光量子与物理学进化-光的量子论及其基本观念

让我们来考察建筑在海边上的一道堤岸。海浪不断地冲击堤岸，每一次海浪都把堤岸冲刷掉一些，然后退回去，让下一个波浪再打上来。堤岸的质量在逐渐减小。我们可以问一问，一年当中有多少质量被冲掉了。现在我们再来想象另一个过程。我们要用另外一种方法来使堤岸失去同样的质量。我们向堤岸射击，子弹射到的地方堤岸就被剥裂下来，堤岸的质量就因而减小。我们很可以设想，用两种方法可以使质量的减小完全相等。但是从堤岸的外观上，我们很容易查出堤岸是被连续的海浪还是被不连续的“弹雨”打过了。为了使我们理解下面将描述的现象，最好先记住海浪和弹雨之间的区别。

我们以前说过，炽热的金属线会发射电子。现在我们介绍另外一种从金属中打出电子的方法。把某种具有一定波长的单色光，例如紫光，照射在金属表面上。光就把电子从金属中打出来。电子在金属中被打了出来，一阵电子雨便以一定的速度向前运动。根据能量守恒定律，我们可以说：光的能量有一部分转化为被打出来的电子的动能。现代的实验技术已能使我们记录这些电子“子弹”的数目，测定它们的速度，因而也测定它们的能量。这种把光照射在金属上打出电子的现象叫作光电效应。

我们的出发点是研究一定强度的单色光的光波的作用。但是现在我们应当像在所有的实验中所做的一样，改变一下实验装置，看看对于我们所观察到的效应有什么影响。

首先我们把照射在金属面上的紫色的单色光的强度加以改变，并注意被发射出来的电子的能量，看它在多大程度上依赖于光的强度。让我们暂且不用实验的方法而试用推理的方法来找寻解答。我们可以这样推理：在光电效应中，一定有一部分辐射能转变为电子的动能。如果我们用同一波长但由更强的光源发出的光再来照射金属，那么，发射出的电子的能量就应该比较大，因为这时辐射的能量比以前大了。因此我们可以预言：假使光的强度增大，发射出的电子的速度也应增大。但是，实验却和我们的预言相反。我们再一次看出，自然界的规律并不会顺从我们的主观愿望。我们碰到了一个和我们的预言相矛盾的实验，因而也就粉碎了我们做预言所根据的理论。从波动说的观点看来，实验的结果是出人意料的。所有观察到的电子都有同样的速度、同样的能量，它们的速度和能量并不随光的强度的增加而改变。

波动说不能预言实验的结果。于是从旧理论与实验之间的冲突中又有一个新理论兴起了。

让我们故意不公正地对待光的波动说，忽视它的巨大成就，忽视它对于在非常小的障碍物附近光线发生弯曲现象（光的衍射）所做的圆满解释。将我们的注意力集中在光电效应上，并要求波动说对这个效应做出足够的解释。显然，我们不能从波动说中推论出为什么光照射在金属上打出的电子的能量和光的强度无关。因此，我们试用其他的理论。我们记得，牛顿的微粒说能解释许多已观察到的光的现象，但是在解释我们现在故意忽略的衍射现象时却完全失败了。在牛顿时代，还没有能量的概念。按照牛顿的理论，光的微粒是没有重量的。每一种色保有它自己的物质特性。后来，能量的概念建立起来了，而且认识到光是有能量的，但没有人想到把这些概念用于光的微粒说。牛顿的理论衰落以后，直到20世纪为止，还没有人认真地考虑过它的复兴。

为了保持牛顿理论的基本观念，我们必须假设：单色光是由能—粒子组成的，并用光量子来代替旧的光微粒。光量子以光速在空中穿过，它是能量的最小单元。我们把这些光量子叫作光子。牛顿理论以这个新的形式复兴，就得出光的量子论。不但物质与电荷有微粒结构，辐射能也有微粒结构，就是说，它是由光量子组成的。除了物质量子和电量子以外，还同时存在着能量子。

光量子的观念是在20世纪初普朗克（Planck）为了解释某一比光电效应复杂得多的现象而首先提出的。但是，光电效应极其简单而清楚地指出了改变我们的旧概念的必要性。

我们立刻就会明白，光的量子论能够解释光电效应。一阵光子落到金属板上。这里辐射与物质的相互作用是由许许多多的单过程组成的，在这些过程中，光子碰击原子并将电子从原子中打了出来。这些单过程都是相似的，因此在每一种情况下，打出的电子具有同样的能量。我们也可以理解，增加光的强度，照我们的新语言来说就是增加落下的光子数目。在这种情况下，金属板就有更多的电子被打出来，而每一单独电子的能量并不改变。因此，我们可以知道这个理论与观察的结果是完全一致的。

