחרון של דה ברויי היה התרמודינמיקה הנסתרת של חלקיקים מבודדים. זהו ניסיון לאחד את שלושת העקרונות הרחוקים ביותר של הפיזיקה: עקרונות פרמה, מופרטוי וקרנו.

בעבודה זו, הפעולה הופכת לסוג של ניגוד לאנטרופיה, דרך משוואה הקושרת את שני הממדים האוניברסליים היחידים בצורה:

action

h

= −

entropy

k

{\displaystyle {{\text{action}} \over h}=-{{\text{entropy}} \over k}}

כתוצאה מהשפעתה הגדולה, תיאוריה זו מחזירה את עקרון אי-הוודאות למרחקים סביב קיצוני הפעולה, מרחקים התואמים להפחתות באנטרופיה.

הכרה

### פרסים

### חברות בארגונים

פרסומים

Recherches sur la théorie des quanta (מחקרים על תורת הקוונטים), תזה, פריז, 1924, Ann. de Physique (10) 3, 22 (1925).

- Introduction à la physique des rayons X et gamma (מבוא לפיזיקה של קרני רנטגן וגמא), עם מוריס דה ברויי, Gauthier-Villars, 1928.

- Ondes et mouvements (בצרפתית). פריז: Gauthier-Villars. 1926.

- Rapport au 5ème Conseil de Physique Solvay (דו"ח לוועידת הפיזיקה החמישית של סולווה), בריסל, 1927.

- Mecanique ondulatoire (בצרפתית). פריז: Gauthier-Villars. 1928.

- Recueil d'exposés sur les ondes et corpuscules (בצרפתית). פריז: Librairie scientifique Hermann et C.ie. 1930.

- Matière et lumière (חומר ואור), פריז: אלבן מישל, 1937.

- La Physique nouvelle et les quanta (פיזיקה חדשה וקוונטים), פלמריון, 1937.

- Continu et discontinu en physique moderne (רציף ולא רציף בפיזיקה מודרנית), פריז: אלבן מישל, 1941.

- Ondes, corpuscules, mécanique ondulatoire (גלים, חלקיקים, מכניקה גלית), פריז: אלבן מישל, 1945.

- Physique et microphysique (פיזיקה ומיקרופיזיקה), אלבן מישל, 1947.

- Vie et œuvre de Paul Langevin (חייו ועבודתו של פול לנז'בן), האקדמיה הצרפתית למדעים, 1947.

- Optique électronique et corpusculaire (אופטיקה אלקטרונית וחלקיקית), הרמן, 1950.

- Savants et découvertes (מדענים ותגליות), פריז, אלבן מישל, 1951.

- Une tentative d'interprétation causale et non linéaire de la mécanique ondulatoire: la théorie de la double solution. פריז: Gauthier-Villars, 1956. תרגום לאנגלית: Non-linear Wave Mechanics: A Causal Interpretation. אמסטרדם: Elsevier, 1960.

- Nouvelles perspectives en microphysique (נקודות מבט חדשות במיקרופיזיקה), אלבן מישל, 1956.

- Sur les sentiers de la science (בנתיבי המדע), פריז: אלבן מישל, 1960.

- Introduction à la nouvelle théorie des particules de M. Jean-Pierre Vigier et de ses collaborateurs, פריז: Gauthier-Villars, 1961. פריז: אלבן מישל, 1960. תרגום לאנגלית: Introduction to the Vigier Theory of elementary particles, אמסטרדם: Elsevier, 1963.

- Étude critique des bases de l'interprétation actuelle de la mécanique ondulatoire, פריז: Gauthier-Villars, 1963. תרגום לאנגלית: The Current Interpretation of Wave Mechanics: A Critical Study, אמסטרדם, Elsevier, 1964.

- Certitudes et incertitudes de la science (ודאויות ואי-ודאויות של המדע). פריז: אלבן מישל, 1966.

- עם לואי ארמן, פייר הנרי סימון ואחרים. אלברט איינשטיין. פריז: Hachette, 1966. תרגום לאנגלית: Einstein. Peebles Press, 1979.

- Recherches d'un demi-siècle (מחקר של חצי מאה), אלבן מישל, 1976.

- Les incertitudes d'Heisenberg et l'interprétation probabiliste de la mécanique ondulatoire (אי-הוודאות של הייזנברג והפרשנות ההסתברותית של מכניקת הגלים), Gauthier-Villars, 1982.