لويس دي برولي

وُلد لويس فيكتور بيير ريمون في 15 أغسطس 1892 في دييب ، فرنسا، لعائلة برولي الأرستقراطية ، وهي عائلة نبيلة من أصل إيطالي، شغل ممثلوها لعدة قرون مناصب عسكرية وسياسية هامة في فرنسا. كان والده، لويس ألفونس فيكتور، الدوق الخامس لبرولي ، متزوجًا من بولين دارماي، حفيدة الجنرال النابليوني فيليب بول، كونت سيغور ، وزوجته، كاتبة السيرة الذاتية ماري سيليستين أميلي دارماي . أنجبوا خمسة أطفال؛ بالإضافة إلى لويس، هم: ألبرتينا (1872-1946)، التي أصبحت فيما بعد ماركيزة دي لوبي؛ وموريس (1875-1960)، الذي أصبح فيما بعد فيزيائيًا تجريبيًا شهيرًا؛ فيليب (1881-1890)، الذي توفي قبل عامين من ولادة لويس، وبولين، كونتيسة دي بانج (1888-1972)، التي أصبحت فيما بعد كاتبة مشهورة. ^{[ 14 ]} ووفقًا لصحيفة نيويورك تايمز ، "قاتل أحد أجدادنا إلى جانب جورج واشنطن في حرب الاستقلال الأمريكية بصفته الملازم الأول للماركيز دي لافاييت ". ^{[ 3 ]}

قيل إن دي برولي كان طفلاً وسيماً وساحراً يتمتع بموهبة في التاريخ. ورغم شعوره بالوحدة أحياناً، إلا أنه كان يتمتع بذاكرة قوية واهتمام بالسياسة. ^{[ 15 ]} كان ينوي العمل في مجال العلوم الإنسانية ، وحصل على شهادته الجامعية الأولى ( ليسانس الآداب ) في التاريخ عام 1910. بعد ذلك، وجّه اهتمامه نحو العلوم، وحصل على شهادة ( ليسانس العلوم ) عام 1913. ومع اندلاع الحرب العالمية الأولى عام 1914، عرض خدماته على الجيش للمساهمة في تطوير الاتصالات اللاسلكية.

بعد تخرجه، انضم دي بروي إلى القوات الهندسية لأداء الخدمة الإلزامية. بدأ خدمته في حصن مونت فاليريان ، ولكن سرعان ما تم انتدابه، بمبادرة من شقيقه، إلى دائرة الاتصالات اللاسلكية، حيث عمل في برج إيفل ، حيث كان يقع جهاز الإرسال اللاسلكي. ^{[ 12 ]} بقي لويس دي بروي في الخدمة العسكرية طوال الحرب العالمية الأولى، متناولًا قضايا تقنية بحتة. وعلى وجه الخصوص، شارك مع ليون بريلوان وشقيقه موريس في إنشاء اتصالات لاسلكية مع الغواصات. سُرِّح لويس دي بروي من الخدمة في أغسطس 1919 برتبة مساعد . لاحقًا، أعرب العالم عن أسفه لاضطراره لقضاء نحو ست سنوات بعيدًا عن المشكلات العلمية الأساسية التي كانت تثير اهتمامه. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

قدّم دي برولي في أطروحته عام 1924 بعنوان "أبحاث حول نظرية الكم " ^{[ 17 ]} نظريته حول موجات الإلكترون . وشملت هذه النظرية نظرية ازدواجية الموجة والجسيم للمادة، استنادًا إلى أعمال ماكس بلانك وألبرت أينشتاين حول الضوء. وتُوّج هذا البحث بفرضية دي برولي التي تنص على أن أي جسيم أو جسم متحرك له موجة مصاحبة . وبذلك، أسس دي برولي مجالًا جديدًا في الفيزياء، هو الميكانيكا الموجية ، الذي يجمع بين فيزياء الطاقة (الموجة) والمادة (الجسيم). وقد فاز بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1929 "لاكتشافه الطبيعة الموجية للإلكترونات". ^{[ 18 ]}

في مسيرته المهنية اللاحقة، عمل دي برولي على تطوير تفسير سببي لميكانيكا الموجة، في مقابل النماذج الاحتمالية البحتة التي تهيمن على نظرية ميكانيكا الكم ؛ وقد قام ديفيد بوم بتنقيحها في الخمسينيات من القرن العشرين. ومنذ ذلك الحين، عُرفت النظرية باسم نظرية دي برولي-بوم .

