Dopo una lunga riflessione in solitudine e meditazione, ho improvvisamente avuto l'idea, durante l'anno 1923, che la scoperta fatta da Einstein nel 1905 dovrebbe essere generalizzata estendendola a tutte le particelle materiali e in particolare agli elettroni.
Louis Victor Pierre Raymond de Broglie, 7º duc de Broglie era un fisico e aristocratico francese che ha dato contributi rivoluzionari alla teoria quantistica. Nella sua tesi di dottorato del 1924, ha postulato la natura ondulatoria degli elettroni e ha suggerito che tutta la materia possiede proprietà ondulatorie. Questo concetto è noto come ipotesi di de Broglie, un esempio di dualità onda-particella, e costituisce una parte centrale della teoria della meccanica quantistica.
De Broglie ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1929, dopo che il comportamento ondulatorio della materia è stato dimostrato sperimentalmente per la prima volta nel 1927.
Il modello di onda pilota del 1925, e il comportamento ondulatorio delle particelle scoperto da de Broglie è stato utilizzato da Erwin Schrödinger nella sua formulazione della meccanica ondulatoria. Il modello e l'interpretazione dell'onda pilota sono stati poi abbandonati a favore del formalismo quantistico, fino al 1952 quando sono stati riscoperti e migliorati da David Bohm.
Louis de Broglie è stato il sedicesimo membro eletto per occupare il seggio 1 dell'Académie française nel 1944, e ha servito come Segretario Perpetuo dell'Accademia Francese delle Scienze. De Broglie è diventato il primo scienziato di alto livello a chiedere l'istituzione di un laboratorio multinazionale, una proposta che ha portato all'istituzione dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare CERN.
Biografia
Origine e istruzione
Louis de Broglie apparteneva alla famosa famiglia aristocratica di Broglie, i cui rappresentanti per diversi secoli hanno occupato importanti incarichi militari e politici in Francia. Il padre del futuro fisico, Louis-Alphonse-Victor, 5º duc de Broglie, era sposato con Pauline d'Armaille, la nipote del Generale napoleonico Philippe Paul, comte de Ségur. Hanno avuto cinque figli; oltre a Louis, questi sono: Albertina 1872–1946, successivamente la Marquise de Luppé; Maurice 1875–1960, successivamente un famoso fisico sperimentale; Philip 1881–1890, che è morto due anni prima della nascita di Louis, e Pauline, Comtesse de Pange 1888–1972, successivamente una famosa scrittrice. Louis è nato a Dieppe, Seine-Maritime. Come il figlio più giovane della famiglia, Louis è cresciuto in relativa solitudine, leggeva molto, era appassionato di storia, soprattutto politica. Fin dalla prima infanzia, aveva una buona memoria e poteva leggere con precisione un brano da una produzione teatrale o fornire un elenco completo dei ministri della Terza Repubblica di Francia. Per lui era stato previsto un grande futuro come uomo di stato.
De Broglie aveva intenzione di fare carriera nelle discipline umanistiche, e ha ricevuto il suo primo diploma in storia. Successivamente ha rivolto la sua attenzione alla matematica e alla fisica e ha ricevuto un diploma in fisica. Con lo scoppio della Prima Guerra Mondiale nel 1914, ha offerto i suoi servizi all'esercito nello sviluppo delle comunicazioni radio.
Servizio militare
Dopo la laurea, Louis de Broglie come semplice geniere si è unito alle forze di ingegneria per sottoporsi al servizio obbligatorio. Ha iniziato al Fort Mont Valérien, ma presto, su iniziativa di suo fratello, è stato distaccato al Servizio di Comunicazioni Wireless e ha lavorato sulla Torre Eiffel, dove si trovava il trasmettitore radio. Louis de Broglie è rimasto al servizio militare durante tutta la Prima Guerra Mondiale, occupandosi di questioni puramente tecniche. In particolare, insieme a Leon Brillouin e a suo fratello Maurice, ha partecipato all'istituzione delle comunicazioni wireless con i sottomarini. Il Principe Louis è stato congedato nell'agosto 1919 con il grado di adjudant. In seguito, lo scienziato ha rimpianto di aver dovuto trascorrere circa sei anni lontano dai fondamentali problemi della scienza che lo interessavano.
Carriera scientifica e pedagogica
La sua tesi del 1924 Recherches sur la théorie des quanta Ricerche sulla Teoria dei Quanta ha introdotto la sua teoria delle onde degli elettroni. Questo ha incluso la teoria della dualità onda-particella della materia, basata sul lavoro di Max Planck e Albert Einstein sulla luce. Questa ricerca è culminata nell'ipotesi di de Broglie affermando che qualsiasi particella o oggetto in movimento ha un'onda associata. De Broglie ha così creato un nuovo campo della fisica, la mécanique ondulatoire, o meccanica ondulatoria, unendo la fisica dell'onda energetica e della particella materiale. Per questo ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1929.
