未解之谜网

当前位置: 未解之谜网 > 技术创新 > 电子波与诺贝尔

电子波与诺贝尔

你一定学过什么是驻波，请想想，若要让一条琴弦形成驻波，必须符合什么条件？如果一时答不出来，请别放弃，先看看下图，然后再想一想。

最简单的几个直线驻波，弦长分别是半个波长的1~6倍

正确答案是驻波的波长要和弦长巧妙配合，更精确的说法是：弦长必须等于半个波长的整数倍。这就意味着驻波是一种可以用整数来编号的离散结构──是不是隐隐透出量子物理的味道？

然而信不信由你，想当年，量子物理发展了近四分之一世纪，居然还没有人想到这个关联。因此可想而知，后来一旦有人有类似的“顿悟”，当然很快抱回了诺贝尔物理奖。

不过，在理所当然之下，其实隐藏着许多偶然，还是让我们从头说起吧。

●兄弟的故事

法国有个历史悠久的贵族世家，从十七世纪起便人才辈出。传到十九世纪末，那一代共有兄弟两人，哥儿俩相差十七岁。1910年弟弟（第一次）大学毕业时，哥哥已经是相当知名的实验物理学家。

次年年底，哥哥参加了一场众星云集的学术盛会，带回一叠会议记录的手稿，没想到因此改变了弟弟的后半生。许多年后回忆起这件事，弟弟依然记忆犹新：“那些问题激起我无比的热情，普朗克十年前提出的量子仍像一团谜，我决心尽一切努力试着了解它的本质。”

无奈好事多磨，十二年后弟弟才完成博士论文，由于内容太过离经叛道，指导教授颇为犹豫该不该放行。幸好这时出现一位贵人，以自己的学术声誉替弟弟背书，不但赞誉弟弟“将神秘面纱揭开了一角”，还在自己正在进行的研究中引用了弟弟的理论。

德布罗意兄弟

这位贵人正是爱因斯坦！

弟弟因此声名大噪，顺利取得博士学位，而且不出几年便赢得科学界的最高荣誉。诺贝尔委员会的官方说法是：1929年诺贝尔物理奖授予路易‧德布罗意（Louis de Broglie， 1892-1987），以表彰他发现电子的波动性。

“电子的波动性”正是将量子面纱揭开一角的关键概念，至少爱因斯坦深信不移。举例而言，波耳模型只允许电子待在离散的轨道上，可是这个假设原本毫无理论根据。德布罗意利用电子的波动性，三言两语就把背后的机制说得清清楚楚。

道理很简单，一旦将电子视为波动，就能用“环形驻波”解释氢原子的能阶。虽然环形驻波要比直线驻波稍微复杂一点，但基本原理几乎相同，也是一种可以用整数来编号的离散结构，刚好对应于波耳（有如沙上城堡）的量子化轨道。（事实上，德布罗意使用的是自我循环的行进波，但原理仍几乎相同。）

不过，倘若无法证实电子波的真实性，一切只是空中楼阁罢了。德布罗意既然顺利获奖，当然代表在此之前电子波已有不容置疑的实验证据。

●父子的故事

物理学家很早就知道“干涉”与“绕射”都是波的专利，一群粒子不论怎么撞来撞去，都不可能撞出这两种现象。

如果你进行光学实验，观测到了干涉或绕射，就代表你见到的是“光的波动面”，而不是它的“微粒面”。同理，如果在某些情况下，你观测到电子的干涉或绕射，说明了这时电子将“微粒面”隐藏起来，仅对你表现出它的“波动面”。

例如用电子束轰击透明胶片，由于胶片上有许多微观的隙缝，一部分电子束会从中穿过，射到后方的屏幕上。假如电子束显出波动性，屏幕上的图样会类似于“光波通过二维光栅”所形成的绕射图样。反之，倘若观察到另一种图样，就代表电子束仍是我们熟悉的一大群微粒。

