Luis de Broglie

Louis Victor Pierre Raymond, 7o. Duc de Broglie (también Francés:[d.b.] o [d] ()escucha); 15 de agosto de 1892 – 19 de marzo de 1987) fue un físico y aristócrata francés que hizo contribuciones innovadoras a la teoría cuántica. En su tesis doctoral de 1924, posulló la naturaleza de onda de electrones y sugirió que todo el asunto tiene propiedades de onda. Este concepto se conoce como la hipótesis de Broglie, un ejemplo de dualidad de partículas de onda, y forma parte central de la teoría de la mecánica cuántica.

De Broglie ganó el Premio Nobel de Física en 1929, después de que se demostrara experimentalmente por primera vez el comportamiento ondulatorio de la materia en 1927.

Erwin Schrödinger utilizó el modelo de onda piloto de 1925 y el comportamiento ondulatorio de las partículas descubierto por de Broglie en su formulación de la mecánica ondulatoria. Luego se abandonó el modelo de onda piloto y su interpretación, en favor del formalismo cuántico, hasta 1952, cuando fue redescubierto y mejorado por David Bohm.

Louis de Broglie fue el decimosexto miembro elegido para ocupar el asiento 1 de la Académie française en 1944 y se desempeñó como secretario perpetuo de la Academia de Ciencias de Francia. De Broglie se convirtió en el primer científico de alto nivel en solicitar el establecimiento de un laboratorio multinacional, una propuesta que condujo al establecimiento de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).

Biografía

Origen y educación

François-Marie, primer ancestro de Broglie (1671-1745) de Louis de Broglie y Mariscal de Francia bajo Luis XIV de Francia

Louis de Broglie pertenecía a la famosa familia aristocrática de Broglie, cuyos representantes ocuparon durante varios siglos importantes cargos militares y políticos en Francia. El padre del futuro físico, Louis-Alphonse-Victor, quinto duque de Broglie, estaba casado con Pauline d'Armaille, nieta del general napoleónico Philippe Paul, conde de Ségur y su esposa, la biógrafa, Marie Célestine Amélie d&# 39;Armaillé. Tuvieron cinco hijos; además de Louis, estos fueron: Albertina (1872-1946), posteriormente marquesa de Luppé; Maurice (1875-1960), posteriormente un famoso físico experimental; Philip (1881-1890), que murió dos años antes del nacimiento de Louis, y Pauline, condesa de Pange (1888-1972), posteriormente una escritora famosa. Louis nació en Dieppe, Seine-Maritime. Como el hijo menor de la familia, Louis creció en relativa soledad, leía mucho y le gustaba la historia, especialmente la política. Desde niño tuvo buena memoria y podía leer con precisión un extracto de una obra de teatro o dar una lista completa de los ministros de la Tercera República de Francia. A él se le auguró un gran futuro como estadista.

De Broglie tenía la intención de hacer una carrera en humanidades y recibió su primer título en historia. Posteriormente, centró su atención en las matemáticas y la física y se licenció en física. Con el estallido de la Primera Guerra Mundial en 1914, ofreció sus servicios al ejército en el desarrollo de las comunicaciones por radio.

Servicio militar

Después de graduarse, Louis de Broglie como un simple zapador se unió a las fuerzas de ingeniería para realizar el servicio obligatorio. Comenzó en Fort Mont Valérien, pero pronto, por iniciativa de su hermano, fue destinado al Servicio de Comunicaciones Inalámbricas y trabajó en la Torre Eiffel, donde estaba ubicado el transmisor de radio. Louis de Broglie permaneció en el servicio militar durante la Primera Guerra Mundial, ocupándose de cuestiones puramente técnicas. En particular, junto con Léon Brillouin y su hermano Maurice, participó en el establecimiento de comunicaciones inalámbricas con submarinos. El príncipe Luis fue desmovilizado en agosto de 1919 con el rango de ayudante. Posteriormente, el científico lamentó haber tenido que pasar unos seis años alejado de los problemas fundamentales de la ciencia que le interesaban.

