从历史学习转向量子问题
德布罗意出生于法国迪耶普,最初在巴黎学习历史,随后转向数学和物理,1913年取得理科学位。第一次世界大战期间,他从事无线电通信工作。战后,他把研究重点放在理论物理中的量子问题上,同时关注兄长莫里斯及其同事的X射线实验。
这一背景使光的双重描述成为重要问题:光学中的干涉与衍射需要波的概念,而量子论又把能量交换与离散的量联系起来。德布罗意不满足于只给光保留这种双重性,而开始追问,通常被当作粒子的电子是否也应伴随一种波。
博士论文中的物质波
他在1924年提交的博士论文《量子理论研究》中系统发展了相关思想,论文又于1925年在《物理学年鉴》发表。应把博士论文年份与后来的期刊刊载年份区分开来,不能据此说有两项互不相关的发现。
德布罗意把力学与光学之间的对应看作线索,尝试让粒子的能量、动量与波的频率、波长相联系。在这一框架下,经典力学类似于波动光学中的几何光学近似:当干涉和衍射变得重要时,仅用经典轨迹就不够。这个设想打开了新的研究方向,但尚不是后来量子力学全部规则的完成形式。
波长公式说明什么
物质波关系通常写为λ=h/p,其中λ是波长,h是普朗克常数,p是粒子动量的大小。对自由粒子的确定动量状态,这一关系说明相应平面波的空间周期;它不能简单解释成电子的实体直径或电子在空间中实际摇摆的振幅。
在低速近似下,动量可写为质量乘速度,因此常见λ=h/(mv)的形式。速度接近光速时,不能仍无条件使用这一非相对论近似。对于不是单一动量的状态,也不能强行赋予唯一的波长。德布罗意在诺贝尔演讲中把电子的加速条件、预计波长和晶体结构尺度联系起来,说明其思想能够导出具体实验预期。
参考:[1]
实验验证与其他研究者
1927年,戴维孙和革末的电子衍射工作为物质波提供了重要证据;G. P. 汤姆孙也以不同实验方法研究电子衍射。晶体中规则排列的原子使特定方向出现增强的散射信号,电子的动量与这些方向对应的波长可以相互比较。这里验证的是定量关系和波动效应,不是拍到一个在“粒子”和“水波”之间切换的物体。
德布罗意本人提出理论,并不意味着他亲自完成了这些验证实验。薛定谔随后发展波动力学方程,海森堡、玻恩、约尔丹、狄拉克等人也从其他方向建立量子理论。德布罗意在1929年的演讲中承认这些发展,因而将整个量子力学归于一个人的博士论文并不准确。
教学、解释与科学遗产
德布罗意获得1929年诺贝尔物理学奖,随后长期在巴黎从事教学与研究,培养研究生并写作关于波动力学及其应用的著作。他的研究还延伸到量子理论的解释,晚年重新探索因果性和“双解”思路。
这些解释性研究必须与物质波关系已经获得的实验支持分别评价。电子衍射证明某些波动预测有效,并不会自动裁决所有关于粒子轨迹、概率或实在性的哲学争论。他于1987年去世,留下的核心贡献是把原先主要用于光的波动概念推广到物质,并让这一推广成为可测量、可计算的物理主张。