Luis de Broglie

Louis Victor Pierre Raymond nació el 15 de agosto de 1892 en Dieppe , Francia, en el seno de la aristocrática Casa de Broglie , una familia noble de origen italiano, cuyos representantes ocuparon durante varios siglos importantes cargos militares y políticos en Francia. Su padre, Louis-Alphonse-Victor, quinto duque de Broglie , estaba casado con Pauline d'Armaille, nieta del general napoleónico Philippe Paul, conde de Ségur , y de su esposa, la biógrafa Marie Célestine Amélie d'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 famosa escritora. ^{[ 14 ]} Según The New York Times , "un bisabuelo luchó del lado de George Washington en la Guerra de Independencia de Estados Unidos como lugarteniente principal del marqués de Lafayette ". ^{[ 3 ]}

Se decía que De Broglie era un niño guapo y encantador con aptitud para la historia. Aunque a veces solitario, tenía una memoria prodigiosa e interés por la política. ^{[ 15 ]} Tenía la intención de dedicarse a las humanidades y obtuvo su licenciatura en historia en 1910. Posteriormente, centró su atención en las ciencias y obtuvo una licenciatura en ciencias en 1913. Con el estallido de la Primera Guerra Mundial en 1914, ofreció sus servicios al ejército para el desarrollo de las radiocomunicaciones.

Tras su graduación, de Broglie se unió a las fuerzas de ingeniería para realizar el servicio militar obligatorio. Comenzó en Fort Mont Valérien , pero pronto, por iniciativa de su hermano, fue adscrito al Servicio de Comunicaciones Inalámbricas y trabajó en la Torre Eiffel , donde se ubicaba el transmisor de radio. ^{[ 12 ]} Louis de Broglie permaneció en servicio militar durante toda 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. Louis de Broglie 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. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Su tesis de 1924 , Recherches sur la théorie des quanta ^{[ 17 ]} (Investigación sobre la teoría de los cuantos), introdujo su teoría de las ondas electrónicas . Esta 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 en la hipótesis de De Broglie, que afirmaba que toda partícula u objeto en movimiento tenía una onda asociada . De Broglie creó así un nuevo campo en la física, la mecánica ondulatoria , que unificaba la física de la energía (onda) y la materia (partícula). Ganó el Premio Nobel de Física en 1929 «por su descubrimiento de la naturaleza ondulatoria de los electrones». ^{[ 18 ]}

En la última etapa de su carrera, De Broglie se dedicó a desarrollar una explicación causal de la mecánica ondulatoria, en oposición a los modelos puramente probabilísticos que dominan la teoría cuántica ; esta explicación fue perfeccionada por David Bohm en la década de 1950. Desde entonces, la teoría se conoce como la teoría de De Broglie-Bohm .

Además de su trabajo estrictamente científico, de Broglie reflexionó y escribió sobre la filosofía de la ciencia , incluyendo el valor de los descubrimientos científicos modernos. En 1930 fundó la colección de libros Actualités scientifiques et industrielles, publicada por Éditions Hermann . ^{[ 19 ]}

De Broglie se convirtió en miembro de la Academia de Ciencias en 1933 y fue secretario perpetuo de la academia desde 1942. Se le pidió que se uniera al Consejo de la Unión Católica de Científicos Franceses , pero declinó porque no era religioso. ^{[ 20 ] [ 21 ]} En 1941, fue nombrado miembro del Consejo Nacional de la Francia de Vichy . ^{[ 22 ]} El 12 de octubre de 1944, fue elegido miembro de la Academia Francesa , en sustitución del matemático Émile Picard . Debido a las muertes y encarcelamientos de miembros de la Academia durante la ocupación y otros efectos de la guerra, la Academia no pudo reunir el quórum de veinte miembros para su elección; sin embargo, debido a las circunstancias excepcionales, su elección unánime por los diecisiete miembros presentes fue aceptada. En un acontecimiento único en la historia de la Academia, fue recibido como miembro por su propio hermano Maurice, quien había sido elegido en 1934. La UNESCO le otorgó el primer Premio Kalinga en 1952 por su labor de divulgación del conocimiento científico, y fue elegido miembro extranjero de la Royal Society el 23 de abril de 1953. ^{[ 12 ]}

Luis se convirtió en el séptimo duque de Broglie en 1960 tras la muerte sin descendencia de su hermano mayor, Mauricio, sexto duque de Broglie , también físico.