Carrera científica y pedagógica

Su tesis de 1924 Recherches sur la théorie des quanta (Investigación sobre la teoría de los cuantos) introdujo su teoría de las ondas electrónicas. Esto incluía la teoría de la dualidad onda-partícula de la materia, basada en el trabajo de Max Planck y Albert Einstein sobre la luz. Esta investigación culminó con la hipótesis de De Broglie que afirma que cualquier partícula u objeto en movimiento tenía una onda asociada. De Broglie creó así un nuevo campo en la física, la mécanique ondulatoire o mecánica ondulatoria, uniendo la física de la energía (onda) y la materia (partícula). Por ello ganó el Premio Nobel de Física en 1929.

En su carrera posterior, de Broglie trabajó para desarrollar una explicación causal de la mecánica ondulatoria, en oposición a los modelos totalmente probabilísticos que dominan la teoría de la mecánica cuántica; fue refinado por David Bohm en la década de 1950. Desde entonces, la teoría se conoce como la teoría de De Broglie-Bohm.

Además del trabajo estrictamente científico, de Broglie pensó y escribió sobre la filosofía de la ciencia, incluido el valor de los descubrimientos científicos modernos. En 1930 fundó la serie de libros Actualités scientifiques et industrielles publicada por Éditions Hermann.

De Broglie se convirtió en miembro de la Académie des sciences en 1933 y fue secretario perpetuo de la academia desde 1942. Se le pidió que se uniera a Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais< /i>, pero se negó porque no era religioso. El 12 de octubre de 1944 fue elegido miembro de la Académie Française, en sustitución del matemático Émile Picard. Debido a las muertes y encarcelamientos de los miembros de la Académie durante la ocupación y otros efectos de la guerra, la Académie no pudo reunir el quórum de veinte miembros para su elección; sin embargo, dadas las circunstancias excepcionales, se aceptó su elección por unanimidad de los diecisiete miembros presentes. En un evento único en la historia de la Académie, fue recibido como miembro por su propio hermano Maurice, que había sido elegido en 1934. La UNESCO le otorgó el primer Premio Kalinga en 1952 por su labor de divulgación científica, y fue elegido miembro extranjero de la Royal Society el 23 de abril de 1953.

Louis se convirtió en el séptimo duque de Broglie en 1960 tras la muerte sin heredero de su hermano mayor, Maurice, sexto duque de Broglie, también físico.

En 1961, recibió el título de Caballero de la Gran Cruz en la Légion d'honneur. De Broglie obtuvo un puesto como consejero de la Alta Comisión de Energía Atómica de Francia en 1945 por sus esfuerzos para acercar la industria y la ciencia. Estableció un centro de mecánica aplicada en el Instituto Henri Poincaré, donde se llevaron a cabo investigaciones sobre óptica, cibernética y energía atómica. Inspiró la formación de la Academia Internacional de Ciencias Moleculares Cuánticas y fue uno de los primeros miembros.

Louis nunca se casó. Cuando murió el 19 de marzo de 1987 en Louveciennes a la edad de 94 años, fue sucedido como duque por un primo lejano, Victor-François, octavo duque de Broglie. Su funeral se celebró el 23 de marzo de 1987 en la Iglesia de Saint-Pierre-de-Neuilly.

Actividad científica

Física de rayos X y efecto fotoeléctrico

Los primeros trabajos de Louis de Broglie (principios de la década de 1920) se realizaron en el laboratorio de su hermano mayor Maurice y trataban sobre las características del efecto fotoeléctrico y las propiedades de los rayos X. Estas publicaciones examinaron la absorción de rayos X y describieron este fenómeno utilizando la teoría de Bohr, aplicaron principios cuánticos a la interpretación de espectros de fotoelectrones y dieron una clasificación sistemática de espectros de rayos X. Los estudios de los espectros de rayos X fueron importantes para dilucidar la estructura de las capas internas de electrones de los átomos (los espectros ópticos están determinados por las capas externas). Así, los resultados de los experimentos realizados junto con Alexandre Dauvillier, revelaron las deficiencias de los esquemas existentes para la distribución de electrones en los átomos; estas dificultades fueron eliminadas por Edmund Stoner. Otro resultado fue la aclaración de la insuficiencia de la fórmula de Sommerfeld para determinar la posición de las líneas en los espectros de rayos X; esta discrepancia se eliminó después del descubrimiento del espín del electrón. En 1925 y 1926, el físico de Leningrado Orest Khvolson nominó a los hermanos De Broglie al Premio Nobel por su trabajo en el campo de los rayos X.