Nella sua carriera successiva, de Broglie ha lavorato per sviluppare una spiegazione causale della meccanica ondulatoria, in opposizione ai modelli interamente probabilistici che dominano la teoria meccanica quantistica; è stato perfezionato da David Bohm negli anni 1950. La teoria è stata da allora conosciuta come la teoria De Broglie–Bohm.
Oltre al lavoro strettamente scientifico, de Broglie ha pensato e scritto sulla filosofia della scienza, incluso il valore delle scoperte scientifiche moderne.
De Broglie è diventato membro dell'Académie des sciences nel 1933, e è stato segretario perpetuo dell'accademia dal 1942. Gli è stato chiesto di aderire a Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais, ma ha declinato perché non era religioso. Il 12 ottobre 1944, è stato eletto all'Académie Française, sostituendo il matematico Émile Picard. A causa dei decessi e degli imprigionamenti di membri dell'Académie durante l'occupazione e altri effetti della guerra, l'Académie non è stata in grado di raggiungere il quorum di venti membri per la sua elezione; a causa delle circostanze eccezionali, tuttavia, la sua elezione unanime dai diciassette membri presenti è stata accettata. In un evento unico nella storia dell'Académie, è stato ricevuto come membro da suo fratello Maurice, che era stato eletto nel 1934. L'UNESCO gli ha assegnato il primo Kalinga Prize nel 1952 per il suo lavoro nella divulgazione della conoscenza scientifica, ed è stato eletto Membro Straniero della Royal Society il 23 aprile 1953.
Louis è diventato il 7º duc de Broglie nel 1960 alla morte senza erede di suo fratello maggiore, Maurice, 6º duc de Broglie, anche un fisico.
Nel 1961, ha ricevuto il titolo di Cavaliere della Grande Croce della Légion d'honneur. De Broglie è stato nominato consigliere dell'Alta Commissione francese per l'Energia Atomica nel 1945 per i suoi sforzi nel portare l'industria e la scienza più vicine. Ha istituito un centro di meccanica applicata presso l'Istituto Henri Poincaré, dove sono stati condotti studi in ottica, cibernetica ed energia atomica. Ha ispirato la formazione dell'Accademia Internazionale di Scienza Quantistica Molecolare ed è stato un membro iniziale. Il suo funerale è stato celebrato il 23 marzo 1987 presso la Chiesa di Saint-Pierre-de-Neuilly.
Louis non si è mai sposato. Quando è morto a Louveciennes, è stato succeduto come duca da un cugino lontano, Victor-François, 8º duc de Broglie.
Attività scientifica
Fisica dei raggi X e dell'effetto fotoelettrico
I primi lavori di Louis de Broglie nei primi anni 1920 sono stati eseguiti nel laboratorio di suo fratello maggiore Maurice e hanno affrontato le caratteristiche dell'effetto fotoelettrico e le proprietà dei raggi X. Queste pubblicazioni hanno esaminato l'assorbimento dei raggi X e hanno descritto questo fenomeno utilizzando la teoria di Bohr, hanno applicato i principi quantistici all'interpretazione degli spettri fotoelettroni, e hanno fornito una classificazione sistematica degli spettri dei raggi X. Lo studio degli spettri dei raggi X era importante per chiarire la struttura dei gusci di elettroni interni degli atomi poiché gli spettri ottici sono determinati dai gusci esterni. Pertanto, i risultati degli esperimenti condotti insieme a Alexandre Dauvillier hanno rivelato le carenze degli schemi esistenti per la distribuzione degli elettroni negli atomi; queste difficoltà sono state eliminate da Edmund Stoner. Un altro risultato è stata la chiarificazione dell'insufficienza della formula di Sommerfeld per determinare la posizione delle linee negli spettri dei raggi X; questa discrepanza è stata eliminata dopo la scoperta dello spin dell'elettrone. Nel 1925 e 1926, il fisico di Leningrado Orest Khvolson ha nominato i fratelli de Broglie per il Premio Nobel per il loro lavoro nel campo dei raggi X.
Materia e dualità onda-particella
Studiando la natura della radiazione dei raggi X e discutendo le sue proprietà con suo fratello Maurice, che considerava questi raggi come una sorta di combinazione di onde e particelle, ha contribuito alla consapevolezza di Louis de Broglie della necessità di costruire una teoria che collegasse le rappresentazioni di particella e onda. Inoltre, era familiare con i lavori 1919–1922 di Marcel Brillouin, che proponevano un modello idrodinamico di un atomo e tentavano di metterlo in relazione con i risultati della teoria di Bohr. Il punto di partenza nel lavoro di Louis de Broglie era l'idea di A. Einstein sui quanti di luce. Nel suo primo articolo su questo argomento, pubblicato nel 1922, uno scienziato francese considerava la radiazione del corpo nero come un gas di quanti di luce e, usando la meccanica statistica classica, ha derivato la legge di radiazione di Wien nel quadro di tale rappresentazione. Nella sua prossima pubblicazione, ha cercato di riconciliare il concetto di quanti di luce con i fenomeni di interferenza e diffrazione ed è giunto alla conclusione che era necessario associare una certa periodicità ai quanti. In questo caso, i quanti di luce erano interpretati da lui come particelle relativistiche di massa molto piccola.
