ルイ・ド・ブロイ

ルイ・ヴィクトル・ピエール・レイモンは、1892年8月15日にフランスのディエップで、イタリア系の貴族であるブロイ家に生まれた。ブロイ家は、数世紀にわたりフランスで重要な軍事および政治の地位を占めてきた一族である。彼の父、第5代ブロイ公爵ルイ＝アルフォンス＝ヴィクトルは、ナポレオン時代の将軍フィリップ・ポール・ド・セギュール伯爵とその妻で伝記作家のマリー・セレスティーヌ・アメリー・ダルマイユの孫娘であるポーリーヌ・ダルマイユと結婚した。彼らには5人の子供がおり、ルイの他に、アルベルティーナ（1872年 - 1946年、後にルッペ侯爵夫人）、モーリス（1875年 - 1960年、後に著名な実験物理学者）などがいる。ルイの誕生の2年前に亡くなったフィリップ（1881年 - 1890年）と、後に有名な作家となったパンジュ伯爵夫人ポーリーヌ（1888年 - 1972年）。^{[ 14 ]}ニューヨーク・タイムズによると、「曾祖父はアメリカ独立戦争でラファイエット侯爵の副官としてジョージ・ワシントンの側で戦った」とのこと。^{[ 3 ]}

ド・ブロイは、歴史の才能に恵まれた、容姿端麗で魅力的な子供だったと言われている。孤独を感じることもあったが、記憶力が良く、政治にも関心があった。^{[ 15 ]}彼は人文科学の道に進むつもりで、1910年に歴史学の学士号（licence ès lettres）を取得した。その後、科学に目を向け、1913年に理学士号（licence ès sciences ）を取得した。1914年に第一次世界大戦が勃発すると、彼は無線通信の開発において軍に協力した。

卒業後、ド・ブロイは兵役義務を果たすため工兵隊に入隊した。最初はモン・ヴァレリアン要塞で勤務したが、すぐに兄の勧めで無線通信部隊に配属され、無線送信機が設置されていたエッフェル塔で勤務した。^{[ 12 ]}ルイ・ド・ブロイは第一次世界大戦中ずっと軍務に就き、純粋に技術的な問題に取り組んだ。特に、レオン・ブリルアンや兄のモーリスと共に、潜水艦との無線通信の確立に携わった。ルイ・ド・ブロイは1919年8月に副官の階級で除隊した。後に、この科学者は、自分が興味を持っていた科学の根本的な問題から約6年間離れなければならなかったことを悔やんだ。^{[ 15 ] [ 16 ]}

1924年の論文「量子理論の研究」（Recherches sur la théorie des quanta） ^{[ 17 ]}で、彼は電子波の理論を発表しました。これには、マックス・プランクとアルベルト・アインシュタインの光に関する研究に基づいた、物質の波動・粒子二重性理論が含まれていました。この研究は、あらゆる運動する粒子や物体には関連する波があるというド・ブロイ仮説で最高潮に達しました。こうしてド・ブロイは、エネルギー（波）と物質（粒子）の物理学を統合する、波動力学（ mécanique ondulatoire ）という物理学の新しい分野を創り出しました。彼は「電子の波動性の発見」により、1929年にノーベル物理学賞を受賞しました。 ^{[ 18 ]}

晩年、ド・ブロイは量子力学を支配する完全に確率的なモデルに対抗して、波動力学の因果的説明を開発することに尽力した。この理論は1950年代にデヴィッド・ボームによって改良された。以来、この理論はド・ブロイ＝ボーム理論として知られるようになった。

ド・ブロイは、厳密な科学的研究に加えて、現代科学的発見の価値を含む科学哲学について考え、執筆した。1930年には、ヘルマン社から出版された書籍シリーズ「Actualités scientifiques et industrielles」を創刊した。^{[ 19 ]}

ド・ブロイは1933年にフランス科学アカデミーの会員となり、1942年からは同アカデミーの終身事務局長を務めた。彼はフランス・カトリック科学者連合の評議会への参加を求められたが、無宗教であったため辞退した。^{[ 20 ] [ 21 ]} 1941年には、ヴィシー・フランス の国民評議会の議員となった。^{[ 22 ]} 1944年10月12日、彼は数学者エミール・ピカールに代わってアカデミー・フランセーズに選出された。占領中のアカデミー会員の死亡や投獄、その他の戦争の影響により、アカデミーは彼の選出に必要な20名の定足数を満たすことができなかったが、例外的な状況のため、出席した17名の会員による満場一致の選出が承認された。アカデミーの歴史上類を見ない出来事として、彼は1934年に選出された兄のモーリスによって会員として迎えられた。ユネスコは1952年に科学知識の普及活動に対して彼に第1回カリンガ賞を授与し、彼は1953年4月23日に王立協会の外国人会員に選出された。^{[ 12 ]}

