Louis de Broglie

Família e educação

Louis Victor Pierre Raymond nasceu em 15 de agosto de 1892 em Dieppe, França, na aristocrática Casa de Broglie, uma família nobre de origem italiana, cujos representantes por vários séculos ocuparam importantes cargos militares e políticos na França. Seu pai, Louis-Alphonse-Victor, 5.º duque de Broglie, era casado com Pauline d'Armaille, neta do general napoleônico Philippe Paul, conde de Ségur, e de sua esposa, a biógrafa Marie Célestine Amélie d'Armaillé. Eles tiveram cinco filhos; além de Louis, estes eram: Albertina (1872–1946), posteriormente Marquesa de Luppé; Maurice (1875–1960), posteriormente um famoso físico experimental; Philip (1881–1890), que morreu dois anos antes do nascimento de Louis, e Pauline, Condessa de Pange (1888–1972), posteriormente uma famosa escritora. Segundo The New York Times, "um bisavô lutou ao lado de George Washington na Guerra Revolucionária Americana como principal tenente do Marquês de Lafayette."

Dizia-se que de Broglie era uma criança bonita e charmosa com aptidão para história. Embora às vezes solitário, ele tinha uma memória forte e interesse por política. Ele pretendia seguir carreira em humanidades e recebeu seu primeiro diploma (licence ès lettres) em história em 1910. Depois, voltou sua atenção para a ciência, recebendo um diploma (licence ès sciences) em 1913. Com a eclosão da Primeira Guerra Mundial em 1914, ele ofereceu seus serviços ao exército no desenvolvimento de comunicações por rádio.

Serviço militar

Após a formatura, de Broglie juntou-se às forças de engenharia para cumprir o serviço obrigatório. Começou no Forte de Mont Valérien, mas logo, por iniciativa de seu irmão, foi destacado para o Serviço de Comunicações Sem Fio e trabalhou na Torre Eiffel, onde ficava o transmissor de rádio. Louis de Broglie permaneceu no serviço militar durante toda a Primeira Guerra Mundial, lidando com questões puramente técnicas. Em particular, juntamente com Léon Brillouin e seu irmão Maurice, participou do estabelecimento de comunicações sem fio com submarinos. Louis de Broglie foi desmobilizado em agosto de 1919 com a patente de adjudant. Mais tarde, o cientista lamentou ter que passar cerca de seis anos longe dos problemas fundamentais da ciência que lhe interessavam.

Carreira científica e pedagógica

Sua tese de 1924, Recherches sur la théorie des quanta (Pesquisas sobre a Teoria dos Quanta) introduziu sua teoria das ondas de elétron. Isso incluía a teoria da dualidade onda-partícula da matéria, baseada no trabalho de Max Planck e Albert Einstein sobre a luz. Esta pesquisa culminou na hipótese de de Broglie afirmando que qualquer partícula ou objeto em movimento tinha uma onda associada. De Broglie criou assim um novo campo na física, a mécanique ondulatoire, ou mecânica ondulatória, unindo a física da energia (onda) e da matéria (partícula). Ele ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1929 "por sua descoberta da natureza ondulatória dos elétrons".

Em sua carreira posterior, de Broglie trabalhou para desenvolver uma explicação causal da mecânica ondulatória, em oposição aos modelos totalmente probabilísticos que dominam a teoria quântica; foi refinada por David Bohm na década de 1950. A teoria é conhecida desde então como teoria de De Broglie–Bohm.

Além do trabalho estritamente científico, de Broglie pensou e escreveu sobre a filosofia da ciência, incluindo o valor das descobertas científicas modernas. Em 1930, fundou a coleção de livros Actualités scientifiques et industrielles publicada pela Éditions Hermann.

