Луи-Виктор Пиер Раймон дьо Бройл (Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie)
15 август 1892 г. – 19 март 1987 г.
Нобелова награда за физика, 1929 г.
(За откриване на вълновата природа на електроните.)
Френският физик Луи-Виктор Пиер Раймон дьо Бройл е роден в Диеп. Той е най-малкото от трите деца на Виктор дьо Бройл и Полин дьо ла Форест д`Армайе. Като най-голям от мъжете в аристократичното семейство, баща му носи титлата дюк. В продължение на столетия фамилията дьо Бройл служи на нацията в областта на военното и дипломатическото поприще, но Луи и брат му Морис нарушават традицията, като стават учени.
Израснал в изтънчената и привилегирована среда на френската аристокрация, Бройл още преди постъпването си в лицея Жансон дьо Сайя в Париж се увлича по различни науки. Особен интерес проявява към историята, с изучаването на която Бройл се занимава във факултета по изкуства и литература към Парижкия университет, където през 1910 г. получава степента бакалавър. Не без влияние на по-големия си брат Морис той все повече се увлича от физика и по негови собствени думи от "философията, обобщенията и книгите на Пуанкаре", знаменит френски математик. След период на интензивни занятия през 1913 г. получава научна степен по физика във факултета по естествени науки на Парижкия университет.
През същата година Бройл е призован за военна служба и е зачислен във френския инженерен корпус. След началото през 1914 г. на Първата световна война той служи в радиотелеграфен дивизион и прекарва по-голямата част от военните години в станцията на безжичния телеграф към Айфеловата кула. Година след завършването на войната Бройл възобновява своите занимания по физика в частната научно-изследователска лаборатория на своя брат. Той изучава поведението на електроните, атомите и рентгеновите лъчи.
Времето е увлекателно за физиците, загадките се появяват буквално на всяка крачка. През ХІХ в. класическата физика постига толкова големи успехи, че някои учени започват да се съмняват дали са останали нерешени поне някакви принципни научни проблеми. И едва през най-последните години на столетието са направени такива поразителни открития като рентгеновото излъчване, радиоактивността и електрона. През 1900 г. Макс Планк предлага своята революционна квантова теория, за да обясни съотношението между температурата на телата и тяхното излъчване. Въпреки наложената от векове представа, че светлината се разпространява на непрекъснати вълни, Планк изказва предположение, че електромагнитното излъчване (само преди няколко десетилетия е доказано, че светлината е електромагнитно излъчване) се състои от неделими порции, чиято енергия е пропорционална на честотата на излъчване. Новата теория позволява на Планк да разреши проблема, над който работи, но се оказва прекалено непривична, за да стане общоприета. През 1905 г. Алберт Айнщайн доказва, че теорията на Планк не е математически трик. Използвайки квантовата теория, той предлага забележително обяснение на фотоелектрическия ефект (изпускане на електрони от повърхността на метал под въздействието на падащо върху нея излъчване). Известно било, че с увеличаване на интензивността на излъчването броят на изпусканите от повърхността електрони нараства, но тяхната скорост никога не превишава известен максимум. Според предложеното от Айнщайн обяснение всеки квант предава своята енергия на един електрон, избивайки го от повърхността на метала: колкото по-интензивно е излъчването, толкова повече са фотоните, които освобождават повече електрони; а енергията на всеки фотон се определя от неговата честота и поставя предел за скоростта на електрона. Заслугата на Айнщайн не е само в това, че разширява областта на приложение на квантовата теория, но и в потвърждаването на нейната правота. Светлината, която несъмнено притежава вълнови свойства, при редица явления се проявява като частица.
Ново потвърждение на квантовата теория последвало през 1913 г., когато Нилс Бор предлага атомен модел, който свързва концепцията на Ърнест Ръдърфорд за плътно централно ядро, около което се въртят електрони, с определени ограничения на електронните орбити. Тези ограничения позволяват на Бор да обясни линейните спектри на атомите, които могат да се наблюдават, ако светлината, излъчена от вещество, намиращо се във възбудено състояние при горене или електрически разряд, се пропусне през тясна цепнатина, а след това през спектроскоп - оптически прибор, разделящ пространствено компонентите на сигнала, съответстващи на различните честоти или диапазони на вълните (с различен цвят). В резултата от това се появяват редица линии (изображения на цепнатината), или спектър. Положението на всяка спектрална линия зависи от честотата на определената компонента. Спектърът се определя изцяло от излъчването на атомите или молекулите на светещото вещество. Бор обяснява появата на спектралните линии с "прескачане" на електроните в атомите от една "разрешена" орбита на друга, с по-ниска енергия. Разликата от енергиите между орбитите, която електронът губи при прехода, се излъчва във вид на квант, или фотон - излъчвания с честота, пропорционална на разликите между енергиите. Спектърът е нещо като кодиран запис на енергетичните състояния на електроните. По такъв начин моделът на Бор подкрепя и концепцията за двояката природа на светлината като електромагнитни вълни и поток от частици.
Въпреки големия брой експериментални потвърждения мисълта за двойствения характер на електромагнитното излъчване продължава да предизвиква съмнение у много физици. Освен това в новата теория се намерили уязвими места. Например моделът на Бор разполага "разрешените" електронни орбити в съответствие с наблюдаваните спектрални линии. Орбитите не следват от теорията, а се нагаждат, като се използват експерименталните данни.