Materia y dualidad onda-partícula

Estudiar la naturaleza de la radiación de rayos X y discutir sus propiedades con su hermano Maurice, quien consideraba que estos rayos eran una especie de combinación de ondas y partículas, contribuyó a que Louis de Broglie fuera consciente de la necesidad de construir una teoría que vincula las representaciones de partículas y ondas. Además, estaba familiarizado con los trabajos (1919-1922) de Marcel Brillouin, que proponía un modelo hidrodinámico de un átomo y trataba de relacionarlo con los resultados de la teoría de Bohr. El punto de partida en el trabajo de Louis de Broglie fue la idea de A. Einstein sobre los cuantos de luz. En su primer artículo sobre este tema, publicado en 1922, el científico francés consideró la radiación de cuerpo negro como un gas de cuantos de luz y, utilizando la mecánica estadística clásica, derivó la ley de radiación de Wien en el marco de tal representación. En su siguiente publicación, trató de conciliar el concepto de cuantos de luz con los fenómenos de interferencia y difracción y llegó a la conclusión de que era necesario asociar cierta periodicidad a los cuantos. En este caso, los cuantos de luz fueron interpretados por él como partículas relativistas de masa muy pequeña.

Quedaba para extender las consideraciones de onda a cualquier partícula masiva, y en el verano de 1923 se produjo un avance decisivo. De Broglie delineó sus ideas en una nota corta "Olas y quanta" (francés: Ondes et quanta, presentado en una reunión de la Academia de Ciencias de París el 10 de septiembre de 1923), que marcó el comienzo de la creación de la mecánica de ondas. En este documento, el científico sugirió que una partícula en movimiento con energía E y velocidad v se caracteriza por algún proceso interno periódico con frecuencia ${displaystyle E/h}$ (más tarde conocido como frecuencia Compton), donde ${displaystyle h}$ Es constante de Planck. Para conciliar estas consideraciones, basadas en el principio cuántico, con las ideas de relatividad especial, de Broglie se vio obligado a asociar una "ola ficticia" con un cuerpo en movimiento, que se propaga con la velocidad de fase ${displaystyle c^{2}/v}$. Tal ola, que posteriormente recibió la onda de la fase de nombre, o la onda de Broglie, en el proceso de movimiento corporal permanece en fase con el proceso interno periódico. Después de examinar el movimiento de un electrón en una órbita cerrada, el científico mostró que el requisito de la fase que coincida directamente conduce a la condición cuántica Bohr-Sommerfeld, es decir, para cuantificar el impulso angular. En las dos siguientes notas (reportadas en las reuniones del 24 de septiembre y 8 de octubre, respectivamente), de Broglie llegó a la conclusión de que la velocidad de partículas es igual a la velocidad de grupo de las ondas de fase, y la partícula se mueve a lo largo de lo normal a las superficies de fase igual. En el caso general, la trayectoria de una partícula se puede determinar utilizando el principio de Fermat (para ondas) o el principio de menor acción (para partículas), lo que indica una conexión entre óptica geométrica y mecánica clásica.

Esta teoría sentó las bases de la mecánica ondulatoria. Fue apoyado por Einstein, confirmado por los experimentos de difracción de electrones de GP Thomson y Davisson y Germer, y generalizado por el trabajo de Schrödinger.

Sin embargo, esta generalización era estadística y no fue aprobada por de Broglie, quien dijo "que la partícula debe ser el asiento de un movimiento periódico interno y que debe moverse en una onda para permanecer en fase con él fue ignorado por los físicos reales [que están] equivocados al considerar la propagación de una onda sin la localización de la partícula, lo cual era bastante contrario a mis ideas originales."