De Broglie tornou-se membro da Académie des sciences em 1933, e foi secretário perpétuo da academia a partir de 1942. Foi convidado a se juntar ao Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais, mas recusou porque era não religioso. Em 1941, foi nomeado membro do Conselho Nacional da França de Vichy. Em 12 de outubro de 1944, foi eleito para a Académie Française, substituindo o matemático Émile Picard. Devido às mortes e prisões de membros da Académie durante a ocupação e outros efeitos da guerra, a Académie não pôde atingir o quórum de vinte membros para sua eleição; devido às circunstâncias excepcionais, no entanto, sua eleição unânime pelos dezessete membros presentes foi aceita. Em um evento único na história da Académie, ele foi recebido como membro por seu próprio irmão Maurice, que havia sido eleito em 1934. A UNESCO concedeu-lhe o primeiro Prêmio Kalinga em 1952 por seu trabalho na popularização do conhecimento científico, e ele foi eleito Membro Estrangeiro da Royal Society em 23 de abril de 1953.

Louis tornou-se o 7.º duque de Broglie em 1960 com a morte sem herdeiro de seu irmão mais velho, Maurice, 6.º duque de Broglie, também físico.

Em 1961, de Broglie recebeu o título de Cavaleiro da Grã-Cruz da Legião de Honra. De Broglie foi nomeado conselheiro da Alta Comissão Francesa de Energia Atômica em 1945 por seus esforços para aproximar a indústria e a ciência. Ele estabeleceu um centro de mecânica aplicada no Instituto Henri Poincaré, onde foram realizadas pesquisas em óptica, cibernética e energia atômica. Ele inspirou a formação da Academia Internacional de Ciência Molecular Quântica e foi um dos primeiros membros.

De Broglie nunca se casou. Quando morreu em 19 de março de 1987 em Louveciennes aos 94 anos, foi sucedido como duque por um primo distante, Victor-François, 8.º duque de Broglie. Seu funeral foi realizado em 23 de março de 1987 na Igreja de Saint-Pierre-de-Neuilly. Jean-Claude Lehmann, diretor do departamento de física do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França, disse: "A morte de Louis de Broglie marca o desaparecimento de um dos pioneiros mais brilhantes da física contemporânea."

Física dos raios X e efeito fotoelétrico

Os primeiros trabalhos de Louis de Broglie (início da década de 1920) foram realizados no laboratório de seu irmão mais velho Maurice e trataram das características do efeito fotoelétrico e das propriedades dos raios X. Essas publicações examinaram a absorção de raios X e descreveram esse fenômeno usando a teoria de Bohr, aplicaram princípios quânticos à interpretação dos espectros fotoelétricos e forneceram uma classificação sistemática dos espectros de raios X. Os estudos dos espectros de raios X foram importantes para elucidar a estrutura das camadas eletrônicas internas dos átomos (os espectros ópticos são determinados pelas camadas externas). Assim, os resultados de experimentos conduzidos em conjunto com Alexandre Dauvillier revelaram as deficiências dos esquemas existentes para a distribuição de elétrons nos átomos; essas dificuldades foram eliminadas por Edmund Stoner. Outro resultado foi a elucidação da insuficiência da fórmula de Sommerfeld para determinar a posição das linhas nos espectros de raios X; essa discrepância foi eliminada após a descoberta do spin do elétron. Em 1925 e 1926, o físico de Leningrado Orest Khvolson indicou os irmãos de Broglie para o Prêmio Nobel por seu trabalho no campo dos raios X.

Matéria e dualidade onda-partícula

Estudar a natureza da radiação de raios X e discutir suas propriedades com seu irmão Maurice, que considerava esses raios como uma espécie de combinação de ondas e partículas, contribuiu para a conscientização de Louis de Broglie sobre a necessidade de construir uma teoria que ligasse representações de partículas e ondas. Além disso, ele estava familiarizado com os trabalhos (1919–1922) de Marcel Brillouin, que propôs um modelo hidrodinâmico do átomo e tentou relacioná-lo com os resultados da teoria de Bohr. O ponto de partida no trabalho de Louis de Broglie foi a ideia de Einstein sobre os quanta de luz. Em seu primeiro artigo sobre este assunto, publicado em 1922, o cientista francês considerou a radiação do corpo negro como um gás de quanta de luz e, usando a mecânica estatística clássica, derivou a lei da radiação de Wien no âmbito de tal representação. Em sua próxima publicação, ele tentou conciliar o conceito de quanta de luz com os fenômenos de interferência e difração e chegou à conclusão de que era necessário associar uma certa periodicidade aos quanta. Neste caso, os quanta de luz foram interpretados por ele como partículas relativísticas de massa muito pequena.