Бройл пръв разбира, че ако вълните могат да се държат като частици, то и частиците могат да се държат като вълни. Той прилага теорията на Айнщайн и Бор за дуализма вълна-частица към материални обекти. Вълната и материята се смятали за съвършено различни. Материята има маса на покой. Тя може да е неподвижна или да се движи с някаква скорост. Светлината няма маса на покой: тя или се движи с определена скорост (която може да се променя в зависимост от средата), или не съществува. По аналогия на съотношението между дължината на светлинната вълна и енергията на фотона Бройл изказва хипотезата за съществуване на съотношение между дължината на вълната и импулса на частицата (масата, умножена по скоростта на частицата). Импулсът е непосредствено свързан с кинетичната енергия. По такъв начин бързият електрон съответства на вълна с по-висока честота (по-къса дължина на вълната) от бавния електрон. В какъв облик (вълна или частица) се проявява материалният обект зависи от условията на наблюдението.
С необичайна смелост Бройл прилага своята идея към модела на атома на Бор. Отрицателният електрон се привлича от положително зареденото ядро. За да обикаля около ядрото на определено разстояние, електронът трябва да се движи с определена скорост. Ако скоростта на електрона се промени, променя се и положението на орбитата. В такъв случай центробежната сила се уравновесява от центростремителната. Скоростта на електрона на определена орбита, намираща се на определено разстояние от ядрото, съответства на определен импулс (скоростта, умножена по масата на електрона) и следователно, според хипотезата на Бройл, определена дължина на вълната на електрона. Бройл твърди, че "разрешените" орбити се различават по това, че им съответства цяло число на дължина на вълната на електрона. Само на такива орбити вълните на електроните се намират във фаза (в определена точка на честотния цикъл) със самите себе си и не се разрушават от собствената си интерференция.
През 1924 г. Бройл представя работата си "Изследване на квантовата теория" ("Recherches sur la Théorie des Quanta") като докторска дисертация във факултета по естествени науки към Парижкия университет. Неговите опоненти и членовете на научния съвет са поразени, но настроени доста скептично. Те разглеждат идеите на Бройл като теоретически измислици, лишени от експериментална основа. Но по настояване на Айнщайн все пак му е присъдена докторска степен. През следващата година Бройл публикува изследването във вид на обширна статия, която е посрещната с почтително внимание. От 1926 година той е лектор по физика в Парижкия университет, а след две години е назначен за професор по теоретична физика в института "Анри Пуанкаре" към същия университет.
Изследването на Бройл впечатлява силно Айнщайн и той съветва много физици да го проучат внимателно. Ъруин Шрьодингер се вслушва в съвета на Айнщайн и поставя идеите на Бройл в основата на вълновата механика, обобщаваща квантовата теория. През 1927 г. вълновото поведение на материята получава експериментално потвърждение в изследванията на Клинтън. Дж. Дейвисън и Лестър Джермър, работещи с нискоенергетични електрони в Съединените щати, и Джордж П. Томсън, използващ електрони с голяма енергия в Англия. Откриването на свързаните с електроните вълни, които могат да се отклоняват в необходимата посока и да се фокусират, довежда през 1933 г. до създаването от Ернст Руска на електронния микроскоп. Вълните, свързани с материалните частици, сега е прието да се наричат вълни на дьо Бройл.
След получаването на Нобеловата награда Бройл продължава да изследва природата на електроните и фотоните. Заедно с Айнщайн и Шрьодингер той се опитва да намери в продължение на много години такава формулировка на квантовата механика, която да се подчинява на обикновените причинно-следствени закони. Но усилията на тези изтъкнати учени не се увенчават с успех, а експериментално е доказано, че подобни теории са неверни. В квантовата механика взема връх статистическата интерпретация, основаваща се на изследванията на Нилс Бор, Макс Борн и Вернер Хайзенберг. Тази концепция често се нарича копенхагенска интерпретация в чест на Бор, който я разработва в Копенхаген.
През 1933 г. Бройл е избран за член на Френската академия на науките, а през 1942 г. е неин постоянен секретар. През следващата година той основава Център за изследвания по приложна математика към института "Анри Пуанкаре", чиято чел е да заздрави връзките между физиката и приложната математика. През 1954 г., след края на Втората световна война, Бройл и брат му Морис са назначени за съветници към френската Висша комисия по атомна енергия.
Бройл не се е женил. Той обичал да се разхожда пеш, да чете, да размишлява и да играе на шах. След смъртта на брат си през 1960 г. наследява херцогската титла. Умира в парижка болница на 94 години.
Освен с Нобелова награда Бройл е награден с първия медал Анри Пуанкаре
на Френската академия на науките (1929 г.), с Гран при на
Алберт І Монакски (1932 г.), с първата награда Калинги на
ЮНЕСКО (1952 г.) и с Гран при на Дружеството на френските
инженери (1953 г.). Той има почетни степени на много университети и е
член на много научни организации, сред които Лондонското кралско
дружество, американската Национална академия на науките и Американската
академия на науката и изкуствата.
Превод от руски: Павел Б. Николов