Desde un punto de vista filosófico, esta teoría de las ondas de materia ha contribuido en gran medida a la ruina del atomismo del pasado. Originalmente, de Broglie pensó que la onda real (es decir, que tiene una interpretación física directa) estaba asociada con partículas. De hecho, el aspecto ondulatorio de la materia fue formalizado por una función de onda definida por la ecuación de Schrödinger, que es una entidad matemática pura que tiene una interpretación probabilística, sin el apoyo de elementos físicos reales. Esta función de onda da una apariencia de comportamiento ondulatorio a la materia, sin que aparezcan ondas físicas reales. Sin embargo, hasta el final de su vida, De Broglie volvió a una interpretación física directa y real de las ondas de materia, siguiendo el trabajo de David Bohm. La teoría de De Broglie-Bohm es hoy la única interpretación que otorga un estatus real a las ondas de materia y representa las predicciones de la teoría cuántica.

Conjetura de un reloj interno del electrón

En su tesis de 1924, de Broglie conjeturó que el electrón tiene un reloj interno que constituye parte del mecanismo por el cual una onda piloto guía una partícula. Posteriormente, David Hestenes ha propuesto un enlace al zitterbewegung sugerido por Erwin Schrödinger.

Si bien los intentos de verificar la hipótesis del reloj interno y medir la frecuencia del reloj hasta ahora no son concluyentes, los datos experimentales recientes son al menos compatibles con la conjetura de De Broglie.

No nulidad y variabilidad de masa

Según de Broglie, el neutrino y el fotón tienen masas en reposo distintas de cero, aunque muy bajas. La coherencia de su teoría impone que un fotón no carezca por completo de masa. Dicho sea de paso, este rechazo de la hipótesis de un fotón sin masa le permitió dudar de la hipótesis de la expansión del universo.

Además, creía que la verdadera masa de las partículas no es constante, sino variable, y que cada partícula puede representarse como una máquina termodinámica equivalente a una integral cíclica de acción.

Generalización del principio de mínima acción

En la segunda parte de su tesis de 1924, de Broglie utilizó la equivalencia del principio mecánico de acción mínima con el principio óptico de Fermat: el principio de "Fermat aplicado a las ondas de fase es idéntico a Maupertuis' principio aplicado al móvil; las posibles trayectorias dinámicas del móvil son idénticas a los posibles rayos de la onda." Esta equivalencia había sido señalada por Hamilton un siglo antes y publicada por él alrededor de 1830, en una época en la que ninguna experiencia demostraba que los principios fundamentales de la física estuvieran involucrados en la descripción de los fenómenos atómicos.

Hasta su obra final, parecía ser el físico que más buscaba esa dimensión de la acción que Max Planck, a principios del siglo XX, había mostrado como la única unidad universal (con su dimensión de entropía).

Dualidad de las leyes de la naturaleza

Lejos de pretender hacer "desaparecer la contradicción" que Max Born pensó que podría lograrse con un enfoque estadístico, de Broglie extendió la dualidad onda-partícula a todas las partículas (y a los cristales que revelaron los efectos de la difracción) y extendió el principio de dualidad a las leyes de la naturaleza.

Su último trabajo hizo un solo sistema de leyes a partir de los dos grandes sistemas de la termodinámica y de la mecánica:

Cuando Boltzmann y sus continuadores desarrollaron su interpretación estadística de la termodinámica, uno podría haber considerado la termodinámica como una rama complicada de la dinámica. Pero, con mis ideas reales, es Dinámica que parece ser una rama simplificada de la termodinámica. Creo que, de todas las ideas que he introducido en la teoría cuántica en estos últimos años, es esa idea que es, por lejos, la más importante y la más profunda.

Esa idea parece coincidir con la dualidad continuo-discontinuo, ya que su dinámica podría ser el límite de su termodinámica cuando se postulan transiciones a límites continuos. También es cercano al de Leibniz, quien postuló la necesidad de "principios arquitectónicos" para completar el sistema de leyes mecánicas.

Sin embargo, según él, hay menos dualidad, en el sentido de oposición, que síntesis (una es el límite de la otra) y el esfuerzo de síntesis es constante según él, como en su primera fórmula, en la que el primer miembro pertenece a la mecánica y el segundo a la óptica:

${displaystyle mc^{2}=hnu }$

Teoría de los neutrinos de la luz

Esta teoría, que data de 1934, introduce la idea de que el fotón equivale a la fusión de dos neutrinos de Dirac. Actualmente no es aceptado por la mayoría de los físicos.