Restava estender as considerações ondulatórias a quaisquer partículas massivas, e no verão de 1923 ocorreu um avanço decisivo. De Broglie delineou suas ideias em uma breve nota "Ondas e quanta" (em francês: Ondes et quanta, apresentada em uma reunião da Academia de Ciências de Paris em 10 de setembro de 1923), que marcou o início da criação da mecânica ondulatória. Neste artigo e em sua tese de doutorado subsequente, o cientista sugeriu que uma partícula em movimento com energia E e velocidade v é caracterizada por algum processo periódico interno com uma frequência (mais tarde conhecida como frequência de Compton), onde é a constante de Planck. Para conciliar essas considerações, baseadas no princípio quântico, com as ideias da relatividade especial, de Broglie associou a onda que chamou de "onda de fase" a um corpo em movimento, que se propaga com a velocidade de fase . Tal onda, que mais tarde recebeu o nome de onda de matéria, ou onda de de Broglie, no processo de movimento do corpo permanece em fase com o processo periódico interno. Tendo então examinado o movimento de um elétron em uma órbita fechada, o cientista mostrou que a exigência de correspondência de fase leva diretamente à condição quântica de Bohr-Sommerfeld, ou seja, à quantização do momento angular. Nas duas notas seguintes (apresentadas nas reuniões de 24 de setembro e 8 de outubro, respectivamente), de Broglie chegou à conclusão de que a velocidade da partícula é igual à velocidade de grupo das ondas de fase, e a partícula se move ao longo da normal às superfícies de igual fase. No caso geral, a trajetória de uma partícula pode ser determinada usando o princípio de Fermat (para ondas) ou o princípio da menor ação (para partículas), o que indica uma conexão entre a óptica geométrica e a mecânica clássica. O comprimento de onda de de Broglie λ é a constante de Planck h dividida pelo momento linear p:

Esta teoria estabeleceu a base da mecânica ondulatória. Foi apoiada por Albert Einstein, confirmada pelos experimentos de difração de elétrons de George Paget Thomson no Reino Unido e Clinton Davisson e Lester Germer nos Estados Unidos, e generalizada pelo trabalho de Erwin Schrödinger.

Originalmente, de Broglie pensava que uma onda real (ou seja, tendo uma interpretação física direta) estava associada às partículas. No entanto, quando o aspecto ondulatório da matéria foi formalizado por uma função de onda definida pela equação de Schrödinger, ela se tornou uma entidade matemática pura com uma interpretação probabilística, sem o suporte de elementos físicos. Esta função de onda dá comportamento ondulatório à matéria, mas só é observada através de amostras quânticas individuais. No entanto, em 1956, de Broglie tentou novamente uma teoria de interpretação física direta das ondas de matéria, seguindo o trabalho de David Bohm e sugestões de Jean-Pierre Vigier.

Conjectura de um relógio interno do elétron

Em sua tese de 1924, de Broglie conjecturou que o elétron tem um relógio interno que constitui parte do mecanismo pelo qual uma onda piloto guia uma partícula. Posteriormente, David Hestenes propôs uma ligação com o zitterbewegung que foi sugerido por Schrödinger.

Embora as tentativas de verificar a hipótese do relógio interno e medir a frequência do relógio não sejam até agora conclusivas, dados experimentais recentes são pelo menos compatíveis com a conjectura de de Broglie.

Não-nulidade e variabilidade da massa

De acordo com de Broglie, o neutrino e o fóton têm massas de repouso diferentes de zero, embora muito baixas. Que um fóton não seja completamente sem massa é imposto pela coerência de sua teoria. Incidentemente, essa rejeição da hipótese de um fóton sem massa permitiu-lhe duvidar da hipótese da expansão do universo.

