 《三思科学》电子杂志
2002年第8期 总第14期
2002年8月1日
目 录
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发 现 量 子
(二)
 高山
我一生中最具革命性的思想
“根据这里的假设，当一束光从点光源发出时，它的能量不是随体积增大而连续分布，而是包含一定数量的能量量子，这些能量量子在空间的局域存在，不随运动而分裂，并只能作为一个整体被吸收和发射。”
——爱因斯坦
1905 年 3 月，瑞士伯尔尼
图1-4 青年时代的爱因斯坦
我想知道上帝的思想，……其余的都是细枝末节。
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伯尔尼⑥是一个美丽的小城，这里历史悠久的喷泉闻名于整个欧洲，如今它已是瑞士的首都。1902 年，爱因斯坦终于在朋友的帮助下在这里找到了一份工作——瑞士专利局的三级专利员。在以后的几年里，爱因斯坦一直在业余时间坚持从事热力学基础和分子运动论的研究。
1905 年，爱因斯坦的研究终于有了重要进展，他从分子运动论导出了一条关于辐射本性的重要推论，他称之为“试探性的（heuristic）观点”⑦。当时的情况是，普朗克定律的正确性一次又一次地得到了实验证实，然而关于它的真实含义物理学家们（包括普朗克本人）的认识却是模糊的，他们普遍认为能量量子化假设只与物质和辐射之间的相互作用有关，而并不影响自由的光辐射。这时，是年轻的爱因斯坦第一个意识到普朗克量子假设的革命性意义，即能量量子化与牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论是不相容的，同时，他还进一步发展了普朗克的能量子概念，并大胆地提出了光量子假设。
图1-5 光量子
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爱因斯坦假设，能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成⑧。例如，当光波从一个点向外扩散时，它的能量并不是如经典理论所认为的那样连续地分布在一个越来越大的体积中，而是由定域在空间中的有限数目的能量子组成的。这些能量子在运动中并不分裂，而且只能作为整体被吸收或发射，爱因斯坦称之为光量子。进一步地，利用普朗克的能量量子化公式，爱因斯坦还给出了光量子的能量和动量表达式，即 E = hν 及 P = h/λ，式中 h 是普朗克常数，ν 和 λ 是光波的频率和波长。利用这一光量子假设，爱因斯坦成功地解释了麦克斯韦电磁场理论所无法解释的光电效应等现象，并提出了光电效应定律。
然而，麦克斯韦电磁场理论已经取得了巨大的成功，根据这一理论光是一种电磁波，而不是粒子。因此，光量子假设在提出之后几乎没有人相信它，并被认为是爱因斯坦的一次“迷失方向”。的确，人们当时并未充分意识到能量量子化假设与麦克斯韦电磁场理论，进而与经典理论是不相容的，而光量子假设却将这种不相容性表现得更为明显，因此，即使是量子的发现者普朗克都拒绝接受光量子概念。
1915 年，美国物理学家密立根在实验上精确证实了爱因斯坦给出的光电效应定律，但他本人并不相信光量子的存在。直到 1922 年，康普顿效应的发现才最终令人信服地证实了光量子的真实存在，并使光量子概念开始为人们所接受。1926 年，美国化学家刘易斯将光量子正式命名为光子（photon）。
爱因斯坦由于对光电效应定律的发现而获得了 1921 年的诺贝尔奖，他晚年认为光量子概念是他一生中所提出的最具革命性的思想。
[评论]
人们为什么一直未能把普朗克的能量量子化假设当真呢？为什么普朗克本人在假设提出之后的十五年里仍然对这一革命性观念不确信呢？主要原因在于，这一量子化假设与传统的自然过程的连续性观念是根本抵触的，而连续性观念已为几乎所有的经典实验所证实，并为人们广泛接受⑨。
图1-6 爱因斯坦的光
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众所周知，杨氏双缝实验早在 1801 年就已经令人信服地证明了光可以产生干涉现象，从而是一种波。然而，爱因斯坦却发现，光波理论无法解释光电效应等新的实验现象，为此又必须利用光量子假设。但是，如果光是由粒子组成的，它又怎么能产生干涉现象呢？这绝对是一个两难的局面！几年后，爱因斯坦不得不承认：光似波，也似粒子。于是问题更加严重了，波和粒子是两种相互矛盾的图像，它们怎么可能在单一的光辐射中和平共处呢？人们又该相信哪个理论呢？