事实证明这个实验会产生标准的绕射图样，而且屡试不爽，由此可证电子波绝非想象中的产物。

最早完成这个实验的人是英国物理学家汤姆森（George Paget Thomson， 1892-1975），时间是1927年。

汤姆森父子

小汤姆森的实验好似一记安打，不但帮助德布罗意得分，他自己也安全上垒，并在十年后顺利跑回本垒。这是汤姆森家抱回的第二个诺贝尔奖，早在1906年，老汤姆森就因为研究阴极射线成为物理奖得主。

虽说“诺贝尔父子档”不算十分罕见，然而至今为止，最为人津津乐道的仍是汤姆森这对父子。原因很简单也很有趣，他们爷俩本身就是“互补原理”的活教材。老汤姆森获奖是因为发现“阴极射线是电子束，而电子束的本质是微粒”，小汤姆森摘下桂冠的原因则是证明“电子束等于电子波”。

●师徒的故事

半个世纪后，又有一位学者因为电子波而荣获诺贝尔奖，当时他已经八十高龄，获奖后一年多便（含笑）离世。他就是电子显微镜的发明人，德籍科学家鲁斯卡（Ernst Ruska， 1906-1988）。

鲁斯卡的故事最好从电子显微镜（electron microscope）这个名字说起。或许有人以为电子显微镜就是“电子式的显微镜”，正如电子表是“电子式的手表”，其实这种解读是标准的错误。

正确解读是什么呢？请记住一个口诀即可：光学显微镜利用光波照亮样本，电子显微镜以电子波取而代之。

正是因为两者的“照明”不同，细菌可以用光学显微镜来观察，病毒就必须动用电子显微镜。更精确的说法则是，电子波的波长通常比光波小很多，而“照明源”的波长越小，显微镜的分辨率就越高。

鲁斯卡1933年电子显微镜的复刻版

如果你好奇分辨率为何和波长成反比，最简便的办法是在脑海中做个实验，想想是不是波长越短的水波越容易“感受”水面的障碍物。如果想不出来，不妨先搁下这个问题，找个机会亲自动手试试看。

我们还是继续讲故事吧。话说鲁斯卡于1931年初大学毕业，由于德国当时经济不景气，他只好继续攻读电机博士，研究如何利用电子束提升显微镜的分辨率。一开始的时候，他和指导教授将电子视为微粒，认为既然改用微粒来照明，当然避开了波长对分辨率的限制。换句话说，他们乐观地认为分辨率可以无限提高。

由此可知，这对电机师徒当时还不知道有德布罗意这号人物。不久之后，当两人终于获悉电子波的理论，起初鲁斯卡非常气馁，这代表电子显微镜的分辨率也有上限。但他很快发现仍然大有可为，因为两者的上限相差五个数量级，也就是十万倍！

于是鲁斯卡继续努力，总算在1933年（独力）做出第一台分辨率超越光学显微镜的电子显微镜，这时指导教授已经跳槽到“德律风根”研发电视机去了。不过后来在科学史上，那位教授的名字（Max Knoll）并未和电视机连在一起，反倒是沾了徒弟的光，成为电子显微镜的共同发明人。

●另一对师徒的故事

前面提到，小汤姆森在1927年以绕射实验证明电子波的真实性，十年后荣获诺贝尔奖。其实当年共同获奖的还有美国物理学家戴维森（Clinton Davisson， 1881-1958），因为两人几乎同时做出相同的贡献，只是实验方法各有千秋。

严格说来，戴维森早在1924年就和学生革末（Lester Germer， 1896-1971）开始进行相关实验，不过他们原本是要利用电子束研究金属原子的结构，和证明电子波完全扯不上关系。

两年后的夏天，戴维森去英国度假，顺便参加了一个学术会议，这才惊觉自己的实验能当作电子波的证据。回到美国后，他赶紧朝这个方向努力，总算和小汤姆森打了一个平手。

相较之下，他的学生可就没有那么幸运。革末的贡献足以让他分享当年的诺贝尔奖，却由于不明原因而失之交臂。或许正因为如此，他开始寄情于山水，成为一位成功的业余攀岩家，直到生命的最后一刻。

“戴维森─革末实验”示意图，侦测器在电子束的同一侧，这是和小汤姆森实验的最大不同