Além disso, ele acreditava que a massa verdadeira das partículas não é constante, mas variável, e que cada partícula pode ser representada como uma máquina termodinâmica equivalente a uma integral cíclica de ação.

Generalização do princípio da menor ação

Na segunda parte de sua tese de 1924, de Broglie usou a equivalência do princípio mecânico da menor ação com o princípio óptico de Fermat: "O princípio de Fermat aplicado a ondas de fase é idêntico ao princípio de Maupertuis aplicado ao corpo em movimento; as trajetórias dinâmicas possíveis do corpo em movimento são idênticas aos raios possíveis da onda." Esta última equivalência havia sido apontada por William Rowan Hamilton um século antes, e publicada por ele por volta de 1830, para o caso da luz.

Dualidade das leis da natureza

Longe de afirmar fazer "a contradição desaparecer" que Max Born pensava poder ser alcançada com uma abordagem estatística, de Broglie estendeu a dualidade onda-partícula a todas as partículas (e a cristais que revelavam os efeitos da difração) e estendeu o princípio da dualidade às leis da natureza.

Seu último trabalho fez um único sistema de leis a partir dos dois grandes sistemas da termodinâmica e da mecânica:

Quando Boltzmann e seus continuadores desenvolveram sua interpretação estatística da Termodinâmica, poder-se-ia considerar a Termodinâmica como um ramo complicado da Dinâmica. Mas, com minhas ideias atuais, é a Dinâmica que parece ser um ramo simplificado da Termodinâmica. Penso que, de todas as ideias que introduzi na teoria quântica nestes últimos anos, é essa ideia que é, de longe, a mais importante e a mais profunda.

Essa ideia parece corresponder à dualidade contínuo-descontínuo, uma vez que sua dinâmica poderia ser o limite de sua termodinâmica quando se postulam transições para limites contínuos. Também está próxima da de Gottfried Wilhelm Leibniz, que postulou a necessidade de "princípios arquitetônicos" para completar o sistema de leis mecânicas.

No entanto, segundo ele, há menos dualidade, no sentido de oposição, do que síntese (um é o limite do outro) e o esforço de síntese é constante segundo ele, como em sua primeira fórmula, em que o primeiro membro pertence à mecânica e o segundo à óptica:

Teoria neutrínica da luz

A teoria neutrínica da luz, que data de 1934, introduz a ideia de que o fóton é equivalente à fusão de dois neutrinos de Dirac. Em 1938, o conceito foi desafiado por não ser invariante rotacional e o trabalho no conceito foi amplamente descontinuado.

Termodinâmica oculta

A ideia final de de Broglie foi a termodinâmica oculta de partículas isoladas. É uma tentativa de reunir os três princípios mais distantes da física: os princípios de Fermat, Maupertuis e Carnot.

Neste trabalho, a ação torna-se uma espécie de oposta à entropia, através de uma equação que relaciona as duas únicas dimensões universais da forma:

Como consequência de seu grande impacto, esta teoria traz de volta o princípio da incerteza para distâncias em torno de extremos de ação, distâncias correspondentes a reduções na entropia.

Prêmios

Ano	Organização	Prêmio	Citação
1929	Real Academia Sueca de Ciências	Prêmio Nobel de Física	"Por sua descoberta da natureza ondulatória dos elétrons."
1938	Sociedade Alemã de Física	Medalha Max Planck	—
1952	UNESCO	Prêmio Kalinga	"Em reconhecimento ao seu trabalho pela popularização da ciência, notadamente por meio de seus muitos artigos e publicações científicas."

Associações

Ano	Organização	Tipo
1933	Academia Francesa de Ciências	Membro
1939	Sociedade Filosófica Americana	Membro Internacional
1948	Academia Nacional de Ciências	Membro Internacional
1953	Royal Society	Membro Estrangeiro
1958	Academia Americana de Artes e Ciências	Membro Honorário Internacional