إلى جانب عمله العلمي البحت، فكّر دي برولي وكتب عن فلسفة العلم ، بما في ذلك قيمة الاكتشافات العلمية الحديثة. وفي عام 1930 أسس سلسلة الكتب "Actualités scientifiques et industrielles" التي نشرتها دار نشر " Éditions Hermann" . ^{[ 19 ]}

انضم دي برولي إلى أكاديمية العلوم عام 1933، وشغل منصب سكرتيرها الدائم منذ عام 1942. عُرض عليه الانضمام إلى مجلس الاتحاد الكاثوليكي للعلوم الفرنسية ، لكنه رفض لكونه غير متدين. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وفي عام 1941، عُيّن عضوًا في المجلس الوطني لفرنسا الفيشية . ^{[ 22 ]} وفي 12 أكتوبر 1944، انتُخب عضوًا في الأكاديمية الفرنسية ، خلفًا لعالم الرياضيات إميل بيكار . ونظرًا لوفاة وسجن أعضاء الأكاديمية خلال الاحتلال وتداعيات الحرب الأخرى، لم تتمكن الأكاديمية من استكمال النصاب القانوني البالغ عشرين عضوًا لانتخابه؛ إلا أنه نظرًا للظروف الاستثنائية، قُبل انتخابه بالإجماع من قبل الأعضاء السبعة عشر الحاضرين. في حدث فريد من نوعه في تاريخ الأكاديمية، تم استقباله كعضو من قبل شقيقه موريس، الذي تم انتخابه في عام 1934. ومنحته اليونسكو جائزة كالينجا الأولى في عام 1952 لعمله في نشر المعرفة العلمية، وانتُخب عضواً أجنبياً في الجمعية الملكية في 23 أبريل 1953. ^{[ 12 ]}

أصبح لويس الدوق السابع لبروغلي في عام 1960 بعد وفاة شقيقه الأكبر موريس، الدوق السادس لبروغلي ، الذي كان أيضًا فيزيائيًا، دون وريث.

في عام 1961، مُنح دي بروي لقب فارس الصليب الأكبر في وسام جوقة الشرف . وقد عُيّن دي بروي مستشارًا للمفوضية الفرنسية العليا للطاقة الذرية عام 1945 تقديرًا لجهوده في التقريب بين الصناعة والعلوم. أسس مركزًا للميكانيكا التطبيقية في معهد هنري بوانكاريه ، حيث أُجريت أبحاث في مجالات البصريات، وعلم التحكم الآلي، والطاقة الذرية. وكان له دورٌ في تأسيس الأكاديمية الدولية لعلوم الكم الجزيئية، وكان من أوائل أعضائها. ^{[ 23 ]}

لم يتزوج دي بروي قط. وعندما توفي في 19 مارس 1987 في لوفيسين عن عمر يناهز 94 عامًا، ^{[ 4 ]} خلفه في منصب الدوق ابن عمه البعيد، فيكتور فرانسوا، الدوق الثامن لدي بروي . أقيمت جنازته في 23 مارس 1987 في كنيسة سان بيير دو نويي. ^{[ 24 ]} قال جان كلود ليمان، مدير قسم الفيزياء في المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي: "يمثل رحيل لويس دي بروي فقدان أحد أبرز رواد الفيزياء المعاصرة". ^{[ 3 ]}

أُجريت الأعمال الأولى للويس دي بروي (أوائل عشرينيات القرن العشرين) في مختبر شقيقه الأكبر موريس، وتناولت خصائص التأثير الكهروضوئي وخواص الأشعة السينية . درست هذه المنشورات امتصاص الأشعة السينية ووصفت هذه الظاهرة باستخدام نظرية بور ، وطبقت مبادئ الكم على تفسير أطياف الإلكترونات الضوئية ، وقدمت تصنيفًا منهجيًا لأطياف الأشعة السينية. ^{[ 15 ]} كانت دراسات أطياف الأشعة السينية مهمة لتوضيح بنية أغلفة الإلكترونات الداخلية للذرات (تُحدد الأطياف الضوئية بواسطة الأغلفة الخارجية). وهكذا، كشفت نتائج التجارب التي أُجريت بالتعاون مع ألكسندر دوفيليه عن أوجه القصور في المخططات الموجودة لتوزيع الإلكترونات في الذرات؛ وقد تغلب إدموند ستونر على هذه الصعوبات . ^{[ 25 ]} ومن النتائج الأخرى توضيح عدم كفاية صيغة سومرفيلد لتحديد موضع الخطوط في أطياف الأشعة السينية. تم القضاء على هذا التناقض بعد اكتشاف دوران الإلكترون. في عامي 1925 و1926، رشّح الفيزيائي أوريست خفولسون من لينينغراد الأخوين دي برولي لجائزة نوبل لعملهما في مجال الأشعة السينية. ^{[ 14 ]}