Restava estendere le considerazioni ondulatorie a qualsiasi particella massiccia, e nell'estate del 1923 si è verificato un decisivo avanzamento. De Broglie ha esposto le sue idee in una breve nota "Onde e quanti" francese: Ondes et quanta, presentata a una riunione dell'Accademia delle Scienze di Parigi il 10 settembre 1923, che ha segnato l'inizio della creazione della meccanica ondulatoria. In questo articolo, lo scienziato ha suggerito che una particella in movimento con energia E e velocità v è caratterizzata da un certo processo periodico interno con una frequenza E / h. Tale onda, che successivamente ha ricevuto il nome di fase, o onda di de Broglie, nel processo di movimento del corpo rimane in fase con il processo periodico interno. Avendo quindi esaminato il movimento di un elettrone in un'orbita chiusa, lo scienziato ha dimostrato che il requisito dell'abbinamento di fase conduce direttamente alla condizione quantistica di Bohr-Sommerfeld, cioè alla quantizzazione del momento angolare. Nelle prossime due note riportate alle riunioni del 24 settembre e dell'8 ottobre rispettivamente, de Broglie è giunto alla conclusione che la velocità della particella è uguale alla velocità di gruppo delle onde di fase, e la particella si muove lungo la normale alle superfici di fase uguale. Nel caso generale, la traiettoria di una particella può essere determinata utilizzando il principio di Fermat per le onde o il principio di minima azione per le particelle, il che indica una connessione tra l'ottica geometrica e la meccanica classica.
Questa teoria ha posto le basi della meccanica ondulatoria. È stata supportata da Einstein, confermata dagli esperimenti di diffrazione degli elettroni di G P Thomson e Davisson e Germer, e generalizzata dal lavoro di Schrödinger.
Tuttavia, questa generalizzazione era statistica e non era approvata da de Broglie, che ha detto "che la particella deve essere la sede di un movimento periodico interno e che deve muoversi in un'onda per rimanere in fase con essa è stato ignorato dai fisici attuali sbagliato nel considerare una propagazione d'onda senza localizzazione della particella, il che era abbastanza contrario alle mie idee originali."
Da un punto di vista filosofico, questa teoria delle onde di materia ha contribuito molto alla rovina dell'atomismo del passato. Originariamente, de Broglie pensava che un'onda reale, cioè con un'interpretazione fisica diretta, fosse associata alle particelle. In realtà, l'aspetto ondulatorio della materia è stato formalizzato da una funzione d'onda definita dall'equazione di Schrödinger, che è un'entità puramente matematica con un'interpretazione probabilistica, senza il supporto di elementi fisici reali. Questa funzione d'onda dà un'apparenza di comportamento ondulatorio alla materia, senza far apparire onde fisiche reali. Tuttavia, fino alla fine della sua vita de Broglie è tornato a un'interpretazione diretta e reale delle onde di materia, seguendo il lavoro di David Bohm. La teoria De Broglie–Bohm è oggi l'unica interpretazione che conferisce uno status reale alle onde di materia e rappresenta le previsioni della teoria quantistica.
Congettura di un orologio interno dell'elettrone
Nella sua tesi del 1924, de Broglie ha congetturato che l'elettrone ha un orologio interno che costituisce parte del meccanismo mediante il quale un'onda pilota guida una particella. Successivamente, David Hestenes ha proposto un collegamento al Zitterbewegung che è stato suggerito da Erwin Schrödinger.
Mentre i tentativi di verificare l'ipotesi dell'orologio interno e misurare la frequenza dell'orologio non sono finora conclusivi, i recenti dati sperimentali sono almeno compatibili con la congettura di de Broglie.
Non-nullità e variabilità della massa
Secondo de Broglie, il neutrino e il fotone hanno masse di riposo che sono non nulle, anche se molto basse. Che un fotone non sia completamente privo di massa è imposto dalla coerenza della sua teoria. Incidentalmente, questo rifiuto dell'ipotesi di un fotone privo di massa gli ha permesso di dubitare dell'ipotesi dell'espansione dell'universo.
Inoltre, credeva che la vera massa delle particelle non è costante, ma variabile, e che ogni particella può essere rappresentata come una macchina termodinamica equivalente a un integrale ciclico di azione.
Generalizzazione del principio di minima azione
Nella seconda parte della sua tesi del 1924, de Broglie ha utilizzato l'equivalenza del principio meccanico di minima azione con il principio ottico di Fermat: "Il principio di Fermat