En 1961, de Broglie recibió el título de Caballero de la Gran Cruz de la Legión de Honor . En 1945, fue nombrado consejero de la Alta Comisión Francesa de Energía Atómica por sus esfuerzos para acercar la industria y la ciencia. Fundó un centro de mecánica aplicada en el Instituto Henri Poincaré , donde se llevaron a cabo investigaciones en óptica, cibernética y energía atómica. Inspiró la creación de la Academia Internacional de Ciencias Moleculares Cuánticas y fue uno de sus primeros miembros. ^{[ 23 ]}

De Broglie nunca se casó. Cuando murió el 19 de marzo de 1987 en Louveciennes a la edad de 94 años, ^{[ 4 ]} fue sucedido como duque por un primo lejano, Victor-François, 8.º duque de Broglie . Su funeral se celebró el 23 de marzo de 1987 en la iglesia de Saint-Pierre-de-Neuilly. ^{[ 24 ]} Jean-Claude Lehmann, director del departamento de física del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia, dijo: «La muerte de Louis de Broglie marca la desaparición de uno de los pioneros más brillantes de la física contemporánea». ^{[ 3 ]}

Los primeros trabajos de Louis de Broglie (principios de la década de 1920) se realizaron en el laboratorio de su hermano mayor Maurice y trataron 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 los espectros de fotoelectrones y dieron una clasificación sistemática de los espectros de rayos X. ^{[ 15 ]} Los estudios de espectros de rayos X fueron importantes para dilucidar la estructura de las capas electrónicas internas 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 . ^{[ 25 ]} Otro resultado fue la elucidación 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 tras el descubrimiento del espín del electrón. En 1925 y 1926, el físico de Leningrado Orest Khvolson propuso a los hermanos de Broglie al Premio Nobel por su trabajo en el campo de los rayos X. ^{[ 14 ]}

El estudio de la naturaleza de la radiación de rayos X y la discusión de sus propiedades con su hermano Maurice, quien consideraba que estos rayos eran una combinación de ondas y partículas, contribuyeron a que Louis de Broglie comprendiera la necesidad de construir una teoría que vinculara las representaciones de partículas y ondas. Además, estaba familiarizado con los trabajos (1919-1922) de Marcel Brillouin , quien propuso un modelo hidrodinámico del átomo e intentó relacionarlo con los resultados de la teoría de Bohr. El punto de partida en la obra de Louis de Broglie fue la idea de Einstein sobre los cuantos de luz . En su primer artículo sobre este tema, publicado en 1922, el científico francés consideró la radiación del 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 dicha representación. En su siguiente publicación, intentó conciliar el concepto de cuantos de luz con los fenómenos de interferencia y difracción, llegando a la conclusión de que era necesario asociar cierta periodicidad a los cuantos. En este caso, él interpretó los cuantos de luz como partículas relativistas de masa muy pequeña. ^{[ 26 ]}

Quedaba por extender las consideraciones ondulatorias a partículas masivas, y en el verano de 1923 se produjo un avance decisivo. De Broglie esbozó sus ideas en una breve nota titulada "Ondas y cuantos" ( en francés : Ondes et quanta , presentada en una reunión de la Academia de Ciencias de París el 10 de septiembre de 1923), ^{[ 27 ]} que marcó el comienzo de la creación de la mecánica ondulatoria. En este artículo y en su posterior tesis doctoral, ^{[ 17 ]} el científico sugirió que una partícula en movimiento con energía E y velocidad v se caracteriza por algún proceso periódico interno con una frecuencia${\displaystyle E/h}$(más tarde conocida como frecuencia Compton ), donde${\displaystyle h}$es la constante de Planck . Para conciliar estas consideraciones, basadas en el principio cuántico, con las ideas de la relatividad especial, de Broglie asoció una onda que denominó "onda de fase" con un cuerpo en movimiento, que se propaga con la velocidad de fase.${\displaystyle c^{2}/v}$Dicha onda, que posteriormente recibió el nombre de onda de materia u onda de De Broglie , permanece en fase con el proceso periódico interno durante el movimiento de un cuerpo. Tras examinar el movimiento de un electrón en una órbita cerrada, el científico demostró que el requisito de coincidencia de fase conduce directamente a la condición cuántica de Bohr-Sommerfeld , es decir, a la cuantización del momento angular. En las dos notas siguientes (presentadas en las reuniones del 24 de septiembre y el 8 de octubre, respectivamente), De Broglie llegó a la conclusión de que la velocidad de la partícula es igual a la velocidad de grupo de las ondas de fase, y la partícula se mueve a lo largo de la normal a las superficies de igual fase. En el caso general, la trayectoria de una partícula puede determinarse utilizando el principio de Fermat (para ondas) o el principio de mínima acción (para partículas), lo que indica una conexión entre la óptica geométrica y la mecánica clásica. ^{[ 28 ]} La longitud de onda de De Broglie λ es la constante de Planck h dividida por el momento p : $${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}.}$$