萨尔斯堡演讲：光似波，也似粒子
1909 年，德国萨尔斯堡
1909 年 9 月 21 日，爱因斯坦应邀参加了在萨尔斯堡（Salzburg）举行的德国自然科学家协会第 81 次大会。这是爱因斯坦第一次正式参加学术界的活动，也是他第一次会见普朗克等著名物理学家。爱因斯坦在这次大会上作了题为“论我们关于辐射的本质和组成的观点的发展”的报告，首次提出光具有波粒二象性。爱因斯坦通过对光辐射的统计特性的精辟分析得出结论：对于统计平均现象光表现为波动，而对于能量涨落现象光却表现为粒子，从而光同时具有波动结构和粒子结构。爱因斯坦进一步指出，这两种特性结构并不是彼此不相容的。
这样，爱因斯坦第一次在更深的层次上揭示出了光的神秘本性——波粒二象性，从而也将他最尊敬的两位前辈——牛顿和麦克斯韦关于光的理论有机地综合在一起。
尽管参加会议的多数物理学家（包括普朗克）并不同意爱因斯坦的观点，但是 14 年后，光的这种奇妙性质却触发了一位年轻的法国贵族子弟——德布罗意的思想灵感，并最终导致了量子力学的波动形式——薛定谔方程的发现。
光似波，也似粒子，那么光到底是什么呢？爱因斯坦同样感到深深的困惑。以理解上帝的精神为己任的他从此又开始了漫长的探索旅程。然而，上帝虽不怀恶意，但却是如此的狡黠，他终究没有成功。爱因斯坦晚年承认，“整整 50 年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案。”
插曲：布鲁塞尔的女巫盛宴
1911 年，比利时布鲁塞尔
量子问题的重要性使一些物理学家意识到有必要开一次国际会议，专门讨论与量子有关的问题。1911 年 10 月 29 日，在物理化学家能斯特的组织下，主题为“辐射理论与量子”的第一届索尔维会议⑩终于在布鲁塞尔成功召开了。来自各个国家的物理学家们聚在一起，共同讨论恼人的量子问题。他们都有一种共同的感受，即经典物理学的某些基本原理处境不妙了。第一届索尔维会议使量子思想声名远播，并使更多的人投入到对量子问题的研究中。爱因斯坦的好友贝索风趣地将这次会议称为“布鲁塞尔的女巫盛宴”。
图1-7 布鲁塞尔的女巫盛宴
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索尔维会议激发了年迈的彭加勒对量子问题的研究兴趣，他于 1912 年获得了一个新的结果，即任何可以推出普朗克定律的理论，都必然包含一种本质上的非连续性，这更加清晰地显示了量子假设与以连续性为基础的经典理论的不相容性。此外，彭加勒还富有预见性地讨论了如何表述包含非连续性的运动规律的问题。然而，由于他不久之后的去世，这些关于非连续性的深入研究也就此终止。
索尔维会议也引起了另一位丹麦青年玻尔对量子的兴趣，当时他刚刚从哥本哈根大学获得物理学博士学位。然而，两年之后，玻尔就将量子假设成功地应用于原子系统，并给出了普朗克能量量子化假设的另一种“异想天开”的解释。
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注⑥：伯尔尼在德语中是熊的意思，据说是用最初城堡的主人在这里打的第一只猎物的名字来命名的。
注⑦：1905年3月，爱因斯坦将他的观点发表在《物理学记事》第17卷上，文章题目为《关于光的产生和转换的一个试探性观点》。
注⑧：爱因斯坦提出光量子假设主要基于下述事实，即他发现在一定的条件下，光辐射和气体具有相似的热力学行为，因此他认为可以把光辐射看作是由粒子组成的，并称之为光量子。
注⑨：今天，人们对于量子理论的看法与此惊人地相似。人们宁愿固守被广泛接受的已有观念，在被认为是坚固的土地上工作，也不愿在新的未知领域中冒险。这也许是科学教育的一个缺陷，其中当然也有实用性观念的影响。
注⑩：1910年，作为化学家和实业家的索尔维很想为当时新物理学的发展尽一份力，于是他找到了好友——物理学家能斯特，请他帮忙。在能斯特的建议下，他们征求了很多物理学家（尤其是普朗克）的意见，最后决定从1911年开始每三年召开一次索尔维会议，邀请世界上著名的物理学家们一起来讨论、研究物理学的最前沿的问题。从此，索尔维的名字由于索尔维会议而永远地与量子的历史联系在一起。
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