Louis de Broglie

Biografi

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 Solvaykonferansen 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

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 Solvaykonferansen hvor de nyeste resulat innen kvanteteori ble diskutert.

Professor

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 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.
På nye møter i 1952 ble det bestemt at laboratoriet skulle drive med forskning innen kjernefysikk og skulle ligge i Genève. 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

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 = 2π ν vinkelfrekvensen til lyset og ħ = h/2π  er den reduserte Planck-konstanten. 
Men Einstein hadde på samme tid også vist at masse og energi er ekvivalente, utformet som masseenergiloven. Denne inspirerte de Broglie til å postulere at relasjonen  E = ħω  skulle gjelde for alle partikler. På den tiden var det hovedsakelig snakk om elektronet. Da en partikkel med masse m har energien  E₀ = mc²  i sitt eget hvilesystem, konkluderte de Broglie derfor med at det måtte foregå oscillasjoner cos ω₀t  med frekvens ω₀ = mc²/ħ. Partikkelen skulle derfor virke som en klokke som tikket med denne frekvensen. Ut fra denne tankegangen skulle til og med fotonet ha en masse som de Broglie anslo måtte være mindre enn  10⁻⁵⁰ g for ikke å være i konflikt med den kjente verdien for lyshastigheten.
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. Når sammenhengen E = ħω  fortsatt skal være gyldig, betyr det at vinkelfrekvensen små øke til ω = γω₀. Men samtidig sier Einsteins relativitetsteori at frekvensen til denne oscillatoren eller klokken skal avta til ω' = ω₀/γ på grunn av tidsdilatasjonen. Dette var et tilsynelatende paradoks som de Broglie strevde lenge med å finne ut av.

Pilotbølger

Opprinnelig hadde de Broglie forestilt seg at hver partikkel ble fulgt eller styrt av sin egen materiebølge Ψ(x,t)  i samme rommet som partikkelen befinner seg. Men etter at Schrödinger-ligningen for mange partikler var etablert, ble det klart at den beskriver en bølgefunksjonen Ψ(x₁, x₂, ..., xN, t ) i et fiktivt «konfigurasjonsrom» hvor alle partiklene befinner seg. I de følgende årene strevde derfor de Broglie med å tilpasse sine opprinnelige idéer til dette nye bildet. Resultatet ble publisert våren 1927 og fremlagt på Solvaykonferansen om høsten samme år. Schrödingers bølgefunksjon skulle i denne utvidete beskrivelsen styre partiklene som fremledes kunne tilskrives en bestemt posisjon og hastighet som i klassisk mekanikk. Bølgefunksjonen ble i denne teorien kalt en pilotbølge og representerer en annen interpretasjon av standard kvantemekanikk. Men dette alternativet ble møtt med liten forståelse, på tross av at han kunne rapportere at elektronets bølgeegenskaper var blitt eksperimentelt påvist samme år både i England av George Thomson og av Clinton Davisson i samarbeid med  Lester Germer i USA. Unntaket var Einstein som mente at den vanlige fremstillingen ikke gir en fullstendig beskrivelse av kvantemekaniske fenomen.
Først med arbeidene til den amerikanske fysiker David Bohm i 1952 begynte andre å ta opp igjen pilotbølgeteorien til de Broglie. Selv om denne fremstillingen fortsatt forble lite akseptert blant fysikere flest, har muligheten for en slik alternativ interpretasjon av kvantemekanikken økt de siste årene.