ルイは、兄で物理学者でもあった第6代ブロイ公モーリスが後継者なく死去したことにより、1960年に第7代ブロイ公爵となった。

1961年、ド・ブロイはレジオンドヌール勲章大十字騎士の称号を授与された。ド・ブロイは、産業界と科学界の連携強化に尽力した功績により、1945年にフランス原子力高等委員会の顧問に任命された。彼はアンリ・ポアンカレ研究所に応用力学センターを設立し、そこで光学、サイバネティクス、原子力の研究が行われた。彼は国際量子分子科学アカデミーの設立を促し、初期メンバーの一人であった。^{[ 23 ]}

ド・ブロイは生涯独身だった。1987年3月19日にルーヴシエンヌで94歳で死去した際^{[ 4 ]} 、遠い親戚のヴィクトル＝フランソワが第8代ド・ブロイ公爵として後を継いだ。葬儀は1987年3月23日にサン＝ピエール＝ド＝ヌイイ教会で行われた^{[ 24 ]} 。フランス国立科学研究センターの物理学部門長ジャン＝クロード・レーマンは、「ルイ・ド・ブロイの死は、現代物理学における最も輝かしい先駆者の一人の消失を意味する」と述べた^{[ 3 ]。}

ルイ・ド・ブロイの最初の研究（1920年代初頭）は、兄のモーリスの研究室で行われ、光電効果の特徴とX線の性質を扱った。これらの出版物では、X線の吸収を調べ、ボーア理論を用いてこの現象を記述し、光電子スペクトルの解釈に量子原理を適用し、X線スペクトルの体系的な分類を与えた。^{[ 15 ]} X線スペクトルの研究は、原子の内部電子殻の構造を解明する上で重要であった（光学スペクトルは外殻によって決定される）。このように、アレクサンドル・ドーヴィリエと共同で行った実験の結果は、原子内の電子の分布に関する既存のスキームの欠点を明らかにした。これらの困難はエドマンド・ストーナーによって解消された。^{[ 25 ]}もう一つの結果は、X線スペクトルの線の位置を決定するためのゾンマーフェルトの公式の不十分さの解明であった。この矛盾は電子スピンの発見後に解消された。1925年と1926年に、レニングラードの物理学者オレスト・フヴォルソンは、 X線分野での業績に対してド・ブロイ兄弟をノーベル賞に推薦した。^{[ 14 ]}

X線放射の性質を研究し、その性質について、X線を波と粒子の組み合わせの一種と考えていた兄のモーリスと議論したことが、ルイ・ド・ブロイが粒子表現と波動表現を結びつける理論を構築する必要性を認識するきっかけとなった。さらに、原子の流体力学モデルを提案し、それをボーア理論の結果と関連付けようとしたマルセル・ブリルアンの研究（1919～1922年）にも精通していた。ルイ・ド・ブロイの研究の出発点は、アインシュタインの光量子に関する考えであった。1922年に発表されたこの主題に関する最初の論文で、このフランス人科学者は黒体放射を光量子のガスとみなし、古典統計力学を用いて、そのような表現の枠組みの中でウィーンの放射法則を導出した。次の論文では、光量子の概念を干渉と回折の現象と調和させようと試み、量子に一定の周期性を関連付ける必要があるという結論に至った。この場合、光量子は彼によって非常に小さな質量の相対論的粒子として解釈された。^{[ 26 ]}

残された課題は、波動の考察をあらゆる質量を持つ粒子に拡張することであったが、1923年の夏に決定的な突破口が開かれた。ド・ブロイは、1923年9月10日にパリ科学アカデミーの会合で発表された短い論文「波と量子」（フランス語：Ondes et quanta ） ^{[ 27 ]}の中で、波動力学の創始となるアイデアを概説した。この論文とそれに続く博士論文^{[ 17 ]}の中で、ド・ブロイは、エネルギーEと速度vを持つ運動粒子は、周波数を持つ何らかの内部周期過程によって特徴づけられると提唱した。${\displaystyle E/h}$（後にコンプトン周波数として知られる）${\displaystyle h}$はプランク定数である。量子原理に基づくこれらの考察を特殊相対性理論の考え方と調和させるために、ド・ブロイは「位相波」と呼ばれる波を運動する物体と関連付け、位相速度で伝播させた。${\displaystyle c^{2}/v}$後に物質波またはド・ブロイ波と呼ばれるようになったこのような波は、物体の運動の過程で内部の周期的プロセスと位相が一致したままになります。科学者は、閉じた軌道上の電子の運動を調べた後、位相整合の要件が直接量子ボーア・ゾンマーフェルト条件、つまり角運動量の量子化につながることを示しました。次の 2 つのノート (それぞれ 9 月 24 日と 10 月 8 日の会議で報告) で、ド・ブロイは、粒子の速度は位相波の群速度に等しく、粒子は等しい位相の面の法線に沿って移動するという結論に達しました。一般的に、粒子の軌道は、フェルマーの原理(波の場合) または最小作用の原理(粒子の場合) を使用して決定することができ、これは幾何光学と古典力学の間のつながりを示しています。^{[ 28 ]}ド・ブロイ波長λは、プランク定数hを運動量pで割ったものです。 $${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}.}$$

