Louis de Broglie

Als golven zich als deeltjes kunnen gedragen, waarom deeltjes dan niet als golven?

Louis de Broglie 1892-1987

Louis prins de Broglie had waarschijnlijk een van de meest ongebruikelijke familiegeschiedenissen in de quantumfysica. Zijn titel van prins had hij te danken aan de diensten die zijn voorvaderen hadden verleend aan de Oostenrijkers tijdens een eerdere oorlog. Maar De Broglie was vooral een Fransman met een aristocratische achtergrond, zodat hij later de titel hertog erfde toen hij hoofd van de familie werd na de dood van zijn vader.

Van geschiedenis tot wetenschap

Zijn studie geschiedenis werd gevolgd door zijn diensttijd in de Eerste Wereldoorlog, toen hij gestationeerd was bij een radiostation in de Eiffeltoren. Zijn werk bij het beroemde monument wekte zijn belangstelling voor natuurkunde en De Broglie ging na de oorlog natuurwetenschappen studeren aan de Sorbonne. Dit had grote gevolgen.

Over golven en deeltjes

De Broglie had misschien wat tijd nodig voordat hij voor de wetenschap was gewonnen, maar daarna ging het ook snel. Zijn proefschrift in 1924 vormde reeds de basis voor zijn roem. Het centrale thema vormde een natuurlijke uitbreiding van de quantumtheorie die al zijn plaats had gevonden. Einstein (1879-1955) had in een van zijn artikelen uit 1905 al gesuggereerd dat het mysterieuze Toto-elektrische’ effect verklaard kon worden door een interpretatie waarbij elektromagnetische golven zich gedroegen als deeltjes; de golven zouden zijn samengesteld uit een stroom deeltjes (‘quanta’ of `fotons’ genoemd). De Broglie zette het idee van Albert Einstein eenvoudig op zijn kop: als golven zich konden gedragen als deeltjes, waarom deeltjes dan niet als golven?

Gedrag van elektronen

Zijn conclusie was inderdaad dat het mogelijk was en hij formuleerde een theoretisch bewijs van zijn idee uitgaande van het gedrag van elektronen. In de klassieke mechanica werden deze beschouwd als deeltjes, zelfstandige stukjes materie. Door de quantumtheorie toe te passen kon De Broglie aantonen dat een elektron zich ook kon gedragen als een golf, waarbij de golflengte wordt berekend door de ‘constante van Planck’ te delen door de snelheid van het elektron op een bepaald moment. Hoewel het voorstel extreem theoretisch klonk, werd het al spoedig bevestigd door experimenten.

Dualiteit van golven en deeltjes

Het gevolg was dat er een heftig debat losbrandde over de `golf/deeltje-dualiteit’ van de materie en de vraag welke interpretatie correct was. Schrödinger (1887-1961), Heisenberg (1901-1976) en Bom (1882-1970) kwamen met fascinerende antwoorden. Ook Niels Bohr (18851962) droeg in 1927 bij aan het onderwerp door de zinloosheid van het debat te benadrukken, aangezien de instrumenten die gebruikt werden bij de experimenten in belangrijke mate de uitkomsten bepaalden. Het principe van ‘complementariteit’ werd daarom ingeschakeld, wat stelde dat al het experimenteel verkregen bewijs een deel van het antwoord bevatte en naast elkaar moest worden geïnterpreteerd om een compleet beeld te krijgen. Uiteindelijk kregen de ‘probabilistische’ theorieën van Heisenberg en Bom echter de overhand. Op dit punt, waar de atoomfysica werd beroofd van het causaliteitsprincipe van oorzaak en gevolg, vroeg De Broglie, net als Einstein en Schrödinger, zich af welke richting de quantumtheorie opging en hij verwierp veel van de latere resultaten.

Overige wapenfeiten

Er waren talloze natuurkundigen die zich halverwege de jaren twintig van de 20ste eeuw mengden in het debat over de quantumtheorie. De meeste deelnemers waren gevestigde hoogleraren, onderzoekers en specialisten in de fysica, wat Louis de Broglie’s achtergrond als historicus nog opmerkelijker maakt. Ondanks de ongebruikelijk route die hij aflegde was hij niet minder effectief toen hij zich eenmaal in het debat mengde en een quantumtheorie voorstelde die een heel nieuw onderzoeksgebied blootlegde.

1910-1913 De Broglie studeert geschiedenis in Parijs. 1914 Neemt dienst in het Franse leger, tot het eind van de oorlog in 1918. 1924 Schrijft aan de Parijse faculteit voor natuurwetenschappen een proefschrift onder de titel Recherches sur la Théorie des Quanta (Onderzoek naar de quantumtheorie). 1927 Toont aan dat elektronen en andere subatomaire deeltjes zich gedragen als golven. 1929 Nobelprijs voor de natuurkunde. 1952 Ontvangt de eerste Kalingaprijs van de UNESCO voor popularisering van de moderne fysica. 1987 Sterft in Parijs op 95-jarige leeftijd.

1929 Nobelprijs voor Natuurkunde “Voor zijn ontdekking van de golfeigenschappen van elektronen.”

1952 Kalingaprijs van de UNESCO