ساهمت دراسة طبيعة إشعاع الأشعة السينية ومناقشة خصائصه مع شقيقه موريس، الذي اعتبر هذه الأشعة مزيجًا من الموجات والجسيمات، في إدراك لويس دي بروي لضرورة بناء نظرية تربط بين تمثيلات الجسيمات والموجات. إضافةً إلى ذلك، كان على دراية بأعمال مارسيل بريلوين (1919-1922) ، الذي اقترح نموذجًا هيدروديناميكيًا للذرة وحاول ربطه بنتائج نظرية بور. كانت نقطة انطلاق عمل لويس دي بروي فكرة أينشتاين عن كمات الضوء . في مقالته الأولى حول هذا الموضوع، المنشورة عام 1922، اعتبر العالم الفرنسي إشعاع الجسم الأسود غازًا من كمات الضوء، وباستخدام الميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية، استنتج قانون فين للإشعاع في إطار هذا التمثيل. في منشوره التالي، حاول التوفيق بين مفهوم كمات الضوء وظاهرتي التداخل والحيود، وخلص إلى ضرورة ربط دورية معينة بالكمات. في هذه الحالة، فسر الكم الضوئي على أنه جسيمات نسبية ذات كتلة صغيرة جدًا. ^{[ 26 ]}

بقي توسيع نطاق اعتبارات الموجات ليشمل أي جسيمات ضخمة، وفي صيف عام 1923، حدث اختراق حاسم. لخص دي بروي أفكاره في مذكرة قصيرة بعنوان "الموجات والكميات" ( بالفرنسية : Ondes et quanta ، عُرضت في اجتماع أكاديمية العلوم في باريس في 10 سبتمبر 1923)، ^{[ 27 ]} والتي مثلت بداية نشأة ميكانيكا الموجات. في هذه الورقة البحثية وأطروحته اللاحقة للدكتوراه، ^{[ 17 ]} اقترح العالم أن الجسيم المتحرك ذو الطاقة E والسرعة v يتميز بعملية دورية داخلية بتردد معين.${\displaystyle E/h}$(المعروفة لاحقًا باسم تردد كومبتون )، حيث${\displaystyle h}$هو ثابت بلانك . وللتوفيق بين هذه الاعتبارات، القائمة على مبدأ الكم، وأفكار النسبية الخاصة، ربط دي برولي موجة أطلق عليها اسم "موجة الطور" بجسم متحرك، تنتشر بسرعة الطور.${\displaystyle c^{2}/v}$تبقى هذه الموجة، التي سُميت لاحقًا بموجة المادة أو موجة دي برولي ، متوافقة في الطور مع العملية الدورية الداخلية أثناء حركة الجسم. وبعد دراسة حركة الإلكترون في مدار مغلق، بيّن العالم أن شرط توافق الطور يؤدي مباشرةً إلى شرط بور-سومرفيلد الكمومي ، أي تكميم الزخم الزاوي. وفي المذكرتين التاليتين (اللتين عُرضتا في اجتماعي 24 سبتمبر و8 أكتوبر على التوالي)، خلص دي برولي إلى أن سرعة الجسيم تساوي سرعة المجموعة لموجات الطور، وأن الجسيم يتحرك على طول العمودي على أسطح ذات طور متساوٍ. في الحالة العامة، يمكن تحديد مسار الجسيم باستخدام مبدأ فيرما (للموجات) أو مبدأ الفعل الأدنى (للجسيمات)، مما يشير إلى وجود صلة بين البصريات الهندسية والميكانيكا الكلاسيكية. ^{[ 28 ]} طول موجة دي برولي λ هو ثابت بلانك h مقسومًا على الزخم p . $${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}.}$$

أرست هذه النظرية أساس ميكانيكا الموجة. وقد دعمها ألبرت أينشتاين، ^{[ 29 ]} وأكدتها تجارب حيود الإلكترون التي أجراها جورج باجيت طومسون في المملكة المتحدة وكلينتون دافيسون وليستر جيرمر في الولايات المتحدة، وعممت من خلال عمل إرفين شرودنغر. ^{[ 30 ]}

في البداية، اعتقد دي بروي أن الموجة الحقيقية (أي التي لها تفسير فيزيائي مباشر) مرتبطة بالجسيمات. إلا أنه عندما تمّت صياغة الجانب الموجي للمادة بواسطة دالة موجية مُعرّفة بمعادلة شرودنغر ، ظهرت ككيان رياضي بحت ذي تفسير احتمالي ، دون دعم من العناصر الفيزيائية. تُضفي هذه الدالة الموجية سلوكًا موجيًا على المادة، لكن لا يُرصد إلا من خلال عينات كمومية فردية. مع ذلك، في عام 1956، حاول دي بروي مجددًا وضع نظرية لتفسير فيزيائي مباشر لموجات المادة، مُستندًا إلى أعمال ديفيد بوم واقتراحات جان بيير فيجيه . ^{[ 8 ]}