この理論は波動力学の基礎を築いた。アルバート・アインシュタイン^{[ 29 ]}によって支持され、イギリスのジョージ・パジェット・トムソンとアメリカのクリントン・デイヴィソンとレスター・ジャーマーによる電子回折実験によって確認され、エルヴィン・シュレーディンガーの研究によって一般化された^{[ 30 ] 。}

当初、ド・ブロイは、実在の波（すなわち、直接的な物理的解釈を持つ波）は粒子に関連付けられていると考えていました。しかし、物質の波動性がシュレーディンガー方程式で定義される波動関数によって形式化されると、それは物理的要素の裏付けなしに、確率的解釈を持つ純粋な数学的実体として現れました。この波動関数は物質に波動性を与えますが、それは個々の量子サンプルを通してのみ観測されます。しかし、1956年にド・ブロイは、デイヴィッド・ボームの研究とジャン＝ピエール・ヴィジェの提案を受けて、物質波の直接的かつ物理的な解釈の理論を再び試みました。^{[ 8 ]}

1924年の論文で、ド・ブロイは、電子には内部時計があり、それがパイロット波が粒子を誘導するメカニズムの一部を構成すると推測した。^{[ 31 ]}その後、デイヴィッド・ヘステネスは、シュレーディンガーが提唱したツィッターベヴェーグングとの関連性を提案した。 ^{[ 32 ]}

内部時計仮説の検証や時計周波数の測定の試みは今のところ決定的ではないが、^{[ 33 ]}最近の実験データは少なくともド・ブロイの推測と矛盾しない。^{[ 34 ]}

ド・ブロイによれば、ニュートリノと光子は、非常に小さいながらもゼロではない静止質量を持つ。光子が完全に質量ゼロではないことは、彼の理論の整合性によって必然的に導かれる。ちなみに、光子が質量ゼロであるという仮説を否定したことで、彼は宇宙膨張の仮説に疑問を抱くようになった。

さらに彼は、粒子の真の質量は一定ではなく可変であり、各粒子は作用の循環積分に相当する熱力学的機械として表すことができると信じていた。

ド・ブロイは1924年の論文の第二部で、最小作用の力学的原理とフェルマーの光学原理の等価性を利用した。「位相波に適用されたフェルマーの原理は、運動する物体に適用されたモーペルテュイの原理と同一である。運動する物体の可能な動的軌跡は、波の可能な光線と同一である。」この後者の等価性は、1世紀前にウィリアム・ローワン・ハミルトンによって指摘され、1830年頃に光の場合について彼によって発表されていた。

マックス・ボルンが統計的手法で達成できると考えた「矛盾を解消する」と主張するどころか、ド・ブロイは波動粒子二重性をすべての粒子（そして回折効果を示す結晶）にまで拡張し、二重性の原理を自然法則にまで拡張した。

彼の最後の研究は、熱力学と力学という二つの大きな法則体系から一つの法則体系を構築した。

ボルツマンとその後継者たちが熱力学の統計的解釈を発展させた当時、熱力学は力学の複雑な分野だと考えられていたかもしれません。しかし、私の実際の考えでは、力学こそが熱力学の簡略化された分野のように見えます。私がここ数年で量子論に導入したすべてのアイデアの中で、この考えこそが群を抜いて最も重要で、最も深遠なものだと考えています。

その考え方は、連続性と不連続性の二元性に合致するように思われる。なぜなら、連続的な極限への移行が仮定される場合、そのダイナミクスは熱力学の極限となり得るからである。また、力学法則体系を完成させるために「建築原理」の必要性を提唱したゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツの考え方にも近い。

しかし、彼によれば、対立という意味での二元性は、統合（一方が他方の限界である）よりも少なく、統合の努力は、彼の最初の公式のように、常に一定である。その公式では、最初の要素は力学に関係し、2番目の要素は光学に関係する。

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

1934年に提唱された光のニュートリノ理論は、光子が2つのディラックニュートリノの融合に等しいという考え方を導入した。^{[ 35 ]} 1938年、この概念は回転不変ではないとして異議を唱えられ、この概念に関する研究はほぼ中止された。^{[ 36 ]}

ド・ブロイの最後のアイデアは、孤立粒子の隠れた熱力学であった。これは、物理学の最も遠い3つの原理、すなわちフェルマーの原理、モーペルテュイの原理、カルノーの原理を統合しようとする試みである。

この研究では、作用はエントロピーの対極のようなものとなり、次の形式の2つの普遍的な次元を関連付ける方程式によって表されます。

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

その大きな影響力の結果として、この理論は不確定性原理を作用の極値付近の距離、つまりエントロピーの減少に対応する距離に再び持ち込む。