Termodinámica oculta

La idea final de De Broglie fue la termodinámica oculta de partículas aisladas. Es un intento de reunir los tres principios más lejanos de la física: los principios de Fermat, Maupertuis y Carnot.

En esta obra, la acción se convierte en una especie de opuesto a la entropía, a través de una ecuación que relaciona las dos únicas dimensiones universales de la forma:

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

Como consecuencia de su gran impacto, esta teoría trae de vuelta el principio de incertidumbre a las distancias alrededor de los extremos de acción, distancias correspondientes a reducciones en la entropía.

Honores y premios

• 1929 Premio Nobel de Física
• 1929 Henri Poincaré Medalla
• 1932 Premio Albert I de Mónaco
• 1938 Max Planck Medalla
• 1938 Fellow, Royal Swedish Academy of Sciences
• 1944 Fellow, Académie française
• 1952 Premio Kalinga
• 1953 Fellow, Royal Society

Publicaciones

Ondes et mouvements, 1926

• Recherches sur la théorie des quanta ()Investigaciones sobre la teoría cuántica), Tesis, París, 1924, Ann. de Physique (10) 3, 22 (1925).
• Introduction à la physique des rayons X et gamma ()Introducción a la física de los rayos X y los rayos gammaCon Maurice de Broglie, Gauthier-Villars, 1928.
• Ondes et mouvements (en francés). París: Gauthier-Villars. 1926.
• Rapport au 5ème Conseil de Physique Solvay ()Informe del 5o Congreso de Física SolvayBruselas, 1927.
• Mecanique ondulatoire (en francés). París: Gauthier-Villars. 1928.
• Recueil d'exposés sur les ondes et corpuscules (en francés). París: Librairie scientifique Hermann et C.ie. 1930.
• Matière et lumière ()Materia y LuzAlbin Michel, 1937.
• La Physique nouvelle et les quanta ()Nueva Física y QuantaFlammarion, 1937.
• Continu et discontinu en physique moderne ()Contínua y discontinua en Física ModernaAlbin Michel, 1941.
• Ondes, corpuscules, mécanique ondulatoire ()Waves, Corpuscles, Wave MechanicsAlbin Michel, 1945.
• Physique et microphysique ()Física y MicrofísicaAlbin Michel, 1947.
• Vie et œuvre de Paul Langevin ()La vida y las obras de Paul Langevin), Academia Francesa de Ciencias, 1947.
• Optique électronique et corpusculaire ()Óptica electrónica y corpuscularHerman, 1950.
• Savants et découvertes ()Científicos y descubrimientosParís, Albin Michel, 1951.
• Une tentative d'interprétation causale et non linéaire de la mécanique ondulatoire: la théorie de la double solution. París: Gauthier-Villars, 1956.
  • Traducción en inglés: Mecánica de onda no lineal: Una interpretación causal. Amsterdam: Elsevier, 1960.
• Nouvelles perspectives en microphysique ()Nuevas perspectivas en la microfísicaAlbin Michel, 1956.
• Sur les sentiers de la science ()En los caminos de la cienciaAlbin Michel, 1960.
• Introducción a la nouvelle théorie des particules de M. Jean-Pierre Vigier et de ses colaborurs, París: Gauthier-Villars, 1961. París: Albin Michel, 1960.
  • Traducción en inglés: Introducción a la Teoría Vigier de partículas elementales, Amsterdam: Elsevier, 1963.
• Étude critique des bases de l'interprétation actuelle de la mécanique ondulatoire, París: Gauthier-Villars, 1963.
  • Traducción en inglés: La interpretación actual de la Mecánica de Wave: un estudio crítico, Amsterdam, Elsevier, 1964.
• Certitudes et incertitudes de la science ()Certitudes e Incertitudes de la Ciencia). París: Albin Michel, 1966.
• con Louis Armand, Pierre Henri Simon y otros. Albert Einstein. París: Hachette, 1966.
  • Traducción en inglés: Einstein. Peebles Press, 1979.
• Recherches d'un demi-siècle ()Investigación de medio sigloAlbin Michel, 1976.
• Les incertitudes d'Heisenberg et l'interprétation probabiliste de la mécanique ondulatoire ()Heisenberg incertidumbre y mecánica de ondas probabilistic interpretationGauthier-Villars, 1982.