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版權所有：castor_v_pollux 原作　提交時間：18:50:32 06月15日

第三章 火流星

三

上次說到，愛因斯坦提出了光量子的假說，用來解釋光電效應中無法用電磁理論說通的現象。

然而，光量子的概念卻讓別的科學家們感到非常地不理解。光的問題不是已經被定性了嗎？難道光不是已經被包括在麥克斯韋理論之內，作為電磁波的一種被清楚地描述了嗎？這個光量子又是怎麼一回事情呢？

事實上，光量子是一個非常大膽的假設，它是在直接地向經典物理體系挑戰。愛因斯坦本人也意識到這一點，在他看來，這可是他最有叛逆性的一篇論文了。在寫給好友哈比希特（C.Habicht）的信中，愛因斯坦描述了他劃時代的四篇論文，只有在光量子上，他才用了“非常革命”的字眼，而甚至相對論都沒有這樣的描述。

光量子和傳統的電磁波動圖象顯得格格不入，它其實就是昔日微粒說的一種翻版，假設光是離散的，由一個個小的基本單位所組成的。自托馬斯•楊的時代又已經過去了一百年，冥冥中天道循環，當年被打倒在地的霸主以反叛的姿態再次登上舞台，向已經占據了王位的波動說展開挑戰。這兩個命中注定的對手終於要進行一場最後的決戰，從而領悟到各自存在的終極意義：如果沒有了你，我獨自站在這裡，又是為了什麼。

不過，光量子的處境和當年起義的波動一樣，是非常困難和不為人所接受的。波動如今所占據的地位，甚至要遠遠超過100年前籠罩在牛頓光環下的微粒王朝。波動的王位，是由麥克斯韋欽點，而又有整個電磁王國作為同盟的。這場決戰，從一開始就不再局限於光的領地之內，而是整個電磁譜的性質問題。而我們很快將要看到，十幾年以後，戰爭將被擴大，整個物理世界都將被捲入進去，從而形成一場名副其實的世界大戰。

當時，對於光量子的態度，連愛因斯坦本人都是非常謹慎的，更不用說那些可敬的老派科學紳士們了。一方面，這和經典的電磁圖象不相容；另一方面，當時關於光電效應的實驗沒有一個能夠非常明確地證實光量子的正確性。微粒的這次絕地反擊，一直要到1915年才真正引起人們的注意，而起因也是非常諷刺的：美國人密立根（R.A.Millikan）想用實驗來證實光量子圖象是錯誤的，但是多次反覆實驗之後，他卻啼笑皆非地發現，自己已經在很大的程度上證實了愛因斯坦方程的正確性。實驗數據相當有說服力地展示，在所有的情況下，光電現象都表現出量子化特徵，而不是相反。

如果說密立根的實驗只是微粒革命軍的一次反圍剿成功，其意義還不足以說服所有的物理學家的話，那麼1923年，康普頓（A.H.Compton）則帶領這支軍隊取得了一場決定性的勝利，把他們所潛藏着的驚人力量展現得一覽無餘。經此一役後，再也沒有人懷疑，起來對抗經典波動帝國的，原來是一支實力不相上下的正規軍。

這次戰役的戰場是X射線的地域。康普頓在研究X射線被自由電子散射的時候，發現一個奇怪的現象：散射出來的X射線分成兩個部分，一部分和原來的入射射線波長相同，而另一部分卻比原來的射線波長要長，具體的大小和散射角存在着函數關係。

如果運用通常的波動理論，散射應該不會改變入射光的波長才對。但是怎麼解釋多出來的那一部分波長變長的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終於有一天，他作了一個破釜沉舟的決定，引入光量子的假設，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開朗：那一部分波長變長的射線是因為光子和電子碰撞所引起的。光子像普通的小球那樣，不僅帶有能量，還具有衝量，當它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來光子的能量下降，根據公式E = hν，E下降導致ν下降，頻率變小，便是波長變大，over。

在粒子的基礎上推導出波長變化和散射角的關係式，和實驗符合得一絲不苟。這是一場極為漂亮的殲滅戰，波動的力量根本沒有任何反擊的機會便被繳了械。康普頓總結道：“現在，幾乎不用再懷疑倫琴射線（註：即X射線）是一種量子現象了……實驗令人信服地表明，輻射量子不僅具有能量，而且具有一定方向的衝量。”

上帝造了光，愛因斯坦指出了什麼是光，而康普頓，則第一個在真正意義上“看到”了這光。

“第三次微波戰爭”全面爆發了。捲土重來的微粒軍團裝備了最先進的武器：光電效應和康普頓效應。這兩門大炮威力無窮，令波動守軍難以抵擋，節節敗退。但是，波動方面軍近百年苦心經營的陣地畢竟不是那麼容易突破的，麥克斯韋理論和整個經典物理體系的強大後援使得他們仍然立於不敗之地。波動的擁護者們很快便清楚地意識到，不能再後退了，因為身後就是莫斯科！波動理論的全面失守將意味着麥克斯韋電磁體系的崩潰，但至少現在，微粒這一雄心勃勃的計劃還難以實現。

波動在穩住了陣腳之後，迅速地重新評估了自己的力量。雖然在光電問題上它無能為力，但當初它賴以建國的那些王牌武器卻依然沒有生鏽和失效，仍然有着強大的殺傷力。微粒的復興雖然來得迅猛，但終究缺乏深度，它甚至不得不依靠從波動那裡繳獲來的軍火來作戰。比如我們已經看到的光電效應，對於光量子理論的驗證牽涉到頻率和波長的測定，而這卻仍然要靠光的干涉現象來實現。波動的立國之父托馬斯•楊，他的精神是如此偉大，以至在身後百年仍然光耀着波動的戰旗，震懾一切反對力量。在每一間中學的實驗室里，通過兩道狹縫的光依然不依不饒地顯示出明暗相間的干涉條紋來，不容置疑地向世人表明他的波動性。菲涅爾的論文雖然已經在圖書館裡蒙上了灰塵，但任何人只要有興趣，仍然可以重複他的實驗，來確認泊松亮斑的存在。麥克斯韋芳華絕代的方程組仍然在每天給出預言，而電磁波也仍然溫順地按照他的預言以30萬公里每秒的速度行動，既沒有快一點，也沒有慢一點。

戰局很快就陷入僵持，雙方都屯兵於自己得心應手的陣地之內，誰也無力去占領對方的地盤。光子一陷入干涉的沼澤，便顯得笨拙而無法自拔；光波一進入光電的叢林，也變得迷茫而不知所措。粒子還是波？在人類文明達到高峰的20世紀，卻對宇宙中最古老的現象束手無策。

不過在這裡，我們得話分兩頭。先讓微粒和波動這兩支軍隊對壘一陣子，我們跳出光和電磁波的世界，回過頭去看看量子論是怎樣影響了實實在在的物質——原子核和電子的。來自丹麥的王子粉墨登場，在他的頭上，一顆大大的火流星划過這陰雲密布的天空，雖然只是一閃即逝，但卻在地上點燃了燎原大火，照亮了無邊的黑暗。