把关于光的问题倒过来
光已经有了粒子式的能量和动量关系。de Broglie 把问题倒过来:一向当作粒子的物质,是不是也需要波动描述?他在 1929 年的讲稿里回顾这一设想,提出时 Schrödinger 的波动力学还没有成熟。这是一个等待观测检验的理论设想,不是电子在空间里起伏的照片。
设想的波长给干涉定了尺度,电子动量一变,尺度也该跟着变。检验这种依赖,比看到探测图样有明有暗更有说服力,因为许多装置都会因别的原因出现明暗结构。
证据阅读:L. de Broglie (1929), The Wave Nature of the Electron — Nobel lecture, December 12
动量决定波长
下式用动量大小和普朗克常数给出波长。对有质量的自由粒子,动量必须和能量用同一套关系计算:只有动能远小于静能时,才能用非相对论近似。这个波长不是电子的物理直径。
平面波只有一个动量,无限延伸。局域的波包需要一系列动量,所以只有一个中心波长,没有处处相同的确定波长。波包 Lab 直接采用一个波动方程来演示这一点,并没有独立推出物质波假设。
证据阅读:L. de Broglie (1929), The Wave Nature of the Electron — Nobel lecture, December 12
两种速度,回答两个问题
波峰和波包包络不一定走得一样快。对相对论正能量分支上的窄自由粒子波包,能量对动量求导,就得到下式的群速度。这里的能量包含静能,约化普朗克常数把角频率和能量联系起来,粒子质量为正。
能量算上静能时,有质量粒子的相速度会超过光速,但这传不了超光速的信息:单一频率的波峰既不局域,也无法调制成信号。把常数静能减掉,相位约定和相速度都会变,这里的群速度导数却不变。
证据阅读:L. de Broglie (1929), The Wave Nature of the Electron — Nobel lecture, December 12
驻波线索,还不是完整原子理论
de Broglie 把允许的轨道和一个条件联系起来:波绕闭合路径一圈,相位要能接上。这样,原子的离散条件就成了一个关于波的问题。但仅凭这一步,还得不出完整的氢原子波函数和跃迁强度,也得不出多电子原子的光谱。
后来的波动力学不再把轨道当真,改为求解本征值和边界条件问题,氢原子 Lab 用的就是这一框架。两种描述值得对照,正因为早期的启发性论证和完整计算是两项不同的成就。
证据阅读:L. de Broglie (1929), The Wave Nature of the Electron — Nobel lecture, December 12E. Schrödinger (1926), Quantisierung als Eigenwertproblem, Erste Mitteilung, Ann. Phys. 79, 361–376 — German scan
检验需要受控变化
Davisson 与 Germer 1927 年的作者摘要报告了电子在镍晶体上的散射,并把观测和波动预言作了比较,把波长设想和实验连了起来。晶体结构、表面处理和角度探测的细节,需要单独介绍装置,留给电子衍射专题。
读这类证据时,先把几何定下来,再看同一个动量关系能不能预言多组设置下的变化。只在一个挑得正好的角度上符合,不如整组变化都符合有力。示意的波纹动画,既给不出实测的各角度强度,也给不出它们的不确定度。
波动描述还缺一条结果规则
波长关系没有说明,展开的振幅怎样变成一次次探测事件的分布;Born 对碰撞的解释回答的是这个问题。同样,不确定性取决于态怎样制备、测的是哪个可观测量,并不是说所有仪器都太粗糙。
本文是一座桥:从早期的原子量子化,到波动力学,再到概率解释。历史上的成功在于一组彼此衔接的定量预言。它不要求把波包想成一小团物质,也没有裁定波函数该怎样解释。
证据阅读:M. Born (1954), The Statistical Interpretation of Quantum Mechanics — Nobel lecture, December 11L. de Broglie (1929), The Wave Nature of the Electron — Nobel lecture, December 12