Esta teoría sentó las bases de la mecánica ondulatoria. Fue respaldada por Albert Einstein, ^{[ 29 ]} confirmada por los experimentos de difracción de electrones de George Paget Thomson en el Reino Unido y Clinton Davisson y Lester Germer en los Estados Unidos, y generalizada por el trabajo de Erwin Schrödinger. ^{[ 30 ]}

Originalmente, de Broglie pensaba que la onda real (es decir, con una interpretación física directa) estaba asociada a las partículas. Sin embargo, cuando el aspecto ondulatorio de la materia se formalizó mediante una función de onda definida por la ecuación de Schrödinger , esta se reveló como una entidad puramente matemática con una interpretación probabilística , sin el apoyo de elementos físicos. Esta función de onda confiere un comportamiento ondulatorio a la materia, pero solo se observa a través de muestras cuánticas individuales. No obstante, en 1956, de Broglie volvió a intentar una teoría de interpretación física y directa de las ondas de materia, siguiendo el trabajo de David Bohm y las sugerencias de Jean-Pierre Vigier . ^{[ 8 ]}

En su tesis de 1924, de Broglie conjeturó que el electrón posee un reloj interno que constituye parte del mecanismo mediante el cual una onda piloto guía una partícula. ^{[ 31 ]} Posteriormente, David Hestenes propuso una conexión con el movimiento de zitterbewegung sugerido por Schrödinger. ^{[ 32 ]}

Aunque los intentos de verificar la hipótesis del reloj interno y medir la frecuencia del reloj no son concluyentes hasta el momento, ^{[ 33 ]} los datos experimentales recientes son al menos compatibles con la conjetura de de Broglie. ^{[ 34 ]}

Según De Broglie, el neutrino y el fotón tienen masas en reposo distintas de cero, aunque muy bajas. La coherencia de su teoría implica que el fotón no carece completamente de masa. Casualmente, 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 masa real 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.

En la segunda parte de su tesis de 1924, de Broglie empleó la equivalencia del principio mecánico de mínima acción con el principio óptico de Fermat : «El principio de Fermat aplicado a las ondas de fase es idéntico al principio de Maupertuis aplicado al cuerpo en movimiento; las posibles trayectorias dinámicas del cuerpo en movimiento son idénticas a los posibles rayos de la onda». Esta última equivalencia ya había sido señalada por William Rowan Hamilton un siglo antes y publicada por él alrededor de 1830, para el caso de la luz.

Lejos de pretender hacer "desaparecer la contradicción", algo que Max Born creía posible 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 creó un sistema único de leyes a partir de los dos grandes sistemas de la termodinámica y la mecánica:

Cuando Boltzmann y sus seguidores desarrollaron su interpretación estadística de la termodinámica, se podría haber considerado la termodinámica como una rama compleja de la dinámica. Sin embargo, con mis ideas actuales, es la dinámica la que parece ser una rama simplificada de la termodinámica. Creo que, de todas las ideas que he introducido en la teoría cuántica en los últimos años, esta es, con mucho, 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 se asemeja a la de Gottfried Wilhelm 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:

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

La teoría de los neutrinos de la luz , que data de 1934, introduce la idea de que el fotón es equivalente a la fusión de dos neutrinos de Dirac . ^{[ 35 ]} En 1938, el concepto fue cuestionado por no ser invariante rotacionalmente y el trabajo sobre el mismo se interrumpió en gran medida. ^{[ 36 ]}

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

En este trabajo, 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:

${\displaystyle {{\text{acción}} \over h}=-{{\text{entropía}} \over k}}$

Como consecuencia de su gran impacto, esta teoría reintroduce el principio de incertidumbre a las distancias alrededor de los extremos de acción, distancias que corresponden a reducciones de entropía .