في أطروحته عام 1924، افترض دي برولي أن للإلكترون ساعة داخلية تُشكل جزءًا من الآلية التي توجه بها موجة إرشادية الجسيم. ^{[ 31 ]} لاحقًا، اقترح ديفيد هيستينز صلةً بحركة التذبذب التي اقترحها شرودنغر. ^{[ 32 ]}

على الرغم من أن محاولات التحقق من فرضية الساعة الداخلية وقياس تردد الساعة لم تكن حاسمة حتى الآن، ^{[ 33 ]} فإن البيانات التجريبية الحديثة تتوافق على الأقل مع فرضية دي برولي. ^{[ 34 ]}

بحسب دي برولي، فإن للنيوترينو والفوتون كتلة سكون غير صفرية، وإن كانت منخفضة للغاية. ويُعدّ عدم انعدام كتلة الفوتون فرضيةً ضمنيةً في نظريته. وبالمناسبة، فإن رفضه لفرضية انعدام كتلة الفوتون مكّنه من التشكيك في فرضية تمدد الكون.

بالإضافة إلى ذلك، كان يعتقد أن الكتلة الحقيقية للجسيمات ليست ثابتة، بل متغيرة، وأن كل جسيم يمكن تمثيله كآلة ديناميكية حرارية تعادل تكاملًا دوريًا للفعل.

في الجزء الثاني من أطروحته لعام 1924، استخدم دي برولي تكافؤ مبدأ الفعل الأدنى الميكانيكي مع مبدأ فيرما البصري : "إن تطبيق مبدأ فيرما على الموجات الطورية يطابق تطبيق مبدأ موبيرتوي على الجسم المتحرك؛ فالمسارات الديناميكية الممكنة للجسم المتحرك تطابق الأشعة الممكنة للموجة". وقد أشار ويليام روان هاميلتون إلى هذا التكافؤ الأخير قبل قرن من الزمان، ونشره حوالي عام 1830، في حالة الضوء.

بعيدًا عن الادعاء بجعل "التناقض يختفي" الذي اعتقد ماكس بورن أنه يمكن تحقيقه من خلال نهج إحصائي، قام دي برولي بتوسيع ازدواجية الموجة والجسيم لتشمل جميع الجسيمات (والبلورات التي كشفت عن آثار الانعراج) ووسع مبدأ الازدواجية ليشمل قوانين الطبيعة.

لقد جمع في آخر أعماله نظاماً واحداً من القوانين من النظامين الكبيرين للديناميكا الحرارية والميكانيكا:

عندما طوّر بولتزمان ومن تبعه تفسيرهم الإحصائي للديناميكا الحرارية، كان من الممكن اعتبار الديناميكا الحرارية فرعًا معقدًا من الديناميكا. لكن، وفقًا لأفكاري الحالية، تبدو الديناميكا فرعًا مبسطًا من الديناميكا الحرارية. أعتقد أن هذه الفكرة، من بين جميع الأفكار التي طرحتها في نظرية الكم خلال السنوات الماضية، هي الأهم والأكثر عمقًا على الإطلاق.

يبدو أن هذه الفكرة تتوافق مع ثنائية الاستمرارية والانقطاع، إذ قد تكون ديناميكيتها هي حدّ الديناميكا الحرارية عند افتراض الانتقال إلى حدود مستمرة. وهي قريبة أيضاً من فكرة غوتفريد فيلهلم لايبنتز ، الذي افترض ضرورة وجود "مبادئ معمارية" لاستكمال منظومة القوانين الميكانيكية.

ومع ذلك، ووفقًا له، هناك ازدواجية أقل، بمعنى التضاد، من التركيب (أحدهما هو نهاية الآخر) وجهد التركيب ثابت وفقًا له، كما هو الحال في صيغته الأولى، حيث يتعلق العنصر الأول بالميكانيكا والثاني بالبصريات:

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

تُقدّم نظرية النيوترينو للضوء ، التي يعود تاريخها إلى عام 1934، فكرة أن الفوتون يُعادل اندماج نيوترينوين من نوع ديراك . ^{[ 35 ]} في عام 1938، طُعن في هذا المفهوم لعدم ثباته الدوراني، وتوقف العمل عليه إلى حد كبير. ^{[ 36 ]}

كانت فكرة دي برولي الأخيرة هي الديناميكا الحرارية الخفية للجسيمات المعزولة. وهي محاولة للجمع بين أبعد ثلاثة مبادئ في الفيزياء: مبادئ فيرما، وموبيرتوي، وكارنو .

في هذا العمل، يصبح الفعل بمثابة نقيض للإنتروبيا ، من خلال معادلة تربط بين البعدين العالميين الوحيدين بالشكل التالي:

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

ونتيجة لتأثيرها الكبير، تعيد هذه النظرية مبدأ عدم اليقين إلى المسافات حول أقصى حدود الفعل، وهي المسافات التي تتوافق مع انخفاضات في الإنتروبيا .