假使用另外一种颜色的单色光束，譬如说，用红色的来代替紫色光打到金属面上，将发生什么情况呢？让实验来回答这个问题吧。必须测出用红光发射出的电子的能量，并拿它和紫光打出的电子的能量加以比较。红光打出的电子的能量比紫光打出的电子的能量小。这就表示，光色不同，它们的光子的能量也不同。红色光的光子的能量比紫色光的光子的能量小一半。或者更严格地说：单色光的光量子的能量与波长成反比。这就是能量子和电量子之间的一个主要区别。各种波长有各种不同的光量子，可是电量子却总是一样的。假使用以前提到过的例子做比喻，我们可以把光量子比作最小的“钱币”量子，而不同的国家的最小钱币量子是各不相同的。(www.xing528.com)

我们继续放弃光的波动说而假定光的结构是微粒性的，光是由光量子组成的，而光量子就是以光速穿过空间的光子。这样，在我们的新的图景里，光就是光子“雨”，而光子是光能的基本量子。但是假使波动说被完全抛弃，波长的概念也随之消失了。代替它的是什么样的新概念呢？是光量子的能量！用波动说的术语来表达的一番话，可以被翻译成用辐射量子论的术语来表达。例如：

物理学的目前局面可以被概括如下：有一些现象可以用量子论来解释，但不能用波动说来解释；光电效应就是这样一个例子，此外还有其他的例子已被发现。又有一些现象只能用波动说来解释而不能用量子论来解释，典型的例子是光遇到障碍物会弯曲的现象。还有一些现象既可用量子论又可用波动说来解释，例如光的直线传播。

到底光是什么东西呢？是波还是光子“雨”呢？我们以前也曾经提出过类似的问题：光到底是波还是一阵微粒？那时是抛弃光的微粒说而接受波动说的，因为波动说已经可以解释一切现象了。但是，现在的问题远比以前复杂。单独应用这两种理论的任一种，似乎已不能对光的现象做出完全而彻底的解释了。我们似乎有时得用这一种理论，有时得用另一种理论，有时又要两种理论同时并用。我们已经面临了一种新的困难。现在有两种相互矛盾的实在的图景，两者中的任何一个都不能圆满地解释所有的光的现象，但是结合起来就能够了！

怎样才能够把这两种图景统一起来，又怎样理解光的这两个完全不同的方面呢？要讨论这个新的困难是不容易的。我们再一次碰到了一个根本性问题。

目前我们暂且采用光的光子论，并试图用它来帮助理解那些以前一直用波动说解释的论据。这样，我们就能强调那些乍一看来使两种理论互相矛盾的困难。

我们记得，穿过针孔的一束单色光会形成光环及暗环。我们如果放弃波动说，怎样能借助于光的量子论来理解这个现象呢？一个光子穿过了针孔。我们可以期望，如果光子是穿过针孔的，幕上应当显示出光亮；如果光子不穿过，则是暗的。但事实不是这样，我们看到了光环和暗环。我们可以试着这样来解释：也许在光子和针孔边缘之间存在着某种相互作用，因此出现了衍射光环。当然，这句话很难被认为是一个解释。它最多只是概括出一个解释的预示，使我们能建立起一些希望，希望在将来用通过光子和物质的相互作用来解释衍射现象。

但即使是这个微弱的希望也被我们以前讨论过的另外一个实验装置粉碎了。假设有两个小孔。穿过这两个小孔的单色光，将在幕上显出光带和暗带。用光的量子论的观点应当如何理解这个效应呢？也许我们可以这样论证：一个光子穿过两个小孔中的任意一个。假如单色光的光子是光的基本粒子，我们就很难想象它能分裂开来并同时通过两个小孔。而那时效应就应当和单孔时完全相同，应该是光环和暗环而不是光带和暗带。为什么那时存在了另外一个小孔就把效应完全改变了呢？显然，即使另外一个小孔在相当远的地方，而光子并不通过它也因为它的存在会将光环和暗环变成光带和暗带。如果光子的行为和经典物理中的微粒一样，它一定要穿过两个小孔中的一个。但是在这种情况下，衍射现象就似乎完全不可理解了。

科学迫使我们创造新的观念和新的理论。它们的任务是拆除那些常常阻碍科学向前发展的矛盾之墙。所有重要的科学观念都是在实在跟我们的理解之间发生剧烈冲突时诞生的。这里又是一个需要有新的原理才能求解的问题。在试图讨论用现代物理学解释光的量子论和波动说的矛盾以前，我们将指出，如果我们不讨论光量子而讨论物质量子，也会